基于Verilog語言實現(xiàn)CRC校驗

1 前言

（1） 什么是CRC校驗？

CRC即循環(huán)冗余校驗碼：是數(shù)據(jù)通信領域中最常用的一種查錯校驗碼，其特征是信息字段和校驗字段的長度可以任意選定。循環(huán)冗余檢查（CRC）是一種數(shù)據(jù)傳輸檢錯功能，對數(shù)據(jù)進行多項式計算，并將得到的結果附在幀的后面，接收設備也執(zhí)行類似的算法，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。

LFSR計算CRC，可以用多項式G（x）表示，G(x) = X16+X12+X5+1模型可如下圖所示。

（2） 校驗原理

其根本思想就是先在要發(fā)送的幀后面附加一個數(shù)（這個就是用來校驗的校驗碼，但要注意，這里的數(shù)也是二進制序列的，下同），生成一個新幀發(fā)送給接收端。當然，這個附加的數(shù)不是隨意的，它要使所生成的新幀能與發(fā)送端和接收端共同選定的某個特定數(shù)整除（注意，這里不是直接采用二進制除法，而是采用一種稱之為“模2除法”）。到達接收端后，再把接收到的新幀除以（同樣采用“模2除法”）這個選定的除數(shù)。因為在發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前就已通過附加一個數(shù)，做了“去余”處理（也就已經(jīng)能整除了），所以結果應該是沒有余數(shù)。如果有余數(shù)，則表明該幀在傳輸過程中出現(xiàn)了差錯。

要校驗的數(shù)據(jù)加上此數(shù)據(jù)計算出來的crc組成新的數(shù)據(jù)幀，如下圖所示。

模2除法：

模2除法與算術除法類似，但每一位除的結果不影響其它位，即不向上一位借位，所以實際上就是異或。在循環(huán)冗余校驗碼（CRC）的計算中有應用到模2除法。

（3） 步驟

CRC校驗中有兩個關鍵點，一是預先確定一個發(fā)送送端和接收端都用來作為除數(shù)的二進制比特串（或多項式），可以隨機選擇，也可以使用國際標準，但是最高位和最低位必須為1；二是把原始幀與上面計算出的除數(shù)進行模2除法運算，計算出CRC碼。

1. 選擇合適的除數(shù)

2. 看選定除數(shù)的二進制位數(shù)，然后再要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀上面加上這個位數(shù)-1位的0，然后用新生成的幀以模2除法的方式除上面的除數(shù)，得到的余數(shù)就是該幀的CRC校驗碼。注意，余數(shù)的位數(shù)一定只比除數(shù)位數(shù)少一位，也就是CRC校驗碼位數(shù)比除數(shù)位數(shù)少一位，如果前面位是0也不能省略。

3. 將計算出來的CRC校驗碼附加在原數(shù)據(jù)幀后面，構建成一個新的數(shù)據(jù)幀進行發(fā)送；最后接收端在以模2除法方式除以前面選擇的除數(shù)，如果沒有余數(shù)，則說明數(shù)據(jù)幀在傳輸?shù)倪^程中沒有出錯。

（4） 計算實例

現(xiàn)假設選擇的CRC生成多項式為G（X） = X4+ X3+ 1，要求出二進制序列10110011的CRC校驗碼。下面是具體的計算過程：

①將多項式轉化為二進制序列，由G（X） = X4+ X3+ 1可知二進制一種有五位，第4位、第三位和第零位分別為1，則序列為11001

②多項式的位數(shù)位5，則在數(shù)據(jù)幀的后面加上5-1位0，數(shù)據(jù)幀變?yōu)?01100110000，然后使用模2除法除以除數(shù)11001，得到余數(shù)。

③將計算出來的CRC校驗碼添加在原始幀的后面，真正的數(shù)據(jù)幀為101100110100，再把這個數(shù)據(jù)幀發(fā)送到接收端。

④接收端收到數(shù)據(jù)幀后，用上面選定的除數(shù)，用模2除法除去，驗證余數(shù)是否為0，如果為0，則說明數(shù)據(jù)幀沒有出錯。

2 流程

（1）并行計算crc用verilog語言描述是復雜繁瑣的，所以可以使用在線工具生成verilog或者VHDL模板：http://www.easics.com/webtools/crctool，模板生成的代碼稍加修改即可使用。

