海明码生成与校验电路的设计

1、沈阳航空航天大学 课课 程程 设设 计计 报报 告告 课程设计名称：计算机组成原理课程设计计算机组成原理课程设计 课程设计题目：海明码生成与校验电路的设计海明码生成与校验电路的设计 院（系）：计算机学院 专 业：计算机科学与技术 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期：2013年01月11日 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 1 - 目目 录录 第第 1 章章总体设计方案总体设计方案.- 2 - 1.1设计原理.- 2 - 1.2 设计思路.- 2 - 1.2设计环境.- 2 - 第第 2 章章详细设计方案详细设计方案.- 3 - 2.1顶层方案图的设计与实现.- 3 - 2.1.

2、1 创建顶层图形设计文件.- 3 - 2.2功能模块的设计与实现.- 5 - 2.2.1生成模块的设计与实现.- 5 - 2.2.2校验模块的设计与实现.- 7 - 2.2.3校验模块的设计与实现.- 10 - 第第 3 章章 编程下载与硬件测试编程下载与硬件测试.- 11 - 3.1 编程下载.- 11 - 3.2 硬件测试及结果分析.- 11 - 参考文献参考文献.- 13 - 附附 录（电路原理图）录（电路原理图）.- 14 - 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 2 - 第 1 章总体设计方案 1.1设计原设计原理理 海明码校验的原理是在原来的数据中加入对应的校验位，通过校验位反应 出错

3、位。海明码只能纠正一位出错的数据位。 (1) 校验位的产生: 数据位个数为 n,校验位个数为 k，二者关系满足不等式： 2n=k+n+1,由此得出校验位个数 k(一般取最小值)。 (2) 海明码编码:设数据位由 b1,b2bn 表示，校验位由 c1,c2ck 表示， 校验位放在第 2m位(m=1,2)，数据位的位号等于几个校验位位号之 和，校验位的数值是由所有需要其位号参与相加得到位号的数据位的数 值相异或产生的。 (3) 海明码校验: 海明码的出错位数是校验位的数值与对应产生该检验位的 数据位数值经异或后得到的数值组成的二进制组合。 1.2 设计思路设计思路 1. 海明码的生成：八位数据位对

4、应的校验位是四位，用 b1,b2b8 表示数 据位，c1,c2,c3,c4 表示校验位，构成的海明码表示为 c1c2b1c3b2b3b4c4b5b6b7b8。校验位数值与数据位数值关系为： c1=b1b2b4b5b7, c2= b1b3b4b6b7, c3= b2b3b4b8, c4= b5b6b7b8 2.海明码的校验：采用偶校验，出错位由四位二进制数 p1,p2,p3,p4 组成 p1=c1b1b2b4b5b7, p2=c2b1b3b4b6b7 p3=c3b2b3b4b8, p4=c4b5b6b7b8 出错位是 p4p3p2p1。 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 3 - 1.2设计环境设

5、计环境 硬件环境：伟福 cop2000 型计算机组成原理实验仪、xcv200 实验板、微 机； eda 环境：xilinx foundation f3.1 设计软件、cop2000 仿真软件。 第 2 章详细设计方案 2.1顶层方案图的设计与实现顶层方案图的设计与实现 顶层方案图实现海明码的生成与校验逻辑功能，采用原理图设计输入方式 完成，电路实现基于 xcv200 可编程逻辑芯片。在完成原理图的功能设计后， 把输入/输出信号安排到 xcv200 指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定。 2.1.1 创建顶层图形设计文件创建顶层图形设计文件 顶层图形文件主要由生成元件，校验元件和出错元件模块组装而

