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基于fpga CRC校验算法实现 CRC16 CRC32可任意支持模式 CRC8等

在数字通信和数据存储领域，CRC（循环冗余校验）是一种常用的错误检测方法。它通过对数据进行特定的运算生成校验码，接收端再用同样的算法对数据和校验码进行验证，以此判断数据在传输或存储过程中是否发生错误。今天咱们就来聊聊基于FPGA实现CRC校验算法，而且要支持CRC16、CRC32以及CRC8等多种模式。

CRC算法原理简介

CRC算法本质上是一种模2运算下的除法操作。发送端将待传输的数据视为一个二进制多项式，再选取一个特定的生成多项式（比如CRC16常用的生成多项式为$x^{16} + x^{15} + x^{2} + 1$ ，CRC32常用的生成多项式为$x^{32} + x^{26} + x^{23} + x^{22} + x^{16} + x^{12} + x^{11} + x^{10} + x^{8} + x^{7} + x^{5} + x^{4} + x^{2} + x + 1$）。用数据多项式除以生成多项式，得到的余数就是CRC校验码。接收端用接收到的数据（包含校验码）再次除以相同的生成多项式，如果余数为0，则认为数据传输正确。

FPGA实现思路

在FPGA中实现CRC校验算法，我们可以采用移位寄存器的方式。以CRC8为例，其生成多项式为$x^{8} + x^{5} + x^{4} + 1$，对应的二进制表示为100110001。我们可以用8位的移位寄存器来存储当前的CRC值。

CRC8代码示例（Verilog）

module crc8 ( input wire clk, input wire rst, input wire [7:0] data_in, input wire data_valid, output reg [7:0] crc_out ); reg [7:0] crc_reg; always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin crc_reg <= 8'h00; end else if (data_valid) begin crc_reg = crc_reg ^ data_in; for (int i = 0; i < 8; i = i + 1) begin if (crc_reg[7]) begin crc_reg = {crc_reg[6:0], 1'b0} ^ 8'b100110001; end else begin crc_reg = {crc_reg[6:0], 1'b0}; end end end end always @(*) begin crc_out = crc_reg; end endmodule

CRC8代码分析

1. 模块定义：module crc8定义了一个名为crc8的模块，它有clk（时钟信号）、rst（复位信号）、datain（8位输入数据）、datavalid（数据有效信号）以及crc_out（8位CRC校验结果输出）这些端口。
2. 寄存器定义：reg [7:0] crcreg定义了一个8位的寄存器crcreg来存储当前的CRC值。
3. always块：第一个always块在时钟上升沿或者复位信号有效时触发。复位时，crcreg清零。当datavalid有效时，先将输入数据与当前crcreg的值进行异或操作，然后通过8次循环，根据crcreg最高位是否为1，决定是否与生成多项式对应的二进制数进行异或操作，并移位。
4. 输出赋值：第二个always块将crcreg的值赋给crcout。

CRC16和CRC32的实现

CRC16和CRC32的实现思路与CRC8类似，只是移位寄存器的宽度和生成多项式不同。

CRC16代码示例（Verilog）

module crc16 ( input wire clk, input wire rst, input wire [7:0] data_in, input wire data_valid, output reg [15:0] crc_out ); reg [15:0] crc_reg; always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin crc_reg <= 16'h0000; end else if (data_valid) begin crc_reg = crc_reg ^ {8'h00, data_in}; for (int i = 0; i < 8; i = i + 1) begin if (crc_reg[15]) begin crc_reg = {crc_reg[14:0], 1'b0} ^ 16'b11000000000000101; end else begin crc_reg = {crc_reg[14:0], 1'b0}; end end end end always @(*) begin crc_out = crc_reg; end endmodule

CRC16代码分析

1. 模块定义：module crc16定义了CRC16模块，端口与CRC8类似，只是crc_out变为16位。
2. 寄存器定义：reg [15:0] crc_reg用于存储16位的CRC值。
3. always块：复位时crcreg清零。当有有效数据输入时，先将输入的8位数据扩展为16位与crcreg异或，然后通过8次循环，根据crc_reg最高位决定是否与CRC16生成多项式对应的二进制数异或并移位。

对于CRC32，只需要将移位寄存器宽度改为32位，并使用对应的生成多项式即可，实现方式同理。

基于fpga CRC校验算法实现 CRC16 CRC32可任意支持模式 CRC8等

通过在FPGA上实现不同模式的CRC校验算法，我们能够有效地在硬件层面实现数据的错误检测，提高数据传输和存储的可靠性。无论是通信领域还是存储设备，这种实现方式都有着广泛的应用前景。