【问题标题】:8-bit fletcher checksum of 16 byte data16 字节数据的 8 位弗莱彻校验和
【发布时间】:2012-11-21 10:54:15
【问题描述】:

我正在尝试实现一个 8 位 fletcher 校验和函数。

我的数据总是 17 字节长。

我从Remake of Fletcher checksum from 32bit to 8的代码开始

这是我最终得到的:

// 8-bit Fletcher checksum
//   data is always 17 byte long
uint8_t fletcher(uint8_t *data) {
    uint8_t sum1 = 0x0f, sum2 = 0x0f, len = 17;

    while(len) {
        sum1 += *data++;
        sum2 += sum1;
        sum1 = (sum1 & 0x0f) + (sum1 >> 4);
        sum2 = (sum2 & 0x0f) + (sum2 >> 4);
        len--;
    }
    sum1 = (sum1 & 0x0f) + (sum1 >> 4);
    sum2 = (sum2 & 0x0f) + (sum2 >> 4);
    return sum2<<4 | sum1;
}

我想知道它是否好,我的印象是我可以进一步简化,但我找不到哪里(也许它毕竟无法进一步简化......)。

我的主要问题是这段代码看起来是否可以正常工作。我在基于无线的数据链路的两侧使用它,它将“工作”(从相同的数据返回相同的校验和),但可能在 fletcher 方式上是错误的,并且无法提供预期的错误检测......

希望我说得够清楚...

提前致谢!

【问题讨论】:

    标签: c microcontroller crc


    【解决方案1】:

    首先,Fletcher 的任何变体都不是 CRC。这是一个校验和。

    其次,只要算法正确,你处理的字节数没有什么特别的。

    第三,您不需要也不应该在每一步都进行模 15。对于速度(与 CRC 相比,这是 Fletcher 和的全部意义),应该有一个仅由 sum2 += sum1 += *data++; 组成的内部循环。根据sum1sum2 数据类型的大小,您可以计算在溢出sum2 之前可以进行多少次迭代,假设所有输入字节都是0xff。然后一个外循环运行该内循环多次,然后是两个模 15。外层循环遍历所有输入数据。

    第四,(x &gt;&gt; 4) + (x &amp; 0xf) 操作未完成预期的 x % 15,而 x 最终为 15。需要有一个最终的 if (x == 15) x = 0;

    更新:

    好的,代码如下:

    #include <stdio.h>
    
    #define MAXPART 5803    /* for 32-bit unsigned sum1, sum2 */
    /* #define MAXPART 22   for 16-bit unsigned sum1, sum2 */
    
    unsigned fletcher8(unsigned f8, unsigned char *data, size_t len)
    {
        unsigned long sum1, sum2;
        size_t part;
    
        sum1 = f8 & 0xf;
        sum2 = (f8 >> 4) & 0xf;
        while (len) {
            part = len > MAXPART ? MAXPART : len;
            len -= part;
            do {
                sum2 += sum1 += *data++;
            } while (--part);
            sum1 %= 15;
            sum2 %= 15;
        }
        return (sum2 << 4) + sum1;
    }
    
    #define SIZE 131072
    
    int main(void)
    {
        unsigned f8 = 1;
        unsigned char buf[SIZE];
        size_t got;
    
        while ((got = fread(buf, 1, SIZE, stdin)) > 0)
            f8 = fletcher8(f8, buf, got);
        printf("0x%02x\n", f8);
        return 0;
    }
    

    请注意,我在 1 而不是 0xff 开始了 Fletcher8 值。这足以确保任意长度的零字符串将产生相同的零结果。您可以将初始值设置为您喜欢的任何值,只要它不为零即可。

    如果机器上的模 (%) 运算非常慢,那么使用一组移位和加法执行 % 15 运算可能会更快。以下是 32 位类型的示例:

    k = (k >> 16) + (k & 0xffff);
    k = (k >> 8) + (k & 0xff);
    k = (k >> 4) + (k & 0xf);
    k = (k >> 4) + (k & 0xf);
    if (k > 14)
        k -= 15;
    

    对于len == 17 的上述情况,代码可以简化为使用unsigned 而不是unsigned long 用于sum1sum2,并从sum2 开始跳过外部循环。非%模运算也可以缩短。就是这样,我还消除了循环中不必要的递减操作:

    unsigned fletch8_17(unsigned char *data)
    {
        unsigned sum1 = 1;
        unsigned sum2 = 0;
        unsigned char *end = data + 17;
        do {
            sum2 += sum1 += *data++;
        } while (data < end);
        sum1 = (sum1 >> 8) + (sum1 & 0xff);
        sum1 = (sum1 >> 4) + (sum1 & 0xf);
        if (sum1 > 14) {
            sum1 -= 15;
            if (sum1 > 14)
                sum1 -= 15;
        }
        sum2 = (sum2 >> 8) + (sum2 & 0xff);
        sum2 = (sum2 >> 4) + (sum2 & 0xf);
        if (sum2 > 14) {
            sum2 -= 15;
            if (sum2 > 14)
                sum2 -= 15;
        }
        return (sum2 << 4) + sum1;
    }
    