（2）本次校驗模型為G(x) = X16+X12+X5+1。在在線工具中操作相關選項生成模板。

模板v文件如下：

 1 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 2 // Copyright (C) 1999-2008 Easics NV.
 3 // This source file may be used and distributed without restriction
 4 // provided that this copyright statement is not removed from the file
 5 // and that any derivative work contains the original copyright notice
 6 // and the associated disclaimer.
 7 //
 8 // THIS SOURCE FILE IS PROVIDED "AS IS" AND WITHOUT ANY EXPRESS
 9 // OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, WITHOUT LIMITATION, THE IMPLIED
10 // WARRANTIES OF MERCHANTIBILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
11 //
12 // Purpose : synthesizable CRC function
13 //   * polynomial: x^16 + x^12 + x^5 + 1
14 //   * data width: 16
15 //
16 // Info : tools@easics.be
17 //        http://www.easics.com
18 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
19 module CRC16_D16;
20 
21   // polynomial: x^16 + x^12 + x^5 + 1
22   // data width: 16
23   // convention: the first serial bit is D[15]
24   function [15:0] nextCRC16_D16;
25 
26     input [15:0] Data;
27     input [15:0] crc;
28     reg [15:0] d;
29     reg [15:0] c;
30     reg [15:0] newcrc;
31   begin
32     d = Data;
33     c = crc;
34 
35     newcrc[0] = d[12] ^ d[11] ^ d[8] ^ d[4] ^ d[0] ^ c[0] ^ c[4] ^ c[8] ^ c[11] ^ c[12];
36     newcrc[1] = d[13] ^ d[12] ^ d[9] ^ d[5] ^ d[1] ^ c[1] ^ c[5] ^ c[9] ^ c[12] ^ c[13];
37     newcrc[2] = d[14] ^ d[13] ^ d[10] ^ d[6] ^ d[2] ^ c[2] ^ c[6] ^ c[10] ^ c[13] ^ c[14];
38     newcrc[3] = d[15] ^ d[14] ^ d[11] ^ d[7] ^ d[3] ^ c[3] ^ c[7] ^ c[11] ^ c[14] ^ c[15];
39     newcrc[4] = d[15] ^ d[12] ^ d[8] ^ d[4] ^ c[4] ^ c[8] ^ c[12] ^ c[15];
40     newcrc[5] = d[13] ^ d[12] ^ d[11] ^ d[9] ^ d[8] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[0] ^ c[0] ^ c[4] ^ c[5] ^ c[8] ^ c[9] ^ c[11] ^ c[12] ^ c[13];
41     newcrc[6] = d[14] ^ d[13] ^ d[12] ^ d[10] ^ d[9] ^ d[6] ^ d[5] ^ d[1] ^ c[1] ^ c[5] ^ c[6] ^ c[9] ^ c[10] ^ c[12] ^ c[13] ^ c[14];
42     newcrc[7] = d[15] ^ d[14] ^ d[13] ^ d[11] ^ d[10] ^ d[7] ^ d[6] ^ d[2] ^ c[2] ^ c[6] ^ c[7] ^ c[10] ^ c[11] ^ c[13] ^ c[14] ^ c[15];
43     newcrc[8] = d[15] ^ d[14] ^ d[12] ^ d[11] ^ d[8] ^ d[7] ^ d[3] ^ c[3] ^ c[7] ^ c[8] ^ c[11] ^ c[12] ^ c[14] ^ c[15];
44     newcrc[9] = d[15] ^ d[13] ^ d[12] ^ d[9] ^ d[8] ^ d[4] ^ c[4] ^ c[8] ^ c[9] ^ c[12] ^ c[13] ^ c[15];
45     newcrc[10] = d[14] ^ d[13] ^ d[10] ^ d[9] ^ d[5] ^ c[5] ^ c[9] ^ c[10] ^ c[13] ^ c[14];
46     newcrc[11] = d[15] ^ d[14] ^ d[11] ^ d[10] ^ d[6] ^ c[6] ^ c[10] ^ c[11] ^ c[14] ^ c[15];
47     newcrc[12] = d[15] ^ d[8] ^ d[7] ^ d[4] ^ d[0] ^ c[0] ^ c[4] ^ c[7] ^ c[8] ^ c[15];
48     newcrc[13] = d[9] ^ d[8] ^ d[5] ^ d[1] ^ c[1] ^ c[5] ^ c[8] ^ c[9];
49     newcrc[14] = d[10] ^ d[9] ^ d[6] ^ d[2] ^ c[2] ^ c[6] ^ c[9] ^ c[10];
50     newcrc[15] = d[11] ^ d[10] ^ d[7] ^ d[3] ^ c[3] ^ c[7] ^ c[10] ^ c[11];
51     nextCRC16_D16 = newcrc;
52   end
53   endfunction
54 endmodule

