CRC校验的原理及代码实现

一起学嵌入式 2023-05-07 08:08

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一、CRC校验介绍

循环冗余校验码（CRC），是一种常用的、具有检错、纠错能力的校验码，在早期的通信中运用广泛。循环冗余校验码常用于外存储器和计算机同步通信的数据校验。循环冗余校验是通过某种数学运算来建立数据位和校验位的约定关系的。

与奇偶校验、和校验、异或校验等校验方式不同，CRC校验的计算过程相对复杂很多。

二、模2除法介绍

CRC校验原理虽然看起来比较复杂，其实也不难理解，其根本思想就是先在要发送的帧后面附加一个数，生成一个新帧发送给接收端。当然，这个附加的数不是随意的，它要使所生成的新帧能与发送端和接收端共同选定的某个特定数整除。

这里不是直接采用二进制除法，而是采用一种称之为“模2除法”。到达接收端后，再把接收到的新帧除以（同样采用“模2除法”）这个选定的除数。因为在发送端发送数据帧之前就已通过附加一个数，做了“去余”处理，所以结果应该是没有余数，结果能够被除数整除。如果有余数，则表明该帧在传输过程中出现了差错。

这里，为了能够对CRC校验有深入了解，我们来介绍一下模2除法。与“算术除法”类似，但它既不向上位借位，也不比较除数和被除数的相同位数值的大小，只要以相同位数进行相除即可。

模2减法运算实际上是按位异或运算。也就是比较后，两者对应位相同则结果为“0”，不同则结果为“1”。如下图所示，二进制的数1010101除以1001，结果得到商为1011，余数为110。

三、CRC校验原理

上面我们对CRC校验进行了简单介绍，下面我们就来看看CRC校验是如何实现的。

首先，为了进行CRC校验，发送端和接收端要约定一个除数，这个除数通常是以多项方式表示，这个多项式也称之为“生成多项式”。如常用的多项式x4 + x + 1，表示的除数为10011，多项式x16 + x15 + x2 + 1表示的除数为11000000000000101，下表列出了常用的除数多项式公式。

选定了除数之后，需要在要发送的数据后面加上k-1位“0”，k为除数的位数。然后以这个加了k-1个“0“的新数（一共是m+k-1位）以“模2除法”方式除以上面这个除数，所得到的余数就是这个数据的CRC校验码。但要注意的是，余数的位数一定要是比除数位数只能少一位，即使前面位是0，甚至是全为0（附带好整除时）也都不能省略。

最后，再把这个校验码附加在原数据后面，构建一个新帧发送到接收端；最后在接收端再把这个新帧以“模2除法”方式除以前面选择的除数，如果没有余数，则表明该帧在传输过程中没出错，否则出现了差错。

下面，我们通过一个例子来说明一下，CRC校验的计算过程。

假设我们计算十六进制数0xBB的CRC校验码，我们使用的生成多项式为x4 + x + 1。则待计算的数表示为二进制位1011 1011，除数为10011。由于生成多项式的位数为5，根据上面的介绍，得知CRC校验码的位数为4（校验码的位数比生成多项式的位数少1）。因此在原始数据后面再加4个0，得到1011 1011 0000，然后把这个数以“模2除法”方式除以生成多项式，得到的余数（即CRC码）为1111，如下图所示。

把上步计算得到的CRC校验1111替换原始帧1011 1011 0000后面的四个“0”，得到新帧1011 1011 1111。再把这个新帧发送到接收端。当以上新帧到达接收端后，接收端会把这个新帧再用上面选定的除数10011以“模2除法”方式去除，验证余数是否为0，如果为0，则证明该帧数据在传输过程中没有出现差错，否则出现了差错。

四、CRC校验的c代码实现

CRC校验的计算过程比较复杂，一般代码实现采用查表的方法。下面的代码是CRC16校验实现的代码，对应的CRC算法为CRC-16/MODBUS，生成多项式为x16 + x15 + x2 + 1。

注意：示例代码得到的CRC结果中，高8位在前，低8位在后。需要根据具体的应用场景进行调整。