摘要：循環(huán)冗余(CRC)是USB協(xié)議中重要的錯誤檢測措施。在此分析了USB 3．0數(shù)據(jù)包的基奉格式以及USB 3．0協(xié)議中CRC校驗的特點，針對USB 3．0數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊螅O(shè)計實現(xiàn)并行發(fā)送端CRC產(chǎn)生和接收端CRC校驗電路，功能仿真結(jié)果證明了其有效性。
關(guān)鍵詞：USB 3．0；CRC校驗；Verilog HDL代碼；仿真結(jié)果
在通用串行總線(USB)的數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)循環(huán)冗余校驗(CRC)是為了保證數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)的正確性而采用的數(shù)據(jù)保護方法。USB 3．0協(xié)議中為了檢測和減少這類錯誤，一方面提供了一系列硬件和軟件措施，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性；另一方面在每個包中加入檢測位來發(fā)現(xiàn)這些瞬時的錯誤。協(xié)議中對每個包的控制位和數(shù)據(jù)位提供了循環(huán)冗余校驗，若出現(xiàn)了循環(huán)冗余碼的錯誤，則認為該包已經(jīng)損壞。
本文介紹了USB 3．0設(shè)備控制器中的協(xié)議層在數(shù)據(jù)收發(fā)時，如何采用并行電路來完成數(shù)據(jù)包發(fā)送時CRC碼的產(chǎn)生和接收時CRC碼的校驗，并行處理方法與常用的串行處理相比，極大地降低了功耗和電路綜合的難度。
1 USB 3．0中的CRC校驗
USB 3．0協(xié)議規(guī)定了4種類型的包：鏈路管理包(LMP)，傳輸包(TP)，數(shù)據(jù)包(DP)和同步時間戳包(ITP)。鏈路管理包(LMP)只遍歷直接連接的端口，主要用于管理該連接。傳輸包遍歷主機和設(shè)備路徑中的所有鏈路，用來控制數(shù)據(jù)包流，配置設(shè)備和集線器等，傳輸包沒有數(shù)據(jù)部分。數(shù)據(jù)包遍歷主機和設(shè)備路徑中的所有連接。同步時間戳包是一個多播數(shù)據(jù)包，由主機發(fā)送到所有激活的連接。
USB對所有傳輸數(shù)據(jù)的保護采用了CRC校驗和數(shù)據(jù)重傳的方式。當(dāng)通過檢錯碼判斷錯數(shù)據(jù)包錯誤時，發(fā)送端通過重發(fā)來達到糾錯的目的。 USB 3．0數(shù)據(jù)包由數(shù)據(jù)包頭(DPH)和數(shù)據(jù)包有效載荷(DPP)兩部分組成，DPH類似于一個傳輸包，DPP中有一個32位CRC(CRC-32)，可以確保數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)包以16 B的數(shù)據(jù)包頭開始(有的包只有包頭沒有數(shù)據(jù)部分)，包頭含了如何處理該包的信息。一個完整的USB 3．0數(shù)據(jù)包的格式如圖1所示。
在數(shù)據(jù)包頭(DPH)中，有一個長度為2字節(jié)16位的CRC校驗碼對數(shù)據(jù)包頭的12個字節(jié)信息進行保護。在數(shù)據(jù)部分(DPP)中，包含最大1 024 B的數(shù)據(jù)，有一個長度為4 B 32 b的CRC校驗碼對數(shù)據(jù)部分進行保護。另外，在數(shù)據(jù)包頭中，有2 B的鏈接控制字(Link Control Word)，其中長度為5位的CRC用來對鏈接控制字中其他的11位信息進行保護，格式如圖2所示。
在USB 3．0協(xié)議中，CRC校驗有以下特點：
(1)在發(fā)送端，CRC校驗在初始狀態(tài)時將余數(shù)寄存器的值置為全1，如果沒有這樣的預(yù)設(shè)置，就不能正確地保護數(shù)據(jù)包開始為0的數(shù)據(jù)位。在接收端，也同樣將移位寄存器預(yù)設(shè)為全1狀態(tài)，以保證接收到的被除數(shù)加上一個相同的常數(shù)，如果數(shù)據(jù)傳輸無誤，則余數(shù)產(chǎn)生器應(yīng)該得到相同的余數(shù)。
