海明碼生成與校驗電路設計實現(xiàn)分析

1、沈陽航空航天大學課程設計報告課程設計名稱：計算機組成原理課程設計課程設計題目：海明碼生成與校驗電路設計與實現(xiàn)院（系）：專 業(yè)：班 級：學 號：姓 名：指導教師：完成日期：2016年1月14日第1章總體設計方案1.1設計原理1.2設計思路1.3 設計環(huán)境第2章詳細設計方案-1 -1 -錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。32.1頂層方案圖的設計與實現(xiàn) 32.2功能模塊的設計與實現(xiàn) 42.2.1海明碼SHENGCHE模塊的設計與實現(xiàn)42.2.2海明碼ERRO模塊的設計與實現(xiàn)62.2.3 海 明 碼 JIAOYAN 模 塊現(xiàn) 83.1 編程下載3.2硬件測試及結果分析的設計與實錯誤！未定義書簽。錯誤

2、！未定義書簽。參考文獻1516附 錄（程序清單或電路原理圖）第1章總體設計方案1.1 設計原理海明校驗碼是由理查得海明（Richard Han mmi ng）于1950年提出的，它 不僅具有檢測錯誤的能力，同時還具有給出錯誤所在的準確位置的能力， 這在通 信領域有著很廣泛的應用。海明碼是奇偶校驗的一種擴充。它采用多位校驗碼的方式，在這些校驗位中 的每一位都對不同的信息數(shù)據(jù)位進行奇偶校驗， 通過合理地安排每個校驗位對原 始數(shù)據(jù)進行校驗位組合，可以達到發(fā)現(xiàn)錯誤，糾正錯誤的目的。（1）數(shù)據(jù)位和校驗位的關系假設數(shù)據(jù)位有m位，如何設定校驗位k的長度才能滿足糾正一位錯誤的要求 呢？我們這里做一個簡單的推導

3、。k位的校驗碼可以有2Ak個值。如果能夠滿足： 2Ak ->=m + k （m+ k為編碼后的總長度），在理論上k個校驗碼就可以判斷是哪 一位（包括信息碼和校驗碼）出現(xiàn)問題。（2）海明碼的編碼規(guī)律若海明碼的最高位號為 m最低位號為1, 即卩Hf-1HH,則海明碼的編碼 規(guī)律通常是：a.校驗位與數(shù)據(jù)位之和為m每個校驗位P在海明碼中被分在2i-1的位置，其 余各位為數(shù)據(jù)位，并按從低向高逐位依次排列的關系分配各數(shù)據(jù)位。b.海明碼的每一位H （包含數(shù)據(jù)位和校驗位本身）由多個校驗位校驗，其關系是被校驗的每一位位號要等于校驗它的各校驗位的位號之和。這樣安排的目的，是希望校驗的結果能正確反映出出錯位的

4、位號。1.2設計思路每個字節(jié)由8個二進制位組成，此處的k為8,按照數(shù)據(jù)位和校驗位的對應 關系，r應為5,由于總校驗位只是檢測兩位出錯還是一位出錯，因此設計時不 必考慮它的值，設r為4,故海明碼的總位數(shù)為12,可表示為：H12H11H3H2H1 4個校驗位P4P1對應的海明碼位號分別為：H8, H4, H2, H1。其余為數(shù)據(jù)位 Di，貝U有如下排列關系：D8D7D6D5P4D4D3D2P3D1P2P1H1H2H3H4H5H6H7H8H9H10H11H12P1P2D8P4D7D6D5P8D4D3D2D1由上表可得出:P1=D2 ® D4® D5® D7®

5、D8P2=D2 ® D3® D5® D6® D8P3=D1 ® D5® D6® D7P4=D1 ® D2® D3® D4海明碼的校驗：S1=P1 ® D2® D4® D5® D7® D8S2=P2 ® D2® D3® D5® D6® D8S3=P3 ® D1® D5® D6® D7S4=P4 ® D1® D2® D3®

6、 D41.3設計環(huán)境硬件環(huán)境：偉福COP200（型計算機組成原理實驗儀、XCV200實驗板、微機； EDA環(huán)境：Xilinx foundation f3.1設計軟件、COP200仿真軟件。U6圖2.1生成模塊第2章詳細設計方案2.1 設計與實現(xiàn)實現(xiàn)海明碼的生成與校驗邏輯功能，采用原理圖設計輸入方式完成，電路實現(xiàn)基于XCV20C可編程邏輯芯片。完成原理圖的設計后，把輸入 /輸出信號安排到 XCV2O0旨定的引腳上去，實現(xiàn)芯片的引腳鎖定。原理圖主要由生成，錯誤模塊和校驗三個模塊組裝而成的一個完整的設計實體，分別為：生成模塊、校驗模塊、錯誤模塊OPADOPADDPADPADPADDPADOPADPA

