常見image格式(hex/s19)如何校驗？且看Checksum

今天痞子衡繼續(xù)給大家介紹針對 packet 校驗的最簡單的校驗法 - 即和校驗法。

一、和校驗法基本原理

1.1 校驗依據(jù)

和校驗法的校驗依據(jù)就是判斷一次傳輸?shù)?n bytes 組成的 packet 的所有 byte 累加和結(jié)果（僅截取低 byte）在傳輸前后是否一致。

1.2 和校驗位

為了實現(xiàn)和校驗，通常會在傳輸?shù)倪@組 n bytes 數(shù)據(jù)最后插入一個額外的和校驗字節(jié)(byte)，用它來記錄這組數(shù)據(jù)累加和的低 byte 結(jié)果。

1.3 校驗方法

前面講到和校驗位實際上是 n bytes 數(shù)據(jù)包的累加和，那么一包數(shù)據(jù)的長度 n 到底怎么確定呢？為了確定 n，我們通常會在一包數(shù)據(jù)開始的時候額外插入一個信息位標明當前數(shù)據(jù)包長度。
　　

在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)包是一包一包連續(xù)發(fā)送的，如果傳輸過程中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，則會引起數(shù)據(jù)包的錯位導(dǎo)致接下來一連串數(shù)據(jù)包的解析錯誤，如何及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包錯位呢？我們通常還會在數(shù)據(jù)包最開始的時候再額外插入一個信息位標明一包數(shù)據(jù)的開始，這個信息位也叫作起始標志字節(jié)。
　　

所以最終完整的數(shù)據(jù)包變成如下格式：

起始標志字節(jié)(1 byte)    長度字節(jié)(1-2 byte)    原始數(shù)據(jù)位(n bytes)    和校驗字節(jié)(1 byte)
　　

有了上述前導(dǎo)信息位，我們便可以準確找到一包數(shù)據(jù)中的原始數(shù)據(jù)位進行累加計算得出和，然后與數(shù)據(jù)包中的校驗和字節(jié)進行比較驗證當前包數(shù)據(jù)的正確性。
　　

需要注意的是，對于校驗和字節(jié)，有時候并不一定是數(shù)據(jù)位所有字節(jié)之和結(jié)果的原碼，也有可能是反碼或補碼（關(guān)于三者區(qū)別，請參考痞子衡另一篇文章《整數(shù)在計算機中的表示》），需要結(jié)合不同校驗和應(yīng)用標準區(qū)別對待，否則會導(dǎo)致驗證結(jié)果有誤。

1.4 C 代碼實現(xiàn)

實際中校驗和字節(jié)為數(shù)據(jù)之和 byte 結(jié)果（認定被截斷的 bit9 為 1）的補碼應(yīng)用較多，因為在驗證數(shù)據(jù)包時，直接將所有數(shù)據(jù)連同校驗和字節(jié)直接相加得到 byte 結(jié)果為 0，即表示數(shù)據(jù)包正確。此處示例代碼以補碼校驗和為例：

安裝包:codeblocks-17.12mingw-setup.exe

集成環(huán)境:CodeBlocks 17.12 rev 11256

編譯器:GNU GCC 5.1.0

調(diào)試器:GNU gdb (GDB) 7.9.1

// checksum.c
//////////////////////////////////////////////////////////
#include <stdint.h>

enum _packet_constants
{
    kPacketStartByte = 0x5a
};

#pragma pack(1)
typedef struct _packet_header
{
    uint8_t startByte;
    uint8_t length;
} packet_header_t;
#pragma pack()

/*!
 * @brief 計算數(shù)據(jù)塊的 checksum（補碼）
 *
 * @param src， 待處理的數(shù)據(jù)塊 .
 * @param lenInBytes， 待處理的數(shù)據(jù)塊長度 .
 */
uint8_t get_checksum(uint8_t *src,
                     uint32_t lenInBytes)
{
    uint8_t checksum = 0;
    // 計算數(shù)據(jù)和，丟棄高 bytes
    while (lenInBytes--)
    {
        checksum += *src++;
    }
    // 轉(zhuǎn)換為補碼
    checksum = (~checksum) + 1;
    return checksum;
}