6、成的一个 完整的设计实体。 图图 2.1.12.1.1 生成模块生成模块 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 4 - 2.1.2 器件的选择与引脚锁定器件的选择与引脚锁定 （1）器件的选择）器件的选择 由于硬件设计环境是基于伟福 cop2000 型计算机组成原理实验仪和 xcv200 实验板，故采用的目标芯片为 xlinx xcv200 可编程逻辑芯片。 （2）引脚锁定）引脚锁定 把顶层图形文件中的输入/输出信号安排到 xilinx xcv200 芯片指定的引脚 上去，实现芯片的引脚锁定，各信号及 xilinx xcv200 芯片引脚对应关系如下 表。 表表 2.1.2 信号和芯片引脚对应关系信

7、号和芯片引脚对应关系 图形文件中的输入图形文件中的输入/输出信号输出信号xcv200 芯片引脚信号芯片引脚信号 c1p83 c2p84 c3p85 c4p86 c5p70 c6p71 c7p72 c8p73 c9p79 c10p80 c11p81 c12p82 si1p94 si2p95 si3p96 si4p97 si5p100 si6p101 si7p102 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 5 - si8p103 so1p4 so2p5 so3p6 so4p7 so5p224 so6p228 so7p229 so8p230 so9p231 so10p232 so11p234 so12p2

8、35 jo1p220 jo2p221 jo3p222 jo4p223 2.2功能模块的设计与实功能模块的设计与实现现 海明码生成与校验电路是由生成与校验两个模块组成。生成模块是从 8 个 输入端输入 8 位数据位，经异或门得到校验位，然后依照海明码编码规律输出 12 位的海明码；校验模块的出错电路作用是使正确的海明码的其中一位取反得 到有一位出错的海明码，并作为校验电路的十二个输入加到输入端，经过校验 电路中的四个异或门得到出错的位号输出到四个输出端，实现海明码校验的功 能。 2.2.12.2.1生成模块的设计与实现生成模块的设计与实现 （1 1）元件的内部结构）元件的内部结构 生成模块的电路

9、是由八个输入端，十二个输出端及四个异或门组成，按照 公式：c1=b1b2b4b5b7，c2= b1b3b4b6b7，c3= b2b3b4b8，c4= b5b6b7b8，生成四个校验位 c1c4，再与八个输入 的数据位按编码顺序 c1c2b1c3b2b3b4c4b5b6b7b8 输出 12 位海明码。 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 6 - 图图 2.2.12.2.1 生成模块内部电路生成模块内部电路 （2）仿真调试）仿真调试 采用功能仿真方法对生成电路进行仿真，验证其功能正确性。 图图 2.2.12.2.1 生成模块仿真生成模块仿真 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 7 - 仿真结果分析：

10、表表 2.2.12.2.1 海明码生成电路的数据输入与输出表海明码生成电路的数据输入与输出表 输入的输入的 8 8 位数据位数据输出的海明码输出的海明码 01101010100011001010 10101011111001011011 10101010111101001010 00101101100001011101 11101010011011001010 00011000010100111000 11001101101010011101 01000110000110000110 10010001001000110001 00101011000001011011 仿真得出的海明码与之前经计

11、算正确的海明码一致，所以生成电路是正确 的。 2.2.2 校验模块的设计与实现校验模块的设计与实现 校验模块由出错电路和校验电路两部分够成，共同实现校验功能。 （1） 出错电路的内部结构出错电路的内部结构 出错电路的原理是根据二进制数与 1 异或取反，与 0 异或为自身的规 律设计的，电路由 12 个控制输入端，12 个正确海明码数据输入端，12 个 一位出错的海明码输出端和 12 个异或门构成。12 位海明码中使一位取反 即一位出错，输出到输出端。 （2） 出错电路功能仿真出错电路功能仿真 采用功能仿真方法对出错电路进行仿真，验证其功能正确性。 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 8 - 仿真

