基于verilog的CRC校验(汇总)
目录
- 原理
- 计算
- 检错与纠错
- 纠错实现
- Verilog实现
本来想整理一下关于CRC校验的内容,但是发现前辈们写的都很好,本文对内容进行整理汇总。
原理
crc为什么能够检错和纠错,这背后有着深刻的数学原理,这里没有进行阐述,有兴趣可以阅读相关论文。这里直接拿来主义。
这篇文章似乎介绍了原理,但我没有认真看。
CRC算法原理及其Verilog实现
CRC(循环冗余校验)在线计算
CRC校验(循环冗余校验)小知识
CRC即循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check):是数据通信领域中最常用的一种查错校验码,其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。循环冗余检查(CRC)是一种数据传输检错功能,对数据进行多项式计算,并将得到的结果附在帧的后面,接收设备也执行类似的算法,以保证数据传输的正确性和完整性。
CRC算法参数模型解释:
NAME:参数模型名称。
WIDTH:宽度,即CRC比特数。
POLY:生成项的简写,以16进制表示。例如:CRC-32即是0x04C11DB7,忽略了最高位的"1",即完整的生成项是0x104C11DB7。
INIT:这是算法开始时寄存器(crc)的初始化预置值,十六进制表示。
REFIN:待测数据的每个字节是否按位反转,True或False。
REFOUT:在计算后之后,异或输出之前,整个数据是否按位反转,True或False。
XOROUT:计算结果与此参数异或后得到最终的CRC值。
常见CRC参数模型如下:
计算
下面介绍crc的计算过程,图表见原文
CRC校验原理及实现
通常如果只给了一个多项式,其他的没有说明则:INIT=0x00,REFIN=false,REFOUT=false,XOROUT=0x00。
下面手算一个CRC值,来了解CRC计算的原理。
问:原始数据:0x34,使用CRC-8/MAXIN参数模型,求CRC值?
答:根据CRC参数模型表,得到CRC-8/MAXIN的参数如下:
POLY = 0x31 = 0011 0001(最高位1已经省略)
INIT = 0x00
XOROUT = 0x00
REFIN = TRUE
REFOUT = TRUE
有了上面的参数,这样计算条件才算完整,下面来实际计算:
0.原始数据 = 0x34 = 0011 0100,多项式 = 0x31 = 1 0011 0001
1.INIT = 00,原始数据高8位和初始值进行异或运算保持不变。
2.REFIN为TRUE,需要先对原始数据进行翻转:0011 0100 > 0010 1100
3.原始数据左移8位,即后面补8个0:0010 1100 0000 0000
4.把处理之后的数据和多项式进行模2除法,求得余数:
原始数据:0010 1100 0000 0000 = 10 1100 0000 0000
多项式:1 0011 0001
模2除法取余数低8位:1111 1011
5.与XOROUT进行异或,1111 1011 xor 0000 0000 = 1111 1011
6.因为REFOUT为TRUE,对结果进行翻转得到最终的CRC-8值:1101 1111 = 0xDF
7.数据+CRC:0011 0100 1101 1111 = 34DF,相当于原始数据左移8位+余数。
上面通过笔算的方式,讲解了CRC计算的原理,下面来介绍一下如何进行校验。
按照上面CRC计算的结果,最终的数据帧:0011 0100 1101 1111 = 34DF,前8位0011 0100是原始数据,后8位1101 1111 是 CRC结果。
接收端的校验有两种方式,一种是和CRC计算一样,在本地把接收到的数据和CRC分离,然后在本地对数据进行CRC运算,得到的CRC值和接收到的CRC进行比较,如果一致,说明数据接收正确,如果不一致,说明数据有错误。
另一种方法是把整个数据帧进行CRC运算,因为是数据帧相当于把原始数据左移8位,然后加上余数,如果直接对整个数据帧进行CRC运算(除以多项式),那么余数应该为0,如果不为0说明数据出错。
注意计算的时候,异或和翻转都是以字节为单位
检错与纠错
下面介绍检错与纠错,图表见原文
循环冗余校验码原理(CRC码)
假设数据为 10101011,生成多项式为 10011,求 CRC 码?
多项式就是双方约定的除数 10011
余数 1010 就是 CRC 码的校验位,加上信息位组合成最终的 CRC 码: 101010111010
用 101010111010 与 10011 相除,最终的余数一定是 0000
一位出错(不能纠错)
若是在传输过程中,crc码被错传为101010110010
把 101010110010代入模2除,得到余数 0100,对应十进制 4,也就是说 C4 处出错了
一位出错(不能纠错)
上面的例子,校验位是 4 位,可以表示 16 种状态,实际的 CRC 码只有 12 位,所以有纠错能力。
如果校验位是 3 位,可以表示 8 种状态,实际的 CRC 码有 9 位,这种情况下就没办法实现纠错了。
假如说现在求得的余数是 010 转换为十进制是 2,能否说明第 2 位出错了呢?
看下面表,010 对应的出错位是 2 和 9,也就是说当第二位或者第九位出错了,余数是一样的,这就导致了我们根据 010 没判断出错位了。
所以要使 CRC 码有纠错能力,必须满足:2^k >= n + k + 1
n + k 表示错误的状态的数量
1 表示的正确的状态
若是多位错误,则通过上述的方法无法纠错
纠错实现
还有出错位和余数的关系是由生成多项式决定的,上述余数与出错位的关系纯属巧合,不具有普遍性。如下所示。
1100,生成多项式为1011
根据不同的余数的值就能知道哪一位出错了,同时理论上也能进行纠错
但是,在实际的运行中,计算机并没有对每一位都做了纠错电路,这就需要用到CRC的循环性质
假设出错位是第五位,1100010 -> 1100110,此时的余数是100,对100补个0,依然用生成多项式G去做模2运算,得到的余数是011,由表可知,恰好是第四位出错时的余数,说明余数存在循环性
利用这个性质,计算机只在第一位做纠错电路,也就是说在纠错时,计算机不知道100和011,计算机只知道第一位出错的余数是101
还是假设出错位是第五位,此时接收方拿到的是1100110,余数位100
对余数不断的进行模2运算,同时移动校验码。
如此,就完成了第五位的纠错
Verilog实现
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