（3）修改模板最終如下：

 1 `timescale 1ns/1ps
 2 module crc16_test (
 3     input     wire              i_clk                 , //時鐘；
 4     input     wire              i_rst_n               , //同步復位；
 5     input     wire              i_din_valid           , //輸入數(shù)據(jù)有效；
 6     input     wire    [15:0]    i_din                 , //輸入數(shù)據(jù)；
 7     output    wire              o_dout_valid          , //輸出CRC值有效；
 8     output    wire    [15:0]    o_dout                  //輸出CRC；         
 9 );
10 reg [15:0] r_dout;
11 wire [15:0] d;
12 wire [15:0] c;
13 assign d = i_din;
14 assign c = r_dout;
15 always @(posedge i_clk) begin
16     if (~i_rst_n) 
17         r_dout <= 16'hffff; //初始值為ffff；
18     else if (i_din_valid) 
19     begin //計算邏輯；
20         r_dout[0]  = d[12] ^ d[11] ^ d[8] ^ d[4] ^ d[0] ^ c[0] ^ c[4] ^ c[8] ^ c[11] ^ c[12];
21         r_dout[1]  = d[13] ^ d[12] ^ d[9] ^ d[5] ^ d[1] ^ c[1] ^ c[5] ^ c[9] ^ c[12] ^ c[13];
22         r_dout[2]  = d[14] ^ d[13] ^ d[10] ^ d[6] ^ d[2] ^ c[2] ^ c[6] ^ c[10] ^ c[13] ^ c[14];
23         r_dout[3]  = d[15] ^ d[14] ^ d[11] ^ d[7] ^ d[3] ^ c[3] ^ c[7] ^ c[11] ^ c[14] ^ c[15];
24         r_dout[4]  = d[15] ^ d[12] ^ d[8] ^ d[4] ^ c[4] ^ c[8] ^ c[12] ^ c[15];
25         r_dout[5]  = d[13] ^ d[12] ^ d[11] ^ d[9] ^ d[8] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[0] ^ c[0] ^ c[4] ^ c[5] ^ c[8] ^ c[9] ^ c[11] ^ c[12] ^ c[13];
26         r_dout[6]  = d[14] ^ d[13] ^ d[12] ^ d[10] ^ d[9] ^ d[6] ^ d[5] ^ d[1] ^ c[1] ^ c[5] ^ c[6] ^ c[9] ^ c[10] ^ c[12] ^ c[13] ^ c[14];
27         r_dout[7]  = d[15] ^ d[14] ^ d[13] ^ d[11] ^ d[10] ^ d[7] ^ d[6] ^ d[2] ^ c[2] ^ c[6] ^ c[7] ^ c[10] ^ c[11] ^ c[13] ^ c[14] ^ c[15];
28         r_dout[8]  = d[15] ^ d[14] ^ d[12] ^ d[11] ^ d[8] ^ d[7] ^ d[3] ^ c[3] ^ c[7] ^ c[8] ^ c[11] ^ c[12] ^ c[14] ^ c[15];
29         r_dout[9]  = d[15] ^ d[13] ^ d[12] ^ d[9] ^ d[8] ^ d[4] ^ c[4] ^ c[8] ^ c[9] ^ c[12] ^ c[13] ^ c[15];
30         r_dout[10] = d[14] ^ d[13] ^ d[10] ^ d[9] ^ d[5] ^ c[5] ^ c[9] ^ c[10] ^ c[13] ^ c[14];
31         r_dout[11] = d[15] ^ d[14] ^ d[11] ^ d[10] ^ d[6] ^ c[6] ^ c[10] ^ c[11] ^ c[14] ^ c[15];
32         r_dout[12] = d[15] ^ d[8] ^ d[7] ^ d[4] ^ d[0] ^ c[0] ^ c[4] ^ c[7] ^ c[8] ^ c[15];
33         r_dout[13] = d[9] ^ d[8] ^ d[5] ^ d[1] ^ c[1] ^ c[5] ^ c[8] ^ c[9];
34         r_dout[14] = d[10] ^ d[9] ^ d[6] ^ d[2] ^ c[2] ^ c[6] ^ c[9] ^ c[10];
35         r_dout[15] = d[11] ^ d[10] ^ d[7] ^ d[3] ^ c[3] ^ c[7] ^ c[10] ^ c[11];
36     end
37 end 
38 reg r_dout_valid = 0; 
39 always @(posedge i_clk) //輸入數(shù)據(jù)在一個時鐘內完成CRC計算，下一個時鐘輸出；
40 begin
41     r_dout_valid <= i_din_valid;
42 end
43 
44 assign o_dout_valid = r_dout_valid;
45 assign o_dout = r_dout ;
46 
47 endmodule // end the crc16_test model;

3 仿真

仿真結果和在線工具計算結果進行比較，在線工具地址：http://www.ip33.com/crc.html。

（1）編寫tb文件，對代碼進行測試，測試結果如下圖所示：

（2）在線校驗。輸入需要校驗的數(shù)據(jù)，選擇參數(shù)模型，輸入初始值（此次crc結果的前一個crc值，代碼中初始化為ffff）?？梢詫Ρ劝l(fā)現(xiàn)計算無誤。

第一次計算0011（初始值為ffff），結果為1f1f。

第二次計算0013（初始值為1f1f），結果為d2c1。

4 綜合

本次綜合參考芯片為：xc7k325tffg676-2

（1） 資源使用量如下圖所示。

（2） 模塊時鐘約束為100M，裕量如下圖所示，滿足時序要求。