12、结果分析：从仿真结果可直接看出当输入的控制端某一位为 1 其 他位都为 0 时可使得输入的海明码对应位取反，所以出错电路是正确的。 （3） 校验电路的内部结构校验电路的内部结构 校验电路的原理是根据公式： p1=c1b1b2b4b5b7，p2=c2b1b3b4b6b7，p3=c3b2 b3b4b8，p4=c4b5b6b7b8，得出出错位 p4p3p2p1。电路由 12 位一位出错的海明码作为输入端，四个显示出错位号的输出端及四个异 或门构成。 图图 2.2.22.2.2 校验元件内部电路校验元件内部电路 （2）校验电路功能仿真）校验电路功能仿真 采用功能仿真方法对校验电路进行仿真，验证其功能正

13、确性。 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 9 - 图图 2.2.22.2.2 校验电路仿真校验电路仿真 仿真结果分析： 表表 2.2.22.2.2 校验电路的数据输入与输出表校验电路的数据输入与输出表 待查错的海明码待查错的海明码出错位号出错位号 1000110011101010 1110011110110111 1111110010100101 1000010111001100 0110110000101001 1101001110000001 1010101111010111 0101100001100010 0011001100010100 0000010110110000 沈阳航空航天

14、大学课程设计报告 - 10 - 仿真结果分析：由校验电路的仿真得出的出错位与计算得到的正确 的出错位一致，所以校验电路是正确的。 2.2.3校验模块的设计与实现校验模块的设计与实现 总电路是由生成模块和校验模块组成，生成模块的输出作为出错电路的数 据段输入，出错电路的输出作为校验电路的输入，最后生成模块的输出与校验 模块的输出作为总电路的输出。 采用功能仿真方法对校验电路进行仿真，验证其功能正确性。仿真结果分 析：将几个子模块的数据输入到总电路的输入端，观察输出端的数据结果与正 确结果一致，所以总电路是正确的。 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 11 - 第 3 章 编程下载与硬件测试 3.1

15、 编程下载编程下载 利用 xilinx ise 的编程下载功能，将得到的*.bin 文件下载到 xcv200 实验 板的 xcv200 可编程逻辑芯片中。 3.2 硬件测试及结果分硬件测试及结果分析析 利用 xcv200 实验板进行硬件功能测试。海明码数据位的输入数据通过 xcv200 实验板的输入开关实现，输出数据通过 xcv200 实验板的七段数码管 实现，其对应关系如表 3.1 所示。 表表 3.1 xcv200 实验板信号对应关系实验板信号对应关系 xcv200 芯片引脚信号芯片引脚信号xcv200 实验板实验板 c1k2：7 c2k2：6 c3k2：5 c4k2：4 c5k2：3 c

16、6k2：2 c7k2：1 c8k2：0 c9k1：7 c10k1：6 c11k1：5 c12k1：4 si1k0：7 si2k0：6 si3k0：5 si4k0：4 si5k0：3 si6k0：2 si7k0：1 si8k0：0 so1 so4七段数码管 s2 so5 so12七段数码管 s1 jo1jo4七段数码管 s0 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 12 - 利用输入参数作为输入数据，逐个测试输出结果，即用 xcv200 实验板的 开关 k0、k1、k2 输入数据，同时观察七段数码管 s0、s1、s2的输出，得到如表 3.2 所示的硬件测试结果。 表表 3.2 硬件测试结果硬件测试结果

17、 输输 入入 信信 号号输输 出出 信信 号号 k2k1k0s2s1 s0s0 00000000 000100111100 046c0c 图图 3.1 cop2000 仿真下载结果仿真下载结果 结果分析：输入 c1-c12 为 000000000001，输入 si1-si8 为 00111100，输出 s2 为 04，s1 为 6c，s0 为 0c，对应的海明码是 010001101100，出错位是第 12 位， 与正确结果一致。 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 13 - 参考文献 1 白中英.计算机组成原理（第 4 版）m.北京：科学出版社，2008 2 王爱英.计算机组成与结构(第 4 版)m.北京：清华大学出版社，2006 3 唐朔飞.计算机组成原理（第 2 版）m.北京：高等教育出版社，2008 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 14 - 附 录（电路原理图） 沈阳航空航天大学课程设计报告 - 15 -