1、基于軟核技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書演示了 Nios II系統(tǒng)中分別使用軟件實(shí)現(xiàn) CRC16 CRC16 CRC16的三種方式，深刻理解 SOPC 的設(shè)計(jì)理念。 Quartus II SOPC Builder和 Nios IIIDE。實(shí)驗(yàn)條件： 在本實(shí)驗(yàn)中，我們將以Cyclone II EP2C35F672C6 學(xué)習(xí)板為平臺(tái)，介紹基于Nios II處理器的實(shí)現(xiàn) CRC16 的三種設(shè)計(jì)方案，涉及到的代碼，只需要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書將代碼拷貝到工程文件夾中即可。（注意：使用其他開發(fā)板的同學(xué)在設(shè)置時(shí)需要做相應(yīng)的改動(dòng)）CRCCRC 的全稱為 Cyclic Redundancy Check ，中文名稱為

2、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。它是一類重要的線性分組碼，CRC在其它很多領(lǐng)域也是大有用武之地的。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）的基本原理是：在 K 位信息碼后再拼接 R 位的校驗(yàn)碼，整個(gè)編碼長(zhǎng)度為 N 位，）碼。對(duì)于一個(gè)給定的（）碼，可以證明存在一個(gè)最高次冪為N-K=R的多項(xiàng)式 G(x)。根據(jù) G(x)可以生成 K 位信息的校驗(yàn)碼，而 G(x)叫做這個(gè) CRC 碼的生成多項(xiàng)式。 C(X) C(x)左移 R C(x)*2 ，R這樣 C(x)的右邊就會(huì)空出R 位，這就是校驗(yàn)碼的位置。通過C(x)*2 除以生成多項(xiàng)式 G(x)得到的余數(shù)就是校驗(yàn)R碼。 1100101 表示為：1x +1x +0 x +0 x +1x +

3、0 x+1，即 x +x +x 。65432652設(shè)編碼前的原始信息多項(xiàng)式為 P(x)P(x)的最高冪次加 1 等于 k G(x)G(x)的最高冪次等于；CRC 多項(xiàng)式為 R(x)；編碼后的帶 CRC 的信息多項(xiàng)式為T(x)。發(fā)送方編碼方法：將 P(x)乘以 x即對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼序列左移 r 位，再除以 G(x)，所得余式即為 R(x)。用r公式表示為： T(x)=x P(x)+R(x)r接收方解碼方法：將 T(x)除以 G(x)，如果余數(shù)為0，則說明傳輸中無錯(cuò)誤發(fā)生，否則說明傳輸有誤。舉例來說：設(shè)信息碼為 ，生成多項(xiàng)式為 ，即 P(x)=x +x ，G(x)=x ，計(jì)算CRC 的過程為323X

4、P(x)x (x +x )x +x6 5xr332 = = = (x +x +x) + 32G(x)x +x+13x +x+13x +x+13即： R(x)=x。注意到G(x)最高冪次 ，得出 CRC 為 010。如果用豎式除法，計(jì)算過程為1110-1011 /11000001011-(1100左移 3 位)11101011-10101011-00100000-010因此，T(x)=(x +x )+(x)=x +x +x, 即 1100000+010=1100010 。 如果傳輸無誤，6565T(x)x +x +x6 5= = x +x +x ,32G(x)x +x+13無余式。再看一下前述的

5、豎式除法，如果被除數(shù)是1100010，顯然在商第三個(gè)1時(shí)，就能除盡。下面是一個(gè)典型的PPP幀。最后兩個(gè)字節(jié)稱為FCS(Frame Check Sequence)，是前面11個(gè)字節(jié)的CRC。FF 03 C0 21 04 03 00 07 0D 03 06 D0 3A我們來計(jì)算這個(gè)PPP幀的CRC，并驗(yàn)證它。byte ppp13 = 0 xFF, 0 x03, 0 xC0, 0 x21, 0 x04, 0 x03, 0 x00, 0 x07, 0 x0D, 0 x03, 0 x06, 0 x00, 0 x00;int i,j;u16 result;/ 以下計(jì)算FCS/ 初始化crcInitRegi

6、sters();/ 逐位輸入，每個(gè)字節(jié)低位在先，不包括兩個(gè)FCS字節(jié)for(i = 0; i 11; i+)for(j = 0; j j) & 1);/ 得到CRC：將寄存器組的值求反result = crcGetRegisters();/ 填寫FCS，先低后高ppp11 = result & 0 xff;ppp12 = (result 8) & 0 xff;/ 以下驗(yàn)證FCS/ 初始化crcInitRegisters();/ 逐位輸入，每個(gè)字節(jié)低位在先，包括兩個(gè)FCS字節(jié)for(i = 0; i 13; i+)for(j = 0; j j) & 1);/ 得到驗(yàn)證結(jié)果result = crc

7、GetRegisters();可以看到，計(jì)算出的CRC等于0 x3AD0，與原來的FCS相同。驗(yàn)證結(jié)果等于的值求反得到CRC，都是CRC-ITUCRC取反還是不取反，得到的驗(yàn)證結(jié)果都是0。在本實(shí)驗(yàn)中我們使用的CRC-ITU的生成多項(xiàng)式為G(x)=x +x +x +1，簡(jiǎn)記式為1021。生成多項(xiàng)式的最高16125冪次項(xiàng)系數(shù)是固定的1，故在簡(jiǎn)記式中，將最高的1統(tǒng)一去掉了。CRC-ITU的計(jì)算算法如下：寄存器組初始化為全1(0 xFFFF)。b.寄存器組向右移動(dòng)一個(gè)字節(jié)。c.剛移出的那個(gè)字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，得出一個(gè)指向查找表值（注：本實(shí)驗(yàn)是利用函數(shù)來產(chǎn)生查找表）的索引。d.索引所指的表值與寄