/*!
 * @brief 驗證數(shù)據(jù)包的 checksum
 *
 * @param src， 待處理的數(shù)據(jù)包 .
 * @retval 0， 數(shù)據(jù)包 checksum 校驗正確 .
 * @retval 1， 數(shù)據(jù)包起始標志字節(jié)錯誤 .
 * @retval 2， 數(shù)據(jù)包 checksum 校驗錯誤 .
 */
int32_t verify_packet(uint8_t *src)
{
    uint8_t sum = 0;
    packet_header_t *header = (packet_header_t *)src;
    // 校驗數(shù)據(jù)包頭
    if (header->startByte != kPacketStartByte)
    {
        return 1;
    }
    // 求所有數(shù)據(jù)及校驗字節(jié)之和
    for (uint32_t i = 0; i < header->length; i++)
    {
        sum += *(src + sizeof(packet_header_t) + i);
    }
    // 結(jié)果為非 0，則 checksum 錯誤
    if (sum)
    {
        return 2;
    }

    return 0;
}

// main.c
//////////////////////////////////////////////////////////
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "checksum.h"

int main(void)
{
    uint8_t packet[16];
    packet_header_t *header = (packet_header_t *)packet;
    // 填充包頭
    header->startByte = kPacketStartByte;
    header->length = sizeof(packet) - sizeof(packet_header_t);
    // 填充數(shù)據(jù)
    for (uint32_t i = sizeof(packet_header_t); i < header->length - 1; i++)
    {
        packet[i] = rand();
    }
    // 填充 checksum
    packet[sizeof(packet) - 1] = get_checksum(&packet[sizeof(packet_header_t)], header->length - 1);
    // 顯示 packet
    for (uint32_t i = 0; i < sizeof(packet); i++)
    {
        printf("packet[%d] = 0x%xn", i, packet[i]);
    }

    // 校驗 checksum
    int32_t res = verify_packet(packet);
    printf("check res = %dn", res);

    return 0;
}

1.5 行業(yè)應(yīng)用

和校驗由于實現(xiàn)簡單，檢錯性能也算理想，因此應(yīng)用十分廣泛，就嵌入式而言，比較典型的應(yīng)用是在各種 image 格式中。做過編程器或者下載器的朋友肯定會比較了解，常用的 image 格式有 hex、s19，這些 image 文件都是由多個數(shù)據(jù)包組成的，在下載 image 文件時需要對每一包進行和校驗。關(guān)于 image 文件詳情，可參考痞子衡的文章《ARM 開發(fā)中 image 文件詳解》。

二、和校驗法失效分析

在數(shù)據(jù)包傳輸中，如果只是單 byte 發(fā)生 bit 錯誤（無論多少個 bit 錯誤），和校驗法一定能夠識別出錯誤。即使有多個 byte 發(fā)生 bit 出錯，大部分情況下和校驗法也能正常檢出。但和校驗法有如下 3 個明顯的缺陷：

當多個 byte 發(fā)生的 bit 錯誤發(fā)生抵消現(xiàn)象（引起的增量和結(jié)果是 0x100 的倍數(shù)），無法識別錯誤。

當 packet 中 byte 數(shù)據(jù)順序發(fā)生調(diào)換時，無法識別錯誤。

不能糾錯，在發(fā)現(xiàn)錯誤后，只能要求重發(fā)。
　　

和校驗法雖然能夠校驗 packet，且有一定的錯誤 bit 檢測能力，但其是把 packet 當做無序數(shù)據(jù)包來處理的，有沒有其他比和校驗法更好且能夠校驗數(shù)據(jù)次序的檢錯方法呢？痞子衡在下篇會繼續(xù)聊。

至此，嵌入式里數(shù)據(jù)差錯控制技術(shù)之和校驗痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~