基于FPGA的Hamming编译码verilog开发实现,包括testbench测试程序

1.算法仿真效果

vivado2019.2仿真结果如下：

2.算法涉及理论知识概要

        汉明码（Hamming Code），是在电信领域的一种线性调试码，以发明者理查德·卫斯里·汉明的名字命名。汉明码在传输的消息流中插入验证码，当计算机存储或移动数据时，可能会产生数据位错误，以侦测并更正单一比特错误。由于汉明编码简单，它们被广泛应用于内存（RAM）。

       人们在汉明码出现之前使用过多种检查错误的编码方式，但是没有一个可以在和汉明码在相同空间消耗的情况下，得到相等的效果。

       1940年，汉明于贝尔实验室（Bell Labs）工作，运用贝尔模型V（Bell Model V）电脑，一个周期时间在几秒钟内的机电继电器机器。输入端是依靠打孔卡（Punched Card），这不免有些读取错误。在平日，特殊代码将发现错误并闪灯（flash lights），使得操作者能够纠正这个错误。在周末和下班期间，在没有操作者的情况下，机器只会简单地转移到下一个工作。汉明在周末工作，他对于不可靠的读卡机发生错误后，总是必须重新开始项目变得愈来愈沮丧。在接下来的几年中，他为了解决调试的问题，开发了功能日益强大的调试算法。在1950年，他发表了今日所称的汉明码。现在汉明码有着广泛的应用。

        在接收端通过纠错译码自动纠正传输中的差错来实现码纠错功能，称为前向纠错FEC。在数据链路中存在大量噪音时，FEC可以增加数据吞吐量。通过在传输码列中加入冗余位(也称纠错位)可以实现前向纠错。但这种方法比简单重传协议的成本要高。汉明码利用奇偶块机制降低了前向纠错的成本。

       如果一条信息中包含更多用于纠错的位，且通过妥善安排这些纠错位使得不同的出错位产生不同的错误结果，那么我们就可以找出出错位了。在一个7位的信息中，单个位出错有7种可能，因此3个错误控制位就足以确定是否出错及哪一位出错了。

      汉明码SECDED（single error correction, double error detection）版本另外加入一检测比特，可以侦测两个或以下同时发生的比特错误，并能够更正单一比特的错误。因此，当发送端与接收端的比特样式的汉明距离（Hamming distance）小于或等于1时（仅有1 bit发生错误），可实现可靠的通信。相对的，简单的奇偶检验码除了不能纠正错误之外，也只能侦测出奇数个的错误。

下列通用算法可以为任意位数字产生一个可以纠错一位的汉明码：

1.从1开始给数字的数据位（从左向右）标上序号, 1，2，3，4，5...

2.将这些数据位的位置序号转换为二进制，1, 10, 11, 100, 101,等。

3.数据位的位置序号中所有为二的幂次方的位（编号1，2，4，8，等，即数据位位置序号的二进制表示中只有一个1）是校验位

4.所有其它位置的数据位（数据位位置序号的二进制表示中至少2个是1）是数据位

5.每一位的数据包含在特定的两个或两个以上的校验位中，这些校验位取决于这些数据位的位置数值的二进制表示

(1) 校验位1覆盖了所有数据位位置序号的二进制表示倒数第一位是1的数据：1（校验位自身，这里都是二进制，下同），11，101，111，1001，等

(2) 校验位2覆盖了所有数据位位置序号的二进制表示倒数第二位是1的数据：10（校验位自身），11，110，111，1010，1011，等

(3) 校验位4覆盖了所有数据位位置序号的二进制表示倒数第三位是1的数据：100（校验位自身），101，110，111，1100，1101，1110，1111，等

(4) 校验位8覆盖了所有数据位位置序号的二进制表示倒数第四位是1的数据：1000（校验位自身），1001，1010，1011，1100，1101，1110，1111，等

(5) 简而言之，所有校验位覆盖了数据位置和该校验位位置的二进制与的值不为0的数。

3.verilog核心程序

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// Design Name: 
// Module Name: tops
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//
module tops(
input[7:0]    encode_in,
output [11:0] encode_out,
output [7:0] decode_out
);
    
HammingEncoder HammingEncoderU(
.datain(encode_in), 
.dataout(encode_out)
);
 
HammingDecoder HammingDecoderU(
.datain(encode_out), 
.dataout(decode_out)
);
    
endmodule