7、DOPADOPADOPAD114IPADIPADIPAD 、 / IPADIPADIPADZIPADIPADLTKIL2K2L3K301K402肝03KG04K7K806D7場U5cuowu圖22錯誤模塊N1D1N2D2N3D3N4D4NED5N6D6N7D?N8D0N3N10NilN12OP ADOP ADCP ADOPADOPADOPACOPAOOPADJIAOYAN圖2.3校驗模塊2.2 功能模塊的設計與實現(xiàn)2.2.1生成模塊的設計與實現(xiàn)(1 )元件結構海明碼生成模塊，原理是通過輸入的數(shù)據(jù) 1118按照公式:P1=D2 ® D4® D5® D7®

8、D8P2=D2 ® D3® D5® D6® D8P3=D1 ® D5® D6® D7P4=D1 ® D2® D3® D4生成了 4位校驗碼P1/P2 /P3/P4，從而得出了 12位海明碼。圖2.4 生成模塊內部電路(2)功能仿真對生成模塊進行功能仿真，驗證其功能的正確性。紛 Logic Simulator - Xilinx Foundation F2.1i hnrinn2亠Waveform Viewer 0File Signal Waveform Device Options Toolsev*

9、1 Mndo*v Help“口盤|虬|罰型|FuncS創(chuàng)制応|川二©| Breal<T m | |-±f3CcNL= =:：3 |苗|11111Low 11 Hi0h 11 Unkn I Hiah Z 二II歲佳II豎11111111IB. 012 s . Oil. 010. a 09. 08 -. 07. 06 05. 04. 03 -. 02. DCBut 曲*Raid Qrl to drag transihonsCancel I More Fmsi | Help圖2.5 SHENGCHENG模塊仿真結果分析：輸入11-18 為10100000,輸出O1-O12為

10、10110100000Q結果是 正確的海明碼。2.2.2錯誤模塊的設計與實現(xiàn)（1 ）元件結構本模塊的原理是通過3線8線譯碼器的3進1出，輸出一個1,與8位輸入 數(shù)據(jù)中的一位異或，使之發(fā)生錯誤，從而得出一組錯誤的數(shù)據(jù)。圖2.6 錯誤產(chǎn)生模塊內部電路(2)功能仿真對創(chuàng)建的ERRORS件進行功能仿真，驗證其功能的正確性。1li1 IIILIF=Cs11.2 -1L3Cs1III. . .12 n （113-114J-1IS 1I£-117二二1IBI'-1KB1K71應1K51K4IK3. . 1K21SC li J 1 1 1 1 1 1 1 1Functional卜 Test

11、vector state selectionH igh_ZBus StateHold Cbi key bo drag bansWww；Cancel I More Fast Help蟄 Logit Simulator - Xilinx Foundation FSlI hmm3 - Waveform Viewer 0 曰 Hie Signal waveform Device Options Tools view Window HelpT| M I 同則朋-F. ®| 曲 S I M IJ|=<= errs圖2.7 ERROR模塊仿真結果分析:輸入 L1-L3為000,輸入11-18

12、 為10100000,輸出K1為0,產(chǎn)生一位錯誤2.2.3校驗模塊的設計與實現(xiàn)（1）元件的內部結構原理是通過公式：S1=P1® D2® D4® D5® D7® D8S2=P2® D2® D3® D5® D6® D8S3=P3® D1 ® D5® D6® D7S4=P4 ® D1 ® D2® D3® D4連成的電路對數(shù)據(jù)進行校驗，判斷數(shù)據(jù)是那一位出錯，并對出錯的那一位與錯誤數(shù)據(jù)異或，從而得出正確的數(shù)據(jù)圖2.8 校驗模塊

13、內部電路(2)功能仿真對校驗模塊進行功能仿真，驗證其功能的正確性。禺P logic Simulator - Xilinx Foundation F3.1i hmm3File Signal W 自 reform Device Options Tools View Window Help色圍色電I胡勾11 Functional T ll聶|護叫1500n£|戟I | B啟已k.鶴| 忒|I liSTLLHhL I2ug1_ 1 1- 1 1 1- 1- 1 1- 1_ 1_ 1 1_ 1_ 1_ 1- 1 1 -1- 1-121423405678123456 7 0 OOKOKKIKol

