循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的單片機(jī)及CPLD實(shí)現(xiàn)
1 基本原理
串行數(shù)據(jù)的差錯(cuò)檢驗(yàn)是保證數(shù)據(jù)正確的必要手段，通常采用奇遇校驗(yàn)法和循環(huán)冗余校驗(yàn)法。這兩種方法都是通過冗余數(shù)據(jù)來提供必要信息。奇偶校驗(yàn)法適用于以字節(jié)為單位數(shù)據(jù)傳輸。例如用偶校驗(yàn)傳送1個(gè)ASCII字符時(shí)，要附加1個(gè)校驗(yàn)位，從而使全部9位中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。奇偶校驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，但當(dāng)數(shù)據(jù)崩潰或出現(xiàn)多位錯(cuò)誤時(shí)，往往不能檢驗(yàn)出來，因而可靠性不高。
循環(huán)冗余碼校驗(yàn)法利用了循環(huán)和反饋機(jī)制，校驗(yàn)碼由輸入數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)經(jīng)過較為復(fù)雜的運(yùn)算而得到。因此，冗余碼包含了更為豐富的數(shù)據(jù)間的信息，可靠性更高。校好的循環(huán)冗余碼可校驗(yàn)出以下錯(cuò)誤：①全部數(shù)據(jù)位任意奇數(shù)個(gè)位出錯(cuò)；②全部數(shù)據(jù)位中任意連續(xù)2位出錯(cuò)；③處于一個(gè)8位時(shí)間窗內(nèi)的任1～8位數(shù)據(jù)出錯(cuò)。
使用循環(huán)冗余碼校驗(yàn)方法通信時(shí)，發(fā)送方先計(jì)算待發(fā)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼，然后將數(shù)據(jù)與校驗(yàn)碼起發(fā)出；接收方接收數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行循環(huán)冗余碼的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與來自發(fā)送方的校驗(yàn)碼相比較，如不相同表示傳輸過程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，接收方必須通知發(fā)送方再次發(fā)送該組數(shù)據(jù)。
假設(shè)要傳輸64位數(shù)據(jù)（最后8位是校驗(yàn)碼），并使用多項(xiàng)式x8+x5+x4+1來產(chǎn)生8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（以下簡(jiǎn)稱CRC碼）。其邏輯結(jié)構(gòu)可用異或門和移位寄存器表示，如圖1所示。寄存器的值即為輸入數(shù)據(jù)的CRC碼。首先來輸入數(shù)據(jù)與最低位的異或值，如為“0”，只需將當(dāng)前CRC碼邏輯右移1位（首位補(bǔ)零），即可得到新CRC碼；如為“1”，則將當(dāng)前CRC碼與18H異或，再循環(huán)右移1位即可。該校驗(yàn)碼有以下特點(diǎn)：①當(dāng)輸入的8位數(shù)據(jù)（低位在前）與當(dāng)前 CRC碼相同時(shí)，輸出的CRC碼將是零。因此，當(dāng)包含8位CRC碼的全部64位數(shù)據(jù)輸入后，輸出的CRC碼應(yīng)為零。②只要有非零位即可判決傳輸錯(cuò)誤，而必復(fù)雜的校驗(yàn)技術(shù)。
2 用匯編語言產(chǎn)生循環(huán)冗長(zhǎng)余校驗(yàn)碼
在8051單片機(jī)上，由以下代碼可得8位CRC碼（存于變量CRC中），8位輸入數(shù)據(jù)暫存于ACC中。
DO_CRC：PUSH ACC ；保存輸入數(shù)據(jù)
PUSH B ；保存B寄存器
PUSH ACC ；再次保存
MOV B，#8 ；共有8位數(shù)據(jù)
CRC_LOOP：XRL A，CRC
RRC A ；將最低位與輸入數(shù)據(jù)的異或值放入進(jìn)位標(biāo)志中
MOV A，CRC
JNC ZERO
XRL A，#18H；當(dāng)前CRC碼與18H異或
ZERO： RRC A ；右移1位
MOV CRC，A ；保存新CRC碼
POP ACC
RR A ；取出輸入數(shù)據(jù)的第2位
PUSH ACC
DJNZ B,CRC_LOOP ;循環(huán)
POP ACC
POP B
POP ACC ；恢復(fù)各寄存器
RET
上述程序?qū)γ恳晃惠斎霐?shù)據(jù)都要執(zhí)行一系列操作，運(yùn)算量很大，但內(nèi)存占用少，適合于內(nèi)存緊張的情況。當(dāng)內(nèi)存充裕時(shí)，可以使用效率更高的查表法。
3 用查表法求CRC碼
將輸入數(shù)據(jù)按字節(jié)分開，每字節(jié)值在0～255之間。令當(dāng)前CRC碼為00H，當(dāng)分別輸入0～255時(shí)，得到256個(gè)CRC碼。將它們順序排列就構(gòu)成了循環(huán)冗余校驗(yàn)碼表。用當(dāng)前CRC碼與輸入字節(jié)異或后的值作為下標(biāo)，查表即可求出新CRC碼。下例中，crc存放CRC碼，ACC存放輸入字節(jié)， crc_table為循環(huán)冗余校驗(yàn)表的入口地址。代碼如下：
XRL A，crc ;當(dāng)前CRC碼與輸入數(shù)據(jù)異或
PUSH DPH
PUSH DPL ；保存數(shù)據(jù)指針
MOV DPTR #crc_table
MOVC A，@A+DPTR；查表
MOV crc,A
POP DPL
POP DPH ；恢復(fù)數(shù)據(jù)指針
RET
crc_table：
DB 00H,5EH,BCH,E2H,61H,3FH,DDH,83H
DB C2H,9CH,7EH,20H,A3H,FDH,1FH,41H
DB 9DH,C3H,21H,7FH,FCH,A2H,40H,1EH
……
4 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的CPLD實(shí)現(xiàn)
用CPLD 作循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的硬件實(shí)現(xiàn)，其速度更快，性能更好，而且只占用極少的CPLD內(nèi)的資源。本人用Xilinx公司的XCV9536芯片，基于以下VHDL 代碼，實(shí)現(xiàn)了8位CRC碼生成電路。代碼下VHDL代碼，實(shí)現(xiàn)了8位CRC碼生成電路。代碼中，s_in為輸入串行數(shù)據(jù)，q為輸出CRC碼，d_new為當(dāng)前CRC碼。
Library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all；
entity crc is
port(clk,s_in,reset:in STD_LOGIC,q:out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0));
end crc;
architecture crc_arch of crc is
signal t1,t2,t3:std_logic;
signal d_new:std_logic_vector(7 downto 0);
begin
t1<=d_new(0)xor s_in; --t1為最低位與輸入異或值
t2<=d_new(4)xor '1';
t3<=d_new(3)xor'1';
process(clk,reset)
begin
if clk event and clk='1'then
if reset='1'then
d_new<=x"0"; --復(fù)位時(shí)，CRC碼置零
elsif t1='1'then
d_new<=t1&d_new(7 downto 5)&t2&t3&td_new(2 downto 1);--t1為"1"時(shí)的新CRC碼
elsif t1='0'then
d_new<=t1&d_new(7 downto 1); --t1為"0"時(shí)的新CRC碼
end if;
end if;
end process;
q<=d_new;--輸出CRC碼
end crc_arch;
5 總結(jié)
基于以上介紹的8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的軟件及硬件實(shí)現(xiàn)方法，可以設(shè)計(jì)各種類型的循環(huán)冗余校檢方法。由上述例程可以看出，循環(huán)冗余碼校驗(yàn)是一種可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)的校驗(yàn)方法。
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