Xilinx FPGA中的CRC模块

只看该作者 · 2011-5-25 10:33

CRC根据一个给定的数据位组算出，然后在传输或存储之前附加到数据帧尾部。接收或检索到帧后，对其内容重新计算CRC，以此来验证其有效性，确保数据无误。
　　本文简述CRC计算所依据的原理，并且探讨用线性反馈移位寄存器实现其硬件的方法。然后，我们把注意力转向Xilinx?VirtexTM-5 LXT/SXT 器件中存在的 CRC 硬模块。
　　原理
　　加法和减法运算是用模2算法执行；也就是说，这两种运算与“异或”(XOR)运算相同。除了没有进位，多项式算法中的两数相加与普通二进制算法中的多数相加相同。
　　例如：二进制消息流11001011表达为x7+x6+x3+x+1。传输点与接收点约定一个固定多项式，称为生成器多项式；这是CRC计算的关键参数。
　　将数据解释为一个多项式的系数，用一个给定的生成器多项式除这些系数。除得的余数就是CRC。假设有一个m位消息序列和一个r阶生成器多项式，发射器创建一个n位 (n=m+r)序列，称为帧校验序列 (FCS)，使这个(m+r)位合成帧可以被一个预先确定的序列整除。
　　发射器将r个0位附加到m位的消息，并且用生成器多项式除所得 m+r-1阶多项式。这样可得到一个阶数等于或小于(r-1)的余数多项式。该余数多项式有r个系数，这些系数形成校验和。将商丢弃。传输的数据是原m位消息后附r位校验和。
　　在接收器上，可以按以下两种标准方法之一评估所接收数据的有效性：
　　对收到的前m个位再次计算校验和，然后与收到的校验和（收到的后r个位）进行比较。
　　对收到的全部(m+r)个位计算校验和，然后与一个0余数进行比较。
　　为了说明第二种方法如何得出 0余数，我们做如下约定：
M=消息的多项表达式
R=发射器上所算得余数的多项表达式
G=生成器多项式
Q=用G除M得到的商
　　传输的数据对应于多项式 Mxr–R。变量xr表示消息为容纳校验和而产生的一个r位移位。
　　我们知道：Mxr=QG+R
　　在发射器上将校验和R附加到消息中相当于从消息中减去余数。于是，传输的数据变为Mxr-R=QG，这显然是G的倍数。这就是我们在第二种情况下得到0余数的过程。
　　不过，这一过程对所传输数据中首0位和尾0位的个数不敏感。换句话说，无论消息插入还是删除尾0位，余数都保持为0，从而使错误漏检，这表明不会复原成同样的位序列。下面介绍一种克服这一缺点的变通办法。 剩余法
　　实际上，校验和经过反演后才附加到消息中。这就使接收器上算出的余数（超过m+r位）不为0。在这类情况下，接收器上得到的余数是一个固定值，称为多项式的剩余值。
　　做一点演算有助于更清楚地说明这一概念。
　　假定%符号在下列表达式中表示模运算。
　　对于未经反演附加校验和的情况：
(Mxr–R)xr%G=0
　　在这种情况下，接收器会执行与发射器一样的移位运算。
　　现在，考虑校验和在发射器上经反演后附加到消息流的情况： (Mxr–Rc)xr% G
其中，Rc表示经过反演的校验和。
　　还可以将其写成：(Mxr– R +(xr-1+...+x+ 1)) xr% G
　　一个位的反码与其对1异或运算的结果相同。这里的+号表示模2算法中的加法（另请注意，在模2算法中，加法和减法运算相同）。
　　在这种情况下，余数与以下表达式相同：(xr-1+...+x+1) xr% G
　　对于给定的生成器多项式来说，此表达式的计算结果将是一个常数。
　　最常用的CRC 32生成器多项式是G(x) = x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1
　　该式在十六进制中是04C11DB7。
　　与CRC-32对应的常数剩余值在十六进制中是C704DD7B。对于给定的生成器多项式G来说，无论在输入端提供何种数据样式，剩余值仍为常数。
　　硬件实现
　　CRC校验和的计算是多项式除法过程。在硬件中实现该过程需要使用一个移位寄存器（亦称CRC寄存器）。该移位寄存器的长度与生成器多项式的阶数相同。
　　CRC 计算过程如下：
1.初始化CRC寄存器。
2.持续获取消息位，直到获得所有消息位。如果CRC寄存器中的高阶位是1，则向左移一位，并且将其结果与G进行异或运算。否则，仅向左移一位。
　　对给定消息完成所有这些步骤后，CRC寄存器中剩下的就是余数。

　　可以用一种称为线性反馈移位寄存器(LFSR)的电路执行这些步骤。图1所示为用CRC32多项式计算 CRC 的 LFSR 实现方法。请注意，异或门的布局取决于生成器多项式中项值为 1 的对应项的系数。图中的编号方框各代表一个存储元件（触发器）。 CRC模块
　 CRC 的硬件实现使用一个简单的 LFSR。这种电路虽然实现起来简单，但对于一个n位数据流来说，要占用n个时钟周期来计算CRC值。在必须以较高速度处理数据帧的高速数据网络应用中，这样的延迟是无法忍受的。这类高速网络应用迫切需要对并行数据流实现CRC生成和校验。

　　Virtex-5 LXT/SXT器件中实现的CRC模块可帮助设计人员加速校验和计算。
　　Virtex-5 LXT/SXT器件中的 CRC硬模块基于CRC32多项式。Virtex-5 FPGA含有CRC32和 CRC64 两种硬模块，能以一个时钟周期的延迟为4位和8位数据输出生成CRC。其界面简单易用。硬模块对给定的消息流起着CRC计算器的作用，同时提供一些针对 CRC的参数作为输入。CRC的比较功能已经超出硬模块的范围，应集成到FPGA架构中。
　　FPGA 中的每个CRC硬模块异步计算一个32位校验和。
　　图2是说明硬模块架构的模块级图。CRC硬模块提供一个位反演和字节反转的输出。

　　图3所示为CRC硬模块的应用概况。在发射器上，CRC经计算后附加到给定数据包的尾部。在接收器上，对连带发射器所附加的CRC一起接收到的整个数据包重新计算CRC。
　所收数据包的有效性用剩余法来确定。对于本例中的CRC32多项式来说，剩余值的计算结果将是十六进制的1CDF4421，这其实就是 C704DDB7的位反演和字节反转值。字节反转和位反演的概念如图4所示。

　　图5所示为正常CRC运算的波形

　　我们还提供一个LogiCORETM CRC 向导，其中为 Virtex-5 器件中的CRC硬模块提供一个LocalLink封装。其内核还提供了一个说明如何使用 CRC 硬模块的设计实例。此外，内核提供了各种选项，如流水线处理、补数计算和转置。
　　结论
　　Xilinx FPGA中的CRC模块使设计人员能够轻松地将检错机制加入到各种设计中。可以用CORE GeneratorTM软件中提供的CRC Wizard IP加入符合不同协议（如 Aurora 和 PCI Express）的检错功能。