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10G以太網(wǎng)系統(tǒng)中的并行CRC編解碼器的設(shè)計(jì)
摘要：為了解決10G以太網(wǎng)接入系統(tǒng)中大規(guī)模并行CRC編碼器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了矩陣法、代入法、流水線法等三種設(shè)計(jì)方法。以此為基礎(chǔ)，給出了10G以太網(wǎng)接入系統(tǒng)CHC編碼器的實(shí)現(xiàn)方案。具體計(jì)算表明，在10G以太網(wǎng)接入系統(tǒng)采用直接并行的CRC編碼器是可行的。直接并行設(shè)計(jì)CRC編碼器已經(jīng)通過(guò)了EDA模擬，并成功地應(yīng)用于10G以太網(wǎng)接入系統(tǒng)中。通信系統(tǒng)不可避免地要受到各種干擾的影響，使接收端收到的信息與發(fā)送端發(fā)出的信息不一致，即接收端收到的信息產(chǎn)生了誤碼。為了降低數(shù)據(jù)通信線路傳輸?shù)恼`碼率，通常有改善數(shù)據(jù)通信線路傳輸質(zhì)量和差錯(cuò)檢測(cè)控制兩種方法。差錯(cuò)檢測(cè)控制的方法很多，本文討論在10G以太網(wǎng)接人系統(tǒng)中并行實(shí)現(xiàn)CRC-32編解碼的方法、并行CRC算法的Unfolding算法可以實(shí)現(xiàn)并行CRC的計(jì)算，但是并行電路所用的資源增加到了原來(lái)的J倍。8位并行CRC算法、并行CRC-16的編碼邏輯、USB技術(shù)中并行CRC算法給出的并行算法都建立在公式遞推的基礎(chǔ)上。當(dāng)并行深度較小時(shí)，遞推算法比較適用。而當(dāng)并行深度很大的情況下(10G以太網(wǎng)接人系統(tǒng)使用64比特并行數(shù)據(jù)通路)，遞推過(guò)程就顯得過(guò)于煩瑣而缺乏實(shí)用性。為此，本文提出了矩陣法、代入法和流水線法等三種算法，解決了深度并行情況下CRC算法的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。利用本文提出的算法，可以得出64比特并行CRC計(jì)算的邏輯表達(dá)式，并用于10G以太網(wǎng)接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)M／(x)為信息多項(xiàng)式，G(x)為生成多項(xiàng)式。一般的CRC編碼方法是：先將信息碼多項(xiàng)式左移r位，即M（x）·xr，然后作模2除法
(M(x)· x r)/G(x)=Q(x) R(x)/G(x) (1)
所得到的月(x)就是CRC校驗(yàn)碼。以二進(jìn)制碼0x9595H的CRC-32編碼為例：
· 將信息碼左移32比特變成0x959500000000H，記為m。
·CRC-32G的生成多項(xiàng)G(x)=x32 x26 x23 x22 x16 x12 xll x10 x8 x7 x5 x4 x2 x 1，轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制碼為g=0x104C01DB7H。用m除以g(模2除法)，所得余數(shù)0x3738F30BH就是0x9595H的CRC-32碼。實(shí)現(xiàn)0x9595H的基本CRC-32編碼的Matlab程序如下：
g(33:-1:1)=[1,0 0 0 0 0 1 0 0,1 1 0 0 0 0 0 1,0 0 0 1 1 1 0 1,1 0 1 1 0 1 1 1];
a(48:-1:1)=[1 0 0 1 0 1 0 1,1 0 0 1 0 1 0 1,0 0 0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0 0 0];
for i=48:-1:33,
if a(i)= =1
a(i:-1:i-32)=xor(a(i:-1:i-32),i(33:-1:1));
end
end
crc=a(32:-1:1)
如果想用以上CRC-32程序計(jì)算其他長(zhǎng)為L(zhǎng)的序列的基本CRC-32碼，只需將數(shù)組α的上界和for循環(huán)中i的初始值改為32 L，并用該序列代替數(shù)組。開(kāi)始的序列"1001010110010101"即可。用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的串行CRC編碼器如圖1所示。圖1中每個(gè)矩形表示D觸發(fā)器。gi的取值范圍是1或者0。取1時(shí)表示通路，取0時(shí)表示斷路。進(jìn)行基本CRC-32編碼時(shí)，每個(gè)D觸發(fā)器初始狀態(tài)為0，從數(shù)據(jù)端串行輸入二進(jìn)制的信息碼。信息碼輸入結(jié)束后，D觸發(fā)器中鎖存的數(shù)值就是信息碼的基本CRC-32編碼。此電路適用于信息碼長(zhǎng)為任意值的情況。在某些信息系統(tǒng)中以基本CRC產(chǎn)生算法為基礎(chǔ)附加了新的規(guī)定。例如IEEE802．3協(xié)議規(guī)定，以太網(wǎng)的FES(幀校驗(yàn)序列)域以CRC-32為基礎(chǔ)，并且在編碼時(shí)首先將信息碼的最初4個(gè)字節(jié)取反碼，對(duì)目的地址、源地址、長(zhǎng)度／類(lèi)型域、數(shù)據(jù)域、PAD域求出基本CRC-32碼之后再將結(jié)果取反，最后的結(jié)果才是FCS。同上述過(guò)程等價(jià)的另一種實(shí)現(xiàn)方法是將圖1中所有D觸發(fā)器的初值置1，這樣結(jié)果不必取反。為使電路設(shè)計(jì)者驗(yàn)證其FCS編碼正確，IEEE802．3還給出了一個(gè)樣本，即：將序列0xBED723476B8FB3145EFB3559H重復(fù)126次，最后得到的FCS值應(yīng)該為0x94D254ACH。10G以太網(wǎng)是IEEE802．3ae工作組提出的建議。它保持了以前以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)，但是線速度達(dá)到了10Gbps的量級(jí)。為了降低10G以太網(wǎng)接入系統(tǒng)的功耗并達(dá)到芯片加工工藝的要求，必須采用并行數(shù)據(jù)通路。為計(jì)算FCS需要研究并行CRC算法。所設(shè)計(jì)的10G以太網(wǎng)接入系統(tǒng)采用64比特并行數(shù)據(jù)通路，因此本文主要討論64比特并行CRC-32的實(shí)現(xiàn)方法。本文共介紹三種實(shí)現(xiàn)方法，其中矩陣法和代入法是基于組合邏輯的直接實(shí)現(xiàn)方法，第三種方法是基于流水線的實(shí)現(xiàn)方法。
1 矩陣法
記圖1中的32個(gè)D觸發(fā)器的輸出從右至左依次為d31，d30，…，d0。信息碼元的輸入端為i。令D=[d0d1…d31]T表示編碼器當(dāng)前所處的狀態(tài)，I=[i63i62…i0]表示第1至第64個(gè)時(shí)鐘的信息碼元輸入，向量Dˊ=[d0ˊd1ˊ，…d31ˊ] T表示編碼器的下一個(gè)狀態(tài)，D(64)表示64個(gè)時(shí)鐘之后CRC編碼器所處的狀態(tài)。則設(shè)計(jì)64位并行CRC邏輯編碼器，就是找出函數(shù)關(guān)系D（64）=f（D，I）。
do'=d31 i63
d1'=d0 d31 i63
d2'=d1 d31 i63
d3'=d2
…
d31'=d30
寫(xiě)成行列式，有D'=TD Si63
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