    为了比较,你可以试试这个 8 位 CRC,看看它的速度比较(crc 应该初始化为零):

    #include <stddef.h>
    
    /* 8-bit CRC with polynomial x^8+x^6+x^3+x^2+1, 0x14D.
     Chosen based on Koopman, et al. (0xA6 in his notation = 0x14D >> 1):
     http://www.ece.cmu.edu/~koopman/roses/dsn04/koopman04_crc_poly_embedded.pdf
     */
    
    static unsigned char crc8_table[] = {
        0x00, 0x3e, 0x7c, 0x42, 0xf8, 0xc6, 0x84, 0xba, 0x95, 0xab, 0xe9, 0xd7,
        0x6d, 0x53, 0x11, 0x2f, 0x4f, 0x71, 0x33, 0x0d, 0xb7, 0x89, 0xcb, 0xf5,
        0xda, 0xe4, 0xa6, 0x98, 0x22, 0x1c, 0x5e, 0x60, 0x9e, 0xa0, 0xe2, 0xdc,
        0x66, 0x58, 0x1a, 0x24, 0x0b, 0x35, 0x77, 0x49, 0xf3, 0xcd, 0x8f, 0xb1,
        0xd1, 0xef, 0xad, 0x93, 0x29, 0x17, 0x55, 0x6b, 0x44, 0x7a, 0x38, 0x06,
        0xbc, 0x82, 0xc0, 0xfe, 0x59, 0x67, 0x25, 0x1b, 0xa1, 0x9f, 0xdd, 0xe3,
        0xcc, 0xf2, 0xb0, 0x8e, 0x34, 0x0a, 0x48, 0x76, 0x16, 0x28, 0x6a, 0x54,
        0xee, 0xd0, 0x92, 0xac, 0x83, 0xbd, 0xff, 0xc1, 0x7b, 0x45, 0x07, 0x39,
        0xc7, 0xf9, 0xbb, 0x85, 0x3f, 0x01, 0x43, 0x7d, 0x52, 0x6c, 0x2e, 0x10,
        0xaa, 0x94, 0xd6, 0xe8, 0x88, 0xb6, 0xf4, 0xca, 0x70, 0x4e, 0x0c, 0x32,
        0x1d, 0x23, 0x61, 0x5f, 0xe5, 0xdb, 0x99, 0xa7, 0xb2, 0x8c, 0xce, 0xf0,
        0x4a, 0x74, 0x36, 0x08, 0x27, 0x19, 0x5b, 0x65, 0xdf, 0xe1, 0xa3, 0x9d,
        0xfd, 0xc3, 0x81, 0xbf, 0x05, 0x3b, 0x79, 0x47, 0x68, 0x56, 0x14, 0x2a,
        0x90, 0xae, 0xec, 0xd2, 0x2c, 0x12, 0x50, 0x6e, 0xd4, 0xea, 0xa8, 0x96,
        0xb9, 0x87, 0xc5, 0xfb, 0x41, 0x7f, 0x3d, 0x03, 0x63, 0x5d, 0x1f, 0x21,
        0x9b, 0xa5, 0xe7, 0xd9, 0xf6, 0xc8, 0x8a, 0xb4, 0x0e, 0x30, 0x72, 0x4c,
        0xeb, 0xd5, 0x97, 0xa9, 0x13, 0x2d, 0x6f, 0x51, 0x7e, 0x40, 0x02, 0x3c,
        0x86, 0xb8, 0xfa, 0xc4, 0xa4, 0x9a, 0xd8, 0xe6, 0x5c, 0x62, 0x20, 0x1e,
        0x31, 0x0f, 0x4d, 0x73, 0xc9, 0xf7, 0xb5, 0x8b, 0x75, 0x4b, 0x09, 0x37,
        0x8d, 0xb3, 0xf1, 0xcf, 0xe0, 0xde, 0x9c, 0xa2, 0x18, 0x26, 0x64, 0x5a,
        0x3a, 0x04, 0x46, 0x78, 0xc2, 0xfc, 0xbe, 0x80, 0xaf, 0x91, 0xd3, 0xed,
        0x57, 0x69, 0x2b, 0x15};
    
    unsigned crc8(unsigned crc, unsigned char *data, size_t len)
    {
        unsigned char *end;
    
        if (len == 0)
            return crc;
        crc ^= 0xff;
        end = data + len;
        do {
            crc = crc8_table[crc ^ *data++];
        } while (data < end);
        return crc ^ 0xff;
    }
    

    8 位 CRC 肯定会比 8 位 Fletcher 校验和提供更好的错误检测性能。在这种情况下,它甚至可能更快!