8、存器組做異或運(yùn)算。數(shù)據(jù)指針加1，如果數(shù)據(jù)沒有全部處理完，則重復(fù)步驟b。寄存器組取反，得到CRC，附加在數(shù)據(jù)之后。CRC-ITU的驗(yàn)證算法如下：寄存器組初始化為全1(0 xFFFF)。b.寄存器組向右移動(dòng)一個(gè)字節(jié)。剛移出的那個(gè)字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，得出一個(gè)指向查找表值的索引。d.索引所指的表值與寄存器組做異或運(yùn)算。數(shù)據(jù)指針加 1，如果數(shù)據(jù)沒有全部處理完，則重復(fù)步驟 b 數(shù)據(jù)包括 CRC 的兩個(gè)字節(jié)。寄存器組的值是否等于 0 xF0B8（CRC-ITU 在 Altera的 Nios II Nios II軟件算法的處理能力。用戶自定義指令可以通過單周期或多周期操作來完成復(fù)雜的處理任務(wù)。采用用戶

9、自定義指令是一個(gè)把復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)指令序列簡(jiǎn)化為一條用硬件實(shí)現(xiàn)的單個(gè)指令的方法，最多可以定制 256 個(gè)用戶指令。定制指令處理器還是處理復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算和加速邏輯的最佳途徑。完整的用戶自定義指令包括：用戶自定義邏輯完成用戶操作的硬件部分；軟件宏提供軟件接口使用戶能夠訪問用戶自定義邏輯。本實(shí)驗(yàn)將一個(gè) CRC-ITU 4 NiosII CPU 的指令中，可以比用軟件實(shí)現(xiàn)快幾倍。4 個(gè)子邏輯快分別實(shí)現(xiàn)字位轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)相乘、數(shù)據(jù)寄存和移位異或的功能。向Nios II ALU中增加用戶自定義指令由于用戶自定義指令需要直接連到ALU上，所以Nios II提供一套預(yù)先定義好名稱和功能的接口如下圖：Nios II配置向

10、導(dǎo)會(huì)掃描用戶自定義指令，搜索需要的端口，把這些端口連到ALU上。因此用戶自定義指口上。例如，在本實(shí)驗(yàn)中自定義指令邏輯快的頂層文件CRC的原理圖如下，可以看到所定義的端口符合上面提到的原則（本實(shí)驗(yàn)未使用 prefix 這樣只用一個(gè)函數(shù)就可實(shí)現(xiàn) CRC。unsigned short crcCompute(unsigned short *data_block, unsigned int nWords)unsigned short* pointer;unsigned short word;word = ALT_CI_CRC(0 xFFFF, 1); / initialise crc reg to 0

11、xFFFFfor (pointer = data_block; pointer SOPC ，進(jìn)入SOPC Builder：（3）切換到 Custom Instructions 選項(xiàng)卡： （4 ，crc_mux.v，endian_convert.v，reg16.v，5將 crc.v設(shè)為頂層文件（即將Top Level Module設(shè)為 crc，將表格中的Top列選擇 Signals選項(xiàng)卡，可以看到我們定義的 CRC 模塊已經(jīng)被正確識(shí)別，不用修改：?jiǎn)螕?Finish，完成對(duì) CRC 指令的編輯: 選中 crc指令，單擊 Add，這樣我們就將 crc指令添加到了 cpu中： （5）單擊 New Co

12、mponent將 ：因?yàn)樘幚砥鲗?duì)該模塊讀寫不需要 和0，等待： ： （7）添加 DMA：雙擊 Memories and Memory Controllers-DMA ：將 19 ：（8）將 dma 的 read_master 接口連接于 sdram 的 s1 接口，write_master 接口連接于 crc_peri 的 avalon_slave_0接口，這樣設(shè)置表示 DMA是從 sdram讀取數(shù)據(jù)，并寫入 crc_peri：（9）選擇 System Auto-Assign Base ，為各模塊自動(dòng)分配地址；再選擇 Auto-Assign ，自動(dòng)分配中斷順序。（10）單擊 Generate，

13、生成系統(tǒng)。成功后保存退出。（）回到 Quartus界面，更新 nios2 后，單擊 (1). 首先打開 Nios II 9.0 IDE，將工作路徑切換到各自實(shí)驗(yàn)工程的 software文件夾，若不存在，新建此文件夾。(2). 新建系統(tǒng)庫工程：選擇File-New-Nios II System Library(3). 創(chuàng)建應(yīng)用程序工程：選擇 File-New-Nios II C/C+ Application， 點(diǎn)擊Next，指定系統(tǒng)庫 (4). 將 crc.c復(fù)制到 softwareCRC 目錄下,并添加到工程中。(5). 創(chuàng)建應(yīng)用程序工程：選擇 File-New-Nios II C/C+ Ap

14、plication，定 點(diǎn)擊Next，指定系統(tǒng)庫SysLib(6). 將 crcci.c復(fù)制到 softwareCRCCI 目錄下,并添加到工程中。(7). 創(chuàng)建應(yīng)用程序工程：選擇File-New-Nios II C/C+ 定 點(diǎn)擊Next，指定系統(tǒng)庫SysLib(8). 將 crccp.c復(fù)制到 softwareCRCCP 目錄下,并添加到工程中。如下圖：(9).右擊 SysLib工程，選擇 Properties，在左側(cè)選擇 System Library，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘為 timer_10ms 定時(shí)器，將時(shí)間戳定時(shí)器設(shè)為 timer_1ms，用于高精度計(jì)時(shí)。其他按下圖設(shè)置：在 將 至此，軟件工程的創(chuàng)建與設(shè)置全部完成，下面開始編譯和運(yùn)行。(10).分別