AVR單片機CRC校驗碼的查表與直接生成

　　摘要：循環(huán)冗余碼校驗CRC是常用的重要校驗方法之一。AVR高速嵌入式單片機功能強大，在無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用方面具有很大優(yōu)勢。本文基于Atmega128高速嵌入式單片機，實現(xiàn)32位CRC校驗碼的直接生成法和查表生成法；根據(jù)實驗結(jié)果，分析兩種方法的特點。

    關(guān)鍵詞：Atmega128 CRC校驗碼 CRC生成表 數(shù)據(jù)段

引 言

　　隨著技術(shù)的不斷進步，各種數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用越來越廣泛。由于傳輸距離、現(xiàn)場狀況、干擾等諸多因素的影響，設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)常會發(fā)生一些無法預(yù)測的錯誤。為了降低錯誤所帶來的影響，一般在通信時采用數(shù)據(jù)校驗的辦法，而循環(huán)冗余碼校驗是常用的重要校驗方法之一。

　　AVR高速嵌入式單片機是8位RISC MCU，執(zhí)行大多數(shù)指令只需一個時鐘周期，速度快（8MHz AVR的運行速度約等于200MHz 80C51的運行速度），32個通用寄存器直接與ALU相連，消除了運算瓶頸；內(nèi)嵌可串行下載或自我編程的Flash和EPPROM，功能繁多，具有多種運行模式。

　　本文采用Atmel公司的Atmega128高速嵌入式單片機，依照IEEE 1999年公布的802.11無線局域網(wǎng)協(xié)議標準，采用32位循環(huán)冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check）實現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)時的差錯校驗。

1 CRC循環(huán)冗余校驗碼原理

    1.1 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷?/P>

　　根據(jù)IEEE制定的802.11無線局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸時都應(yīng)按照幀傳輸。這里，我們采用了信息處理系統(tǒng)－數(shù)據(jù)通信－高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程－幀結(jié)構(gòu)，它的每個幀由下列字段組成（傳輸順序自左至右）：

　　地址——數(shù)據(jù)站地址字段；

　　控制——控制字段。

　　信息——信息字段；

　　CRC校驗位——根據(jù)前面三個字段生成的CRC校驗位。

　　由地址、控制、信息三個字段組成的總的字段統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)段。

    1.2 CRC校驗碼的理論生成方法

　　CRC校驗采用多項式編碼方法，被處理的數(shù)據(jù)塊可以看作是一個n階的二進制多項式。這里，假定待發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)段為g(x)，生成多項式為 m(x)，得到的CRC校驗碼為c(x)。

　　CRC校驗碼的編碼方法是用待發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)g(x)除以生成多項式m(x)，將最后的余數(shù)作為CRC校驗碼，實現(xiàn)步驟如下。

　　 ① 設(shè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)塊是m位的二進制多項式 g(x)，生成多項式為r階的m(x)。在數(shù)據(jù)塊的末尾添加r個0，數(shù)據(jù)塊的長度增加到m+r位，對應(yīng)的二進制多項式為G(x) 。

　　② 用生成多項式m(x)去除G(x) ，求得余數(shù)為階數(shù)是r-1的二進制多項式c(x)。此二進制多項式 c(x)就是g(x)經(jīng)過生成多項式m(x)編碼的CRC校驗碼。

　?、?用模2的方式減去c(x)，得到的二進制多項式就是包含了CRC校驗碼的待發(fā)送字符串。

　　CRC校驗可以100%地檢測出所有奇數(shù)個隨機錯誤和長度小于等于r（r為m(x)的階數(shù)）的突發(fā)錯誤。所以，CRC的生成多項式的階數(shù)越高，誤判的概率就越小。CCITT建議：2048 Kb/s的PCM基群設(shè)備采用CRC-4方案，使用的CRC校驗碼生成多項式m(x)=x4+x+1 。采用16位CRC校驗，可以保證在 1014bit碼元中只含有1位未被檢測出的錯誤 。在IBM的同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程SDLC的幀校驗序列FCS中，使用CRC-16，其生成多項式m(x)=x16+x15+x2+1；而在CCITT推薦的高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC的幀校驗序列FCS中，使用CCITT-16，其生成多項式m(x)= x16+x15+x5+1。CRC-32的生成多項式m(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1。CRC-32出錯的概率為CRC-16的10-5。由于CRC-32的可靠性，把CRC-32用于重要數(shù)據(jù)傳輸十分合適，所以在通信、計算機等領(lǐng)域運用十分廣泛。在一些UART通信控制芯片（如MC6582、Intel8273和Z80-SIO）內(nèi)，都采用了CRC校驗碼進行差錯控制；以太網(wǎng)卡芯片、MPEG解碼芯片中，也采用CRC-32進行差錯控制。

　　m(x) 生成多項式的系數(shù)為0或1，但是m(x) 的首項系數(shù)為1，末項系數(shù)也必須為1。m(x) 的次數(shù)越高，其檢錯能力越強。

