用Verilog實(shí)現(xiàn)CRC-8的串行計(jì)算

（2021樂鑫科技數(shù)字IC提前批代碼編程）

用Verilog實(shí)現(xiàn)CRC-8的串行計(jì)算，G(D)=D8+D2+D+1，計(jì)算流程如下圖所示：

一、分析

CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check），檢錯(cuò)碼。

（1）該題目所述為CRC-8，即輸出8位CRC校驗(yàn)值，給定一段長為N-bit的有效輸入序列，輸出(N+8)-bit的數(shù)據(jù)，其中前N-bit數(shù)據(jù)為輸入的原始數(shù)據(jù)，添加的8-bit數(shù)據(jù)為CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（2）該CRC-8的生成多項(xiàng)式為G(D)=D8+D2+D+1，對CRC進(jìn)行簡化表示時(shí)可以忽略最高位的D8，結(jié)合圖示中三個(gè)異或運(yùn)算的位置更容易理解生成多項(xiàng)式，8位CRC有8個(gè)寄存器C0~C7，根據(jù)多項(xiàng)式，C0、C1和C2的輸入是由異或運(yùn)算而來；

二、Verilog編程

1. 并行計(jì)算，串行輸出

對于輸入位寬為1的輸入，這種方法的計(jì)算非常簡單，直接根據(jù)生成多項(xiàng)式運(yùn)算。

（注意！如果輸入位寬不為1，則需要根據(jù)多項(xiàng)式進(jìn)行化簡，可以使用http://outputlogic.com/?page_id=321生成運(yùn)算邏輯和代碼）

1.1 自己一步一步寫

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（1）先定義8個(gè)寄存器reg [7:0]

reg [7:0] crc_reg_q;// 寄存器 Q 輸出端reg [7:0] crc_reg_d;// 寄存器 D 輸入端

（對crc_reg_d，使用always賦值就定義成reg，使用assign就定義成wire）

（2）異或計(jì)算

寄存器0的輸入crc_reg_d[0]，來自寄存器7的輸出crc_reg_q[7]和數(shù)據(jù)輸入data_in異或運(yùn)算，即：

crc_reg_d [0] = crc_reg_q[7] ^ data_in;

同理可得：

always @ (*)begin crc_reg_d[0] = crc_reg_q[7] ^ data_in;crc_reg_d[1] = crc_reg_q[7] ^ data_in ^ crc_reg_q[0];crc_reg_d[2] = crc_reg_q[7] ^ data_in ^ crc_reg_q[1];crc_reg_d[3] = crc_reg_q[2];crc_reg_d[4] = crc_reg_q[3];crc_reg_d[5] = crc_reg_q[4];crc_reg_d[6] = crc_reg_q[5];crc_reg_d[7] = crc_reg_q[6];end

上述使用組合邏輯實(shí)現(xiàn)異或運(yùn)算和數(shù)據(jù)的傳遞，另外，對于每個(gè)寄存器的輸入到輸出（D端到Q端），使用時(shí)序邏輯，并且按照題目要求，設(shè)置初始值為全1，將數(shù)據(jù)有效標(biāo)志作為控制邏輯：

always @ (posedge clk)beginif(rst) crc_reg_q <= 8’hff; elsebegin if(data_valid ) crc_reg_q<= crc_reg_d;// 輸入數(shù)據(jù)有效就更新值else crc_reg_q<= crc_reg_q;// 輸入數(shù)據(jù)無效就等待 endend

（3）串行輸出

上述已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了并行的 CRC，計(jì)算出的 CRC 結(jié)果就是直接的 8 位 CRC，按照題目要求，需要串行輸出 CRC 結(jié)果。

思路：寫一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)需要輸出 CRC 時(shí)，串行計(jì)數(shù)輸出，實(shí)現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換。這里，由于題目給了一個(gè)信號(hào) crc_start，我把這個(gè)信號(hào)作為 CRC 的標(biāo)志，當(dāng) data_valid 有效時(shí)表示輸入的是數(shù)據(jù)，當(dāng) data_valid 無效且crc_start 有效表示數(shù)據(jù)輸入完畢，該輸出 CRC 了。

reg [2:0] count;always @ (posedge clk)begin if(rst)begin crc_out <= 0; count<= 0; end elsebegin if(data_valid) begin crc_out <= data_in; crc_valid <= 1'b0; end elseif(crc_start)begin count <= count + 1'b1; crc_out <= crc_reg_q [7-count]; crc_valid <= 1'b1; end elsebegin crc_valid <= 1'b0; end endend

