痞子衡嵌入式:常用的数据差错控制技术(2) 奇偶校验(Parity Check)

作者: 痞子衡

在系列第一篇文章里,痞子衡给大家介绍了最简单的校验法-重复校验,但该校验法传输效率实在是不高,今天痞子衡继续给大家介绍另一种也非常简单但效率较高的校验法-即奇偶校验法。


  大家好,是痞子衡,是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家讲的是嵌入式里数据差错控制技术-奇偶校验

  在系列第一篇文章里,痞子衡给大家介绍了最简单的校验法-重复校验,该校验法实现简单,检错纠错能力都还不错,但传输效率实在是不高,在效率至上的大背景下,这种方法是不能容忍的。今天痞子衡继续给大家介绍另一种也非常简单但效率较高的校验法-即奇偶校验法。

一、奇偶校验法基本原理

1.1 校验依据

  奇偶校验法的校验依据就是判断一次传输的一组二进制数据中bit “1"的奇偶性(奇数个还是偶数个)在传输前后是否一致,所以其实奇偶检验法有两个子类:

  • 奇校验:如果以二进制数据中1的个数是奇数为依据,则是奇校验
  • 偶校验:如果以二进制数据中1的个数是偶数为依据,则是偶校验

  一般在同步传输方式中常采用奇校验,而在异步传输方式中常采用偶校验。

1.2 奇偶校验位

  为了实现奇偶校验,通常会在传输的这组二进制数据中插入一个额外的奇偶校验位(bit),用它来确保发送出去的这组二进制数据中"1"的个数为奇数或偶数。
  划重点,奇偶校验位并不是用来标记原始传输数据中1的个数是奇数还是偶数,而是用来确保原始数据加上奇偶校验位后的合成数据中1的个数是奇数或者偶数。

1.3 校验方法

  常用的奇偶校验共有三种:水平奇偶校验,垂直奇偶校验校验和水平垂直奇偶校验。以对32位数据:10100101 10111001 10000100 00011010进行校验为例讲解:

  • 水平奇偶校验:对每一种数据的编码添加校验位,使信息位与校验位处于同一行。
|   原始数据   | 水平奇校验位 | 水平偶校验位 |
|----------|--------|--------|
| 10100101 | 1      | 0      |
| 10111001 | 0      | 1      |
| 10000100 | 1      | 0      |
| 00011010 | 0      | 1      |

  所以加上水平偶校验位后应传输的数据是:101001010 101110011 100001000 000110101

  • 垂直奇偶校验:将数据分为若干组,一组一行,再加上一行校验位,针对每一列采样奇校验或偶校验。
| 编码分类 |  垂直奇校验   |  垂直偶校验   |
|------|----------|----------|
| 原始数据 | 10100101 | 10100101 |
| 原始数据 | 10111001 | 10111001 |
| 原始数据 | 10000100 | 10000100 |
| 原始数据 | 00011010 | 00011010 |
| 校验位  | 01111101 | 10000010 |

  所以加上垂直偶校验位后应传输的数据是:10100101 10111001 10000100 0001101010000010

  • 水平垂直奇偶校验:也叫Hamming Code,其是在水平和垂直方向上进行双校验,其不仅可以检测2bit错误的具体位置,还可纠正1bit错误,常用于NAND Flash里。这部分不属于本文要讨论的内容,痞子衡后续会专门介绍Hamming Code。

    1.4 C代码实现

  实际中水平校验法应用比较多,此处示例代码以水平奇校验为例:

安装包:codeblocks-17.12mingw-setup.exe
集成环境:CodeBlocks 17.12 rev 11256
编译器:GNU GCC 5.1.0
调试器:GNU gdb (GDB) 7.9.1

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

/*!
 * @brief 判断当前byte的极性是否为奇
 *
 * @param byte, 待计算奇偶性的数据.
 * @retval ture, byte极性(含1的个数)为奇数.
 * @retval false, byte极性(含1的个数)为偶数.
 */
bool is_byte_odd_parity(uint8_t byte)
{
    bool parity = false;
    // 普通算法-byte逐位异或(需循环8次)
    /*
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        parity ^= byte & 0x01u;
        byte >>= 1;
    }
    */
    // 效率较高算法-计数byte中1的个数(需循环n次,n为byte中1的个数)
    while (byte)
    {
        parity = !parity;
        byte &= byte - 1;
    }
    return parity;
}

/*!
 * @brief 获取给定data的水平奇校验位
 *
 * @param src, 待计算奇偶性的数据块.
 * @param lenInBytes, 待计算奇偶性的数据块长度.
 * @retval 0, data极性(含1的个数)为奇数.
 * @retval 1, data极性(含1的个数)为偶数.
 */
uint32_t get_data_parity(uint8_t *src,
                         uint32_t lenInBytes)
{
    uint32_t result = 0;
    // 水平校验法
    // isDataOddParity用于判断所有data bits的行极性是否为奇
    bool isDataOddParity = false;
    while (lenInBytes--)
    {
        isDataOddParity ^= is_byte_odd_parity(*src++);
    }
    // result为所有data bits的奇校验位
    result = !isDataOddParity;

    return result;
}

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

int main(void)
{
    uint8_t data[4] = ;
    uint32_t parity = get_data_parity(data, sizeof(data));

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

1.5 行业应用

  奇偶检验比较典型的应用是在串口UART上,玩过UART的朋友肯定了解串口奇偶检验位的作用,包括下位机MCU UART驱动的编写,上位机串口调试助手的设置都需要注意奇偶校验位。下图是UART传输时序图,奇偶校验位是可选位,仅当使能时才会生效。不过作为嵌入式开发者,倒不必关注奇偶校验的具体实现,因为MCU的UART模块已经在硬件上支持了奇偶检验,们只需要操作UART对应寄存器的控制位去使能奇偶检验功能即可。

二、奇偶校验法失效分析

  在现实数据传输中,偶尔1位出错的机会最多,2位及以上发生错误的概率比较低,且由于奇偶校验实现简单,具有相对理想的检错能力,因此得到广泛使用。但奇偶校验法有如下2个明显的缺陷:

  • 奇数位误码能检出,偶数位误码不能检出
  • 不能纠错,在发现错误后,只能要求重发。

  前面讲的两种校验法实际上更多是针对byte传输校验,而在实际应用中们校验的对象往往是数据包packet,有没有其他比奇偶校验法更好且针对packet的检错方法呢?痞子衡在下篇会继续聊。

  至此,嵌入式里数据差错控制技术之奇偶校验痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~

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原文创作:痞子衡

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