    【讨论】:

    • 关于 CRC 与校验和的好点:p 你的意思是,如果我对 sum1 和 sum2 使用 16 位无符号整数,我可以将 while 循环重写为 while(len--) sum2 += sum1 += *data++;(我计算出我可以做到溢出前最多 22 次迭代)?如果是这样,返回语句之前的最后两行是什么?
    • 您计算的 22 是正确的。虽然取决于处理器,但使用 32 位整数类型可能会更好。无论如何,一旦达到极限,您可以直接使用 % 15 ,或者重复 (x & 0xf) + (x >> 4) 直到它小于 16,然后如果它是 15,则设置为零。无论哪个对您的处理器来说更快。
    • 感谢代码!处理器......嗯,非常非常有限......它是一个 8 位处理器,但它能够在几条指令中对 16 位数据进行加法/减法和移位。它不能以有效的方式管理 32 位整数。我的目标是在这个 8MHz 的野兽上尽可能快地计算校验和!既然我的数据长度固定为 17 个字节,我将尝试减少您的代码...
    【解决方案2】:

    您的代码看起来很像 Wikipedia 关于 Fletcher 校验和的文章的 Optimizations section 中给出的代码。我猜your source 从那里拿走了它,没有适当的归属。

    延迟减少

    您的代码看起来基本正确。但是,你总结的太多了。如果您的输入只有 17 个字节的数据,那么您的 sum2 的最大值将是 17*(17+1)/2*0xf + 0xf = 0x906,它适合 uint16_t。要将其减少到一个半字节,两个减少步骤就足够了。对于sum1,最大值为17*0xf + 0xf = 0x10e,这也需要减少两次。所以你可以写

    uint8_t fletcher(uint8_t *data) {
        uint16_t sum1 = 0xf, sum2 = 0xf, len = 17;
        while(len) {
            sum1 += *data++;
            sum2 += sum1;
            len--;
        };
        sum1 = (sum1 & 0x0f) + (sum1 >> 4);
        sum1 = (sum1 & 0x0f) + (sum1 >> 4);
        sum2 = (sum2 & 0x0f) + (sum2 >> 4);
        sum2 = (sum2 & 0x0f) + (sum2 >> 4);
        return sum2<<4 | sum1;
    }
    

    你可以对代码做进一步的“优化”,比如

    do { sum2 += ( sum1 += *data++ ); } while (--len);
    

    甚至手动展开该循环,但一个好的优化编译器应该会为您处理好这个问题。

    您可以根据其他输入长度调整上述注意事项。

    整个字节作为半字节流

    上述答案假设您的数据仅包含未打包的半字节,即最多使用每个字节的最低有效一半。我在这里可能错了,但我想如果你处理的是整个字节,最符合弗莱彻校验和精神的解决方案是将它们视为一个包含两倍多半字节的序列,例如

            sum1 += *data & 0xf;
            sum2 += sum1;
            sum1 += *data >> 4;
            sum2 += sum1;
            ++data;
            --len;
    

    可能有更有效的方法来编写这个作为更少的优化。您的编译器可能会也可能无法找到其中之一。

    校验和的质量

    但可能在 fletcher 方式上是错误的,并且无法提供预期的错误检测...

    我不确定 fletcher 校验和在这里到底有多大用处。也许一些具有 8 位输出的 real CRC 会更好地满足您在错误检查方面的需求。

    【讨论】:

    • 哎呀。输入数据是字节。发帖人没有说数据被限制为 0..0xf。那么你的16*(16+1)/2*0xf + 0xf = 0x807 应该是16*(16+1)/2*0xff + 0xf = 0x8787。然后需要三次迭代才能进行模 15。同样16*0xf + 0xf = 0xff 应该是16*0xff + 0xf = 0xfff。这也需要三个迭代。原始问题还说有 17 个字节的数据,而不是 16 个。所以上述数量应该多一点,但模数的三次迭代仍然足够。
    • 当。你的方向是正确的,但后来你掉进了沟里。 “最符合弗莱彻校验和的精神”的解决方案将花费正确解决方案的两倍多。如果所有数据字节都是0xff,只需将带有do { sum2 += sum1 += *data++} while (--part);', where part 的字节相加就小于sum2 溢出的数字。进行取模并重复循环,直到处理完 len 字节。
    • 顺便说一句,根据原始发帖人对我计算 22 的问题的评论,数据字节实际上是字节,而不是 nybbles。
    • “nybble”(注意“y”)是一个四位字的术语。与“字节”相比,“字节”是一个八位字。每个字节有两个 nybbles。可爱吧?
    • 好吧,维基百科和所谓的“nibble”当前常用用法是不正确的。我在 70 年代末和 80 年代初编写 8 位机器,而杂志中的原始术语和拼写(Byte、Dr. Dobbs 等)总是“nybble”。跨度>
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