痞子衡随笔：常用的数据传输差错检测技术（1）- 奇偶校验(Parity Check)

　　大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家讲的是嵌入式数据传输里的差错检测技术-奇偶校验。

　　在嵌入式应用里，除了最核心的数据处理外，我们还会经常和数据传输打交道。数据传输需要硬件传输接口的支持，串行接口由于占用引脚少的优点目前应用比并行接口广泛，常用的串行接口种类非常多，比如UART,SPI,I2C,USB等，在使用这些接口传输数据时避不可免会遇到一个问题，如果传输过程中遇到未知硬件干扰发生bit错误怎么办？

　　痞子衡今天给大家讲的就是数据传输过程中用于差错检测的最简单的方法，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传输的一组二进制数据中"1"的个数是奇数还是偶数，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。

　　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。

　　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：

// 获取当前byte的极性
// 如byte极性(含1的个数)为奇数，返回ture;否则返回false
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;
}

// 获取给定data的奇校验位
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;
}

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，我们只需要操作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。

　　有没有其他比奇偶校验法更好的检错方法？痞子衡在下篇会继续聊。

　　至此，嵌入式数据传输里的差错检测技术之奇偶校验痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~