2 使用Atmega128生成32位CRC校驗碼

    2.1 直接計算法生成32位CRC校驗碼

　　直接計算法就是依據(jù)CRC校驗碼的產(chǎn)生原理來設(shè)計程序。其優(yōu)點是模塊代碼少，修改靈活，可移植性好。這種算法簡單，容易實現(xiàn)，對任意長度生成多項式m(x) 都適用。在發(fā)送的數(shù)據(jù)不長的情況下可以使用，但是如果發(fā)送的數(shù)據(jù)塊很長，這種方法就不太適合了。因為它1次只能處理1位數(shù)據(jù)，效率太低，運算量大。

　　計算法生成32位CRC校驗碼的流程如圖1所示。

　　用AVR單片機匯編語言實現(xiàn)CRC-32源程序見本刊網(wǎng)絡(luò)補充版（http://www.dpj.com.cn）。

    2.2 查表法生成32位CRC校驗碼

　　和直接計算法相反，查表法生成32位CRC校驗碼的優(yōu)點是運算量小，速度快；缺點是可移植性較差。這種算法首先要求得到32位CRC生成表，由于1個字節(jié)有8位，所以這個表總共有256項。但是，由于AVR高速嵌入式單片機中的寄存器是以1個字節(jié)為單位的，所以在編程實現(xiàn)中，這個CRC生成表總共有1024項，分別從0~1023；每4位對應(yīng)1個32位CRC生成表的項，每一項都從高到低降冪排列。關(guān)于32位CRC生成表的程序詳見本刊網(wǎng)絡(luò)補充版（http://www.dpj.com.cn）。

　　查表法生成32位CRC校驗碼的流程如圖2所示。

　　圖2所示的流程圖中，在通過異或運算得到CRC生成表的索引時，由于AVR高速嵌入式單片機中的寄存器是以1個字節(jié)為單元的，所以在編程實現(xiàn)中應(yīng)根據(jù)所要求生成的CRC校驗碼的位數(shù)乘以相應(yīng)的系數(shù)。例如：在數(shù)據(jù)傳輸時要求32位CRC校驗碼，應(yīng)該把所得到的索引數(shù)乘以系數(shù)4，然后再從高到低依次取得32位CRC生成表單元中的內(nèi)容。

　　使用查表法得到32位CRC校驗碼的源程序詳見本刊網(wǎng)絡(luò)補充版（http://www.dpj.com.cn）。

3 實驗結(jié)果

　　為了比較所述兩種32位CRC校驗碼生成方法的特點，分別選取不同字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)段，對兩種方法在不同情況下的效果進行比較，如表1所列。

表1 兩種算法實驗結(jié)果對比

　　以上所有實驗結(jié)果均是在AVR Studio4仿真軟件上選用Atmel公司的Atmega128高速嵌入式單片機為實驗設(shè)備平臺，在12MHz運行速度下模擬所得。

　　在調(diào)用32位CRC生成表程序以得到32位CRC生成表時，耗時3968.33μs，執(zhí)行了47620個時鐘周期。從上述實驗結(jié)果可得出以下幾點結(jié)論。

　　① 如果不考慮生成32位CRC生成表的時間，例如直接把32位CRC生成表燒入到Atmega128的可編程閃速存儲器Flash中，由表1可清楚地看出，查表法的運行速度比直接計算法要快得多。因此，在類似情況下，在進行數(shù)據(jù)傳輸要求生成32位CRC校驗碼時，應(yīng)該選擇查表法。

　　② 在某些應(yīng)用中，如果對硬件存儲器空間要求很高，并且在一定程度上對時間沒有特別高的要求時，可以采用直接計算法，以避免查表法中CRC生成表對存儲器空間的占用。

　?、?雖然實驗結(jié)果對32位CRC校驗碼的兩種算法進行了對比，但是所得到的結(jié)論也適用于8位、16位、24位CRC校驗碼。

結(jié) 語

　　CRC循環(huán)冗余校驗碼是一種方便、有效、快速的校驗方法，被廣泛應(yīng)用在許多實際工程中。文中所列的兩種算法——查表法和直接計算法，都可以得到CRC校驗碼；但是它們各有特點，在工程應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)實際需要選擇最適合的方法，以得到最優(yōu)的效果。