痞子衡嵌入式：常用的資料差錯控制技術（2）- 奇偶校驗(Parity Check)

痞子衡發表於2017-09-08

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家講的是嵌入式裡資料差錯控制技術-奇偶校驗。

　　在系列第一篇文章裡，痞子衡給大家介紹了最簡單的校驗法-重複校驗，該校驗法實現簡單，檢錯糾錯能力都還不錯，但傳輸效率實在是不高，在效率至上的大背景下，這種方法是不能容忍的。今天痞子衡繼續給大家介紹另一種也非常簡單但效率較高的校驗法-即奇偶校驗法。

一、奇偶校驗法基本原理

1.1 校驗依據

　　奇偶校驗法的校驗依據就是判斷一次傳輸的一組二進位制資料中bit "1"的奇偶性(奇數個還是偶數個)在傳輸前後是否一致，所以其實奇偶檢驗法有兩個子類：

  • 奇校驗：如果以二進位制資料中1的個數是奇數為依據，則是奇校驗
  • 偶校驗：如果以二進位制資料中1的個數是偶數為依據，則是偶校驗

　　一般在同步傳輸方式中常採用奇校驗，而在非同步傳輸方式中常採用偶校驗。

1.2 奇偶校驗位

　　為了實現奇偶校驗，通常會在傳輸的這組二進位制資料中插入一個額外的奇偶校驗位(bit)，用它來確保傳送出去的這組二進位制資料中“1”的個數為奇數或偶數。
　　劃重點，奇偶校驗位並不是用來標記原始傳輸資料中1的個數是奇數還是偶數，而是用來確保原始資料加上奇偶校驗位後的合成資料中1的個數是奇數或者偶數。

1.3 校驗方法

　　常用的奇偶校驗共有三種：水平奇偶校驗，垂直奇偶校驗校驗和水平垂直奇偶校驗。以對32位資料：10100101 10111001 10000100 00011010進行校驗為例講解：

  • 水平奇偶校驗：對每一種資料的編碼新增校驗位，使資訊位與校驗位處於同一行。
原始資料 水平奇校驗位 水平偶校驗位
10100101 1 0
10111001 0 1
10000100 1 0
00011010 0 1

　　所以加上水平偶校驗位後應傳輸的資料是：101001010 101110011 100001000 000110101

  • 垂直奇偶校驗：將資料分為若干組，一組一行，再加上一行校驗位，針對每一列取樣奇校驗或偶校驗。
編碼分類 垂直奇校驗 垂直偶校驗
原始資料 10100101 10100101
10111001 10111001
10000100 10000100
00011010 00011010
校驗位 01111101 10000010

　　所以加上垂直偶校驗位後應傳輸的資料是：10100101 10111001 10000100 0001101010000010

  • 水平垂直奇偶校驗：也叫Hamming Code，其是在水平和垂直方向上進行雙校驗，其不僅可以檢測2bit錯誤的具體位置，還可糾正1bit錯誤，常用於NAND Flash裡。這部分不屬於本文要討論的內容，痞子衡後續會專門介紹Hamming Code。

1.4 C程式碼實現

　　實際中水平校驗法應用比較多，此處示例程式碼以水平奇校驗為例：

安裝包:codeblocks-17.12mingw-setup.exe
整合環境:CodeBlocks 17.12 rev 11256
編譯器:GNU GCC 5.1.0
偵錯程式:GNU gdb (GDB) 7.9.1

// parity_check.c
//////////////////////////////////////////////////////////
#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>

/*!
 * @brief 判斷當前byte的極性是否為奇
 *
 * @param byte， 待計算奇偶性的資料.
 * @retval ture， byte極性(含1的個數)為奇數.
 * @retval false， byte極性(含1的個數)為偶數.
 */
bool is_byte_odd_parity(uint8_t byte)
{
    bool parity = false;
    // 普通演算法-byte逐位異或（需迴圈8次）
    /*
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        parity ^= byte & 0x01u;
        byte >>= 1;
    }
    */
    // 效率較高演算法-計數byte中1的個數（需迴圈n次，n為byte中1的個數）
    while (byte)
    {
        parity = !parity;
        byte &= byte - 1;
    }
    return parity;
}

/*!
 * @brief 獲取給定data的水平奇校驗位
 *
 * @param src， 待計算奇偶性的資料塊.
 * @param lenInBytes， 待計算奇偶性的資料塊長度.
 * @retval 0， data極性(含1的個數)為奇數.
 * @retval 1， data極性(含1的個數)為偶數.
 */
uint32_t get_data_parity(uint8_t *src,
                         uint32_t lenInBytes)
{
    uint32_t result = 0;
    // 水平校驗法
    // isDataOddParity用於判斷所有data bits的行極性是否為奇
    bool isDataOddParity = false;
    while (lenInBytes--)
    {
        isDataOddParity ^= is_byte_odd_parity(*src++);
    }
    // result為所有data bits的奇校驗位
    result = !isDataOddParity;

    return result;
}

// main.c
//////////////////////////////////////////////////////////
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "parity_check.h"

int main(void)
{
    uint8_t data[4] = {0x31, 0x33, 0x04, 0x08};
    uint32_t parity = get_data_parity(data, sizeof(data));

    printf("parity = %d\n", parity);
    return 0;
}

1.5 行業應用

　　奇偶檢驗比較典型的應用是在串列埠UART上，玩過UART的朋友肯定了解串列埠奇偶檢驗位的作用，包括下位機MCU UART驅動的編寫，上位機串列埠除錯助手的設定都需要注意奇偶校驗位。下圖是UART傳輸時序圖，奇偶校驗位是可選位，僅當使能時才會生效。不過作為嵌入式開發者，倒不必關注奇偶校驗的具體實現，因為MCU的UART模組已經在硬體上支援了奇偶檢驗，我們只需要操作UART對應暫存器的控制位去使能奇偶檢驗功能即可。

痞子衡嵌入式：常用的資料差錯控制技術（2）- 奇偶校驗(Parity Check)

二、奇偶校驗法失效分析

　　在現實資料傳輸中，偶爾1位出錯的機會最多，2位及以上發生錯誤的概率比較低，且由於奇偶校驗實現簡單，具有相對理想的檢錯能力，因此得到廣泛使用。但奇偶校驗法有如下2個明顯的缺陷：

  • 奇數位誤碼能檢出，偶數位誤碼不能檢出
  • 不能糾錯，在發現錯誤後，只能要求重發。

　　前面講的兩種校驗法實際上更多是針對byte傳輸校驗，而在實際應用中我們校驗的物件往往是資料包packet，有沒有其他比奇偶校驗法更好且針對packet的檢錯方法呢？痞子衡在下篇會繼續聊。

　　至此，嵌入式裡資料差錯控制技術之奇偶校驗痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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