14、kKIKKDDDDDDDDICSlcswilcslcsMlcsLowTH igih =rgM iioih Z.DalBusBus State上刈0Hold Ctrl keCancel |y to drag haiMoreisitions.FastHelpT&st Hector state selection-圖2.9校驗模塊仿真2.3 仿真調試仿真調試是為了驗證設計電路邏輯功能的正確性，輸入 8位二進制數(shù)據(jù)位生 成12位海明碼，中間經(jīng)三八譯碼器來改變一位數(shù)據(jù)位，經(jīng)校驗電路修改，最后輸出 正確的8位二進制數(shù)據(jù)位。仿真調試時米用兩組數(shù)據(jù)I1 I8第一組數(shù)據(jù)10100000第二組數(shù)據(jù)1001

15、0001(1)創(chuàng)建仿真信號在進行仿真時，輸入數(shù)據(jù)位用了上面的兩組數(shù)據(jù)。第一組數(shù)據(jù)，1118為10100000,生成的海明碼 01012為10110100000 第二組數(shù)據(jù)，1118為10010001，生成的海明碼 01012為001000110001 這兩組數(shù)據(jù)又經(jīng)三八譯碼器改變其中一位錯的數(shù)據(jù)輸入到校驗電路里，經(jīng)校 驗后輸出原本的數(shù)據(jù)位，最終實現(xiàn)了海明碼生成和校驗功能。(2)仿真結果功能仿真波形結果如圖2.10、圖2.11所示，仿真數(shù)據(jù)結果如表2.3所示。 對表中內容進行計算，可以看出功能仿真結果是正確的，進而說明此次電路設計 成功。輸入數(shù)據(jù)8位數(shù)據(jù)3線8線譯碼器輸輸出海明碼輸出校驗后的數(shù)據(jù)

16、(1118)入(L1L3)(01012)(D1D8)10100000000101101000000101000001001000100100100011000110010001備 Logic Simulator - Xilinx Foundation F3.1i hmiriB - Waveform Viewer (S曰 PileLllajJjjuI|C=11 h1111111111111 .3 11 .12 .13. . 14 . IE . 16 .17. . 1801 .020304 .05oe. 07. 08 09 010. Oil . 012 . DI . D2 . D

17、3 . D4 . D5 . D6D7 . DB .DvioptionF前丨忒ICsr-'Cs二 s：Window HeBus StmtE o-Functional三I員丨j網(wǎng)恥F| 巒 | BreakITest Vettor State Selection.LowBusHold Ctrl key to drag trflnsitioris.CancelMore圖2.10第一組數(shù)據(jù)功能仿真波形結果1野 Logic Simulator - Xilinx Foundation F3.ll hmm3 - Waveform Viewer Options Tools View Window He

18、3 JmJ 也 | 別阮二| 涉| | BreakI ；in±|a fi圈日直I也|胡幻I丨“ liCJ | 七23= |Ml* *l|nazero rm DeviceFunctional1111111111111111. .12.r,.L3.11. .12.13.工4 一IE.IG.,.n01.02.03.04 . r ,.OE 一06.07.be.儀一pio.Oil .012.DI.D2 .D3. 肚. D5.DD7 .De.Z .-'.I'Ll . L 二, 匚JC.z , L l ,MoreBus State0Test Vector State Selecti

19、on.,DdBusHold Ctrl key to drag transitions.I CancelFastHellp圖2.11第二組數(shù)據(jù)功能仿真波形結果11第3章 編程下載與硬件測試3.1 編程下載利用Xilinx ISE的編程下載功能，下載編譯我的工程，從而得到的*.bin文件，即可下載到XCV200實驗板的XCV20C可編程邏輯芯片中，完成編譯下載。3.2 硬件測試及結果分析利用XCV20C實驗板進行硬件功能測試。海明碼數(shù)據(jù)位的輸入數(shù)據(jù)通過XCV200 實驗板的輸入開關實現(xiàn)，輸出數(shù)據(jù)通過 XCV200實驗板的LED旨示燈實現(xiàn)。輸入數(shù)據(jù)得到下圖的數(shù)據(jù)：圖3.1第一組數(shù)據(jù)cop2000仿真下載結果結果分析：輸入 K1:1-K1:3為000,對應L1-L3，輸入I1-I8 為10010001, 輸出 B7 A4為 001000110001 對應 O1-O12圖3.2 第二組數(shù)據(jù)cop2000仿真下載結果結果分析：輸入 K1:1-K1:3為000,對應L1-L3，輸入11-18 為10010010, 輸出 B7-A4為 111100110010對應 01-0