(2)采用了3種類型的CRC校驗：5位、16位和32位CRC校驗。5位CRC校驗采用的生成多項式為；G(X)=X5+X2+1，如果準(zhǔn)確無誤地接收到數(shù)據(jù)，接收端的5位余數(shù)應(yīng)該是01100；16位CRC校驗采用的生成多項式為：G(X)=X16+X15+X2+1，接收端的16位余數(shù)應(yīng)該是10000000000001101；32位CRC校驗采用的生成多項式為：G(X)=X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7汁X5+X4+X2+X1+1，接收端中的32位余數(shù)應(yīng)該是32’HC704DD 7B。
(3)發(fā)送端對輸入的數(shù)據(jù)作除法運算后，將所得到的余數(shù)按位取反，取反后的余數(shù)放在待發(fā)送數(shù)據(jù)的高位，組成了新的數(shù)據(jù)流。接收端CRC校驗采用與CRC產(chǎn)生相同的算法來實現(xiàn)，只是作為輸入數(shù)據(jù)的是原始的被除數(shù)數(shù)據(jù)和對應(yīng)的CRC校驗碼組成的新數(shù)據(jù)流。如果接收端的余數(shù)與(2)的要求一致，則說明接收端準(zhǔn)確無誤地接收到了數(shù)據(jù)。
2 并行CRC校驗的設(shè)計
在USB 3．0協(xié)議中，數(shù)據(jù)最高傳輸速率高達5 Gb／s，串行方法無法滿足實時性要求。本文中，CRC校驗采用的是并行設(shè)計方法。
在USB 3．0協(xié)議中，數(shù)據(jù)收發(fā)是以字節(jié)為單位來傳輸?shù)模栽诎l(fā)送端和接收端可以通過一個8位移位寄存器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字節(jié)表示形式，然后再對數(shù)據(jù)進行并行的CRC碼產(chǎn)生和校驗。
以鏈接控制字中的5位CRC為例，發(fā)送端并行CRC產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。計數(shù)器用于產(chǎn)生標(biāo)志信號，計數(shù)值為8時串并轉(zhuǎn)換結(jié)束。數(shù)據(jù)暫存寄存器獲取字節(jié)數(shù)據(jù)，經(jīng)組合邏輯計算后產(chǎn)生新的校驗寄存器值。并行CRC5的余數(shù)多項式表達式如下：
在接收端，按照和發(fā)送端同樣的電路，對發(fā)送端產(chǎn)生的CRC校驗碼和輸入的數(shù)據(jù)一并進行CRC校驗，如果接收端成功接收，最后得到的CRC校驗碼為常數(shù)(01100)。
3 仿真結(jié)果
發(fā)送端和接收端的并行CRC產(chǎn)生和校驗設(shè)計用Verilog HDL實現(xiàn)，用ModelSim工具進行仿真，發(fā)送端并行CRC產(chǎn)生和接收端CRC校驗的仿真波形分別如圖4和圖5所示。在發(fā)送端，每輸入8個數(shù)進行一個并行的CRC5計算，crc_d寄存器的值隨發(fā)送的數(shù)不斷更新，直到最后產(chǎn)生一個余數(shù)，在接收端將該余數(shù)和發(fā)送端的數(shù)一并進行CRC5校驗，最后CRC得到一個常數(shù)值01100。
4 結(jié)語
雖然并行方法在電路規(guī)模上比申行算法大，但是能夠在單位時間內(nèi)完成更多位數(shù)據(jù)的校驗，可以有效降低電路的工作頻率，硬件實現(xiàn)也較容易。USB 3．0數(shù)據(jù)的最高傳輸速率高達5 Gb／s，采用并行CRC校驗設(shè)計完成USB 3．0數(shù)據(jù)傳輸中CRC碼的產(chǎn)生和校驗。可使高速USB串行接口引擎電路方便地與UTMI接口。
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