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1.2 CRC Generator自動(dòng)生成

在Step1中，根據(jù)要求，1處表示輸入數(shù)據(jù)位寬為1，2處CRC輸出8位，3處選擇自定義CRC的多項(xiàng)式，4處點(diǎn)擊運(yùn)用設(shè)定，然后進(jìn)入Step2。

根據(jù)生成多項(xiàng)式，勾選1、X1、X2即可（對應(yīng)1+D1+D2，最高位的D8不用管）。

//-----------------------------------------------------------------------------// Copyright (C) 2009 OutputLogic.com // This source file may be used and distributedwithout restriction // provided that this copyright statement is notremoved from the file // and that any derivative work contains theoriginal copyright notice // and the associated disclaimer. // // THIS SOURCE FILE IS PROVIDED "ASIS" AND WITHOUT ANY EXPRESS // OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, WITHOUTLIMITATION, THE IMPLIED // WARRANTIES OF MERCHANTIBILITY AND FITNESS FORA PARTICULAR PURPOSE. //-----------------------------------------------------------------------------// CRC module for data[0:0] , crc[7:0]=1+x^1+x^2+x^8;//-----------------------------------------------------------------------------module crc( input [0:0] data_in, input crc_en, output [7:0] crc_out, input rst, input clk); reg [7:0] lfsr_q,lfsr_c; assign crc_out = lfsr_q; always @(*) begin lfsr_c[0] = lfsr_q[7] ^ data_in[0]; lfsr_c[1] = lfsr_q[0] ^ lfsr_q[7]^ data_in[0]; lfsr_c[2] = lfsr_q[1] ^ lfsr_q[7]^ data_in[0]; lfsr_c[3] = lfsr_q[2]; lfsr_c[4] = lfsr_q[3]; lfsr_c[5] = lfsr_q[4]; lfsr_c[6] = lfsr_q[5]; lfsr_c[7] = lfsr_q[6]; end // always always @(posedge clk, posedge rst) begin if(rst) begin lfsr_q <= {8{1'b1}}; end else begin lfsr_q <= crc_en ? lfsr_c: lfsr_q; end end // alwaysendmodule // crc

將上述代碼按照題目要求改變輸入輸出的名稱，并進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換（并->串）即可。

1.3 easics自動(dòng)生成

https://www.easics.com/crctool

（1）1處選擇CRC的生成多項(xiàng)式，這里與1.2的不同在于，要把最高位的D8選上，easics能識(shí)別的CRC協(xié)議更多；

（2）2處自動(dòng)識(shí)別出這個(gè)CRC多項(xiàng)式其實(shí)是CRC8 ATM HEC協(xié)議使用的 CRC；

（3）3處設(shè)置輸入數(shù)據(jù)位寬為1；

（4）選擇生成Verilog代碼；

（5）下載代碼。

仔細(xì)閱讀代碼注釋，注意！

convention: the first serial bit is D[0]

數(shù)據(jù)的最低位先輸出，此代碼將會(huì)把低位作為異或移出位，而上面已經(jīng)提到的兩種方法均是將最高位作為移出位去異或，所以，代碼中需要稍作修改，將d[0]改成d[7]，d[1]改成d[6]，…，以此類推，c[0]- c[7]不要變。

有興趣的可以去看看【大小端問題】，在不同處理器、不同協(xié)議中非常常見。

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Copyright (C) 1999-2008 Easics NV.// This source file may be used and distributedwithout restriction// provided that this copyright statement is notremoved from the file// and that any derivative work contains theoriginal copyright notice// and the associated disclaimer.//// THIS SOURCE FILE IS PROVIDED "AS IS"AND WITHOUT ANY EXPRESS// OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, WITHOUTLIMITATION, THE IMPLIED// WARRANTIES OF MERCHANTIBILITY AND FITNESS FOR APARTICULAR PURPOSE.//// Purpose : synthesizable CRC function// *polynomial: x^8 + x^2 + x^1 + 1// * datawidth: 1//// Info : tools@easics.be// http://www.easics.com///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////module CRC8_D1; //polynomial: x^8 + x^2 + x^1 + 1 // datawidth: 1 //convention: the first serial bit is D[0] function[7:0] nextCRC8_D1; inputData; input[7:0] crc; reg [0:0]d; reg [7:0]c; reg [7:0]newcrc; begin d[0] =Data; c = crc; newcrc[0]= d[0] ^ c[7]; newcrc[1]= d[0] ^ c[0] ^ c[7]; newcrc[2]= d[0] ^ c[1] ^ c[7]; newcrc[3]= c[2]; newcrc[4]= c[3]; newcrc[5]= c[4]; newcrc[6]= c[5]; newcrc[7]= c[6]; nextCRC8_D1 = newcrc; end endfunctionendmodule

