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里數據差錯控制技術 - 重復校驗。

在嵌入式應用里，除了最核心的數據處理外，我們還會經常和數據傳輸打交道。數據傳輸需要硬件傳輸接口的支持，串行接口由于占用引腳少的優點目前應用比并行接口廣泛，常用的串行接口種類非常多，比如 UART,SPI,I2C,USB 等，在使用這些接口傳輸數據時避不可免會遇到一個問題，如果傳輸過程中遇到未知硬件干擾發生 bit 錯誤怎么辦？

痞子衡今天給大家講的就是數據傳輸過程中用于差錯檢測的最簡單的方法，即重復校驗法。

一、重復校驗法基本原理

1.1 校驗依據

重復校驗法的校驗依據就是判斷重復傳輸的 q 組 n bits 二進制數據是否一致。

1.2 重復校驗位

為了實現重復校驗，就是不斷重復傳輸這組 n bits 原始數據 q 次即可，一次校驗的 q*n bits 數據塊中，僅有 n bits 數據是原始有效數據，校驗位就是那些重復的(q-1)*n bits 數據。是不是覺得簡單又粗暴？

1.3 校驗方法

假設原始數據塊是 X[n-1:0]共 n bits，重復次數為 q（q 一般為奇數），按重復傳輸方式，可分為兩個子類：

按 bit 重復：發送數據序列為，q 個 X0（X0X0...），q 個 X1（X1X1...)...，q 個 Xn-1（Xn-1Xn-1...)

按 block 重復：發送數據序列為，第 1 個 X[n-1:0]，第 2 個 X[n-1:0]...，第 q 個 X[n-1:0]。

接受端收到數據后，逐次比較 q 個重復位，如完全一致，則認為沒有錯差；如不一致，則存在錯誤 bit。如需糾錯的話，原理也很簡單，判斷 q 個重復位里哪種數據位出現的次數多（這里解釋了 q 為何應是奇數）則為原始正確數據位。

1.4 C 代碼實現

實際中按 block 重復校驗法應用比較多，此處示例代碼以此為例：

安裝包:codeblocks-17.12mingw-setup.exe
集成環境:CodeBlocks 17.12 rev 11256
編譯器:GNU GCC 5.1.0
調試器:GNU gdb (GDB) 7.9.1

// repetition_code.c
//////////////////////////////////////////////////////////
#include
#include

/*!
* @brief 處理按 block 重復的數據塊
*
* @param src， 待處理的數據塊 .
* @param dest， 處理完成的原始數據 .
* @param lenInBytes， 待處理的數據塊長度 .
* @param repeatTimes， 數據重復次數（假定為奇數）.
* @retval 0， 數據無錯誤位 .
* @retval 1， 數據有錯誤位且已糾正 .
*/
uint32_t verify_correct_repetition_block(uint8_t *src,
uint8_t *dest,
uint32_t lenInBytes,
uint32_t repeatTimes)
{
assert(repeatTimes % 2);
assert(!(lenInBytes % repeatTimes));

uint32_t result = 0;
uint32_t blockBytes = lenInBytes / repeatTimes;

// 遍歷一個 block 長度里每個 byte
for (uint32_t i = 0; i < blockBytes; i++)
{
// 遍歷當前 byte 的每個 bit
uint8_t correctByte = 0;
for (uint32_t j = 0; j < 8; j++)
{
// 遍歷當前 byte 的所有重復 byte
uint32_t bit1Count = 0;
for (uint32_t k = 0; k < repeatTimes; k++)
{
// 記錄所有重復 byte 中當前 bit 為 1 的個數
uint8_t countByte = *(src + i + k * blockBytes);
bit1Count += (countByte & (0x1u << j)) >> j;
}
// 當 bit1 出現半數則將當前 bit 認定為 1
if (bit1Count > (repeatTimes / 2))
{
correctByte |= 0x1u << j;
}
// 首次發現錯誤 bit 時，置位 result
if ((!result) && (bit1Count !=0) && bit1Count != repeatTimes)
{
result = 1;
}
}
// 將校驗后的 byte 存入 dest
*(dest + i) = correctByte;
}

return result;
}

// main.c
//////////////////////////////////////////////////////////
#include "repetition_code.h"
#include
#include

int main(void)
{
uint8_t src[3][4] = {{0x32, 0x33, 0x04, 0x08},
{0x32, 0x83, 0x04, 0xd8},
{0x31, 0x33, 0x04, 0xe8}};
uint8_t dest[4];
uint32_t result = verify_correct_repetition_block((uint8_t *)src, dest, sizeof(src), sizeof(src) / sizeof(src[0]));

printf("result = %d/n", result);
for (uint32_t i = 0; i < sizeof(dest); i++)
{
printf("dest[%d] = 0x%x/n", i, dest[i]);
}
return 0;
}

1.5 行業應用

實際上本文所講的單純的重復校驗法行業因為效率的原因，行業里較少應用，其改進版的實現 RA Codes 應用在了 FlexRay 協議里。

二、重復校驗法失效分析

重復校驗實現非常簡單，具有比較理想的檢錯能力，但效率太低，并未得到廣泛使用。即便犧牲了效率，但重復校驗法也存在如下 2 個缺陷，導致其檢錯糾錯并不可靠：

當重復 bit 全部發生錯誤時，會被誤認為沒有錯誤 bit 發生。

當錯誤 bit 出現概率大于原始 bit 時，在糾錯時會認定錯誤 bit 是原始 bit。

有沒有其他比重復校驗法更高效的檢錯方法？痞子衡在下篇會繼續聊。

至此，嵌入式里數據差錯控制技術之重復校驗痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

審核編輯 黃昊宇