2. 串行計(jì)算，串行輸出（函數(shù)function用法）

CRC計(jì)算的重要思想是不斷的消除最高位。

（1）新建函數(shù)function

Verilog函數(shù)名為next_crc，輸入信號(hào)為 data_in 和 current_crc，輸出信號(hào)為8位的新 crc。

函數(shù)功能為：根據(jù)輸入信號(hào)data_in，跳轉(zhuǎn)CRC的狀態(tài)；

函數(shù)的設(shè)計(jì)邏輯為：

（a）將CRC寄存器的數(shù)據(jù)左移1位，低位補(bǔ)零，得到

{current_crc[6:0],1'b0} （其中{ }為位拼接符）;

（b）新輸入的數(shù)據(jù)data_in和移出的CRC最高位做異或得到

current_crc[7]^data_in;

（c）使用位拼接符對異或結(jié)果進(jìn)行位擴(kuò)展，CRC-8進(jìn)行8位的擴(kuò)展，得到

{8{current_crc[7]^data_in}};

（d）擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)和生成多項(xiàng)式進(jìn)行與運(yùn)算，得到

{8{current_crc[7]^data_in}}&(8'h07);

（e）將(a)的數(shù)據(jù)和(d)的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算，得到CRC結(jié)果；

next_crc = {current_crc[6:0],1'b0} ^({8{current_crc[7]^data_in}} & (8'h07));

上述，（a）是對CRC低位的處理，（b）-（d）是對CRC最高位的處理。

8’h07從何而來？

因?yàn)樯啥囗?xiàng)式G(D) = D8+D2+D1+D0，前面提到了最高位的D8不用管，那么使用8位去表示為0000_0111，即低3位為1，其余為0，即8’h07。

function [7:0] next_crc; inputdata_in; input[7:0] current_crc; begin next_crc = {current_crc[6:0],1'b0} ^ ({8{current_crc[7]^data_in}} &(8'h07)); end endfunction

（2）調(diào)用function函數(shù)

初始化時(shí)給寄存器賦值全為1，當(dāng)數(shù)據(jù)有效時(shí)，進(jìn)行CRC計(jì)算。

reg [7:0] crc_reg;always @ (posedge clk)begin if(rst)begin crc_reg <= 8'hff; end elsebegin if(data_valid) begin crc_reg <= next_crc(data_in, crc_reg); end endend

（3）串行輸出（串并轉(zhuǎn)換）

按照上面的老方法，串并轉(zhuǎn)換（并->串）。

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輸入32個(gè)1，先輸出輸入的32個(gè)1，緊跟著輸出32個(gè)1的CRC校驗(yàn)值8’b00001111。

三、原理圖設(shè)計(jì)

使用Quartus原理圖設(shè)計(jì)，調(diào)用DFF觸發(fā)器和XOR異或門搭建題目所示的CRC邏輯。

這里沒有做data_valid的控制，輸入數(shù)據(jù)是連續(xù)的32個(gè)1，輸入完成后的CRC值是8’h0f，串行輸出8位二進(jìn)制數(shù)據(jù) 8’b00001111。

四、擴(kuò)展

1. 并行計(jì)算并行輸出

（1）對于單bit輸入的序列，只要將并行計(jì)算串行輸出的串并轉(zhuǎn)換去掉，直接輸出8-bit的CRC校驗(yàn)值即可；

（2）對于多bit同時(shí)輸入的序列，通過介紹的兩個(gè)在線平臺(tái)去生成運(yùn)算邏輯（筆試肯定不會(huì)喪心病狂到考多bit并行）；

2. 查表法

實(shí)際工程中，為了減少運(yùn)算量，還經(jīng)常使用一種查表法，將CRC的校驗(yàn)表直接存儲(chǔ)在ROM中，進(jìn)行索引查找，常見的CRC表可以自行去查找，這里只是拋磚引玉。

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