CRC校验原理与程序设计——(RS485总线系统应用之1)

1.1 CRC的基本概念：

CRC是英文Cyclical Redundancy Check的缩写，翻译成中文通常称作循环冗余校验或简称为CRC校验。它是数据传输领域中最常用的一种差错校验方法，其特点是传输数据和CRC校验值的长度可以任意选定。在当今手机、计算机和数码产品普及的信息数字化时代，CRC校验无处不在。CRC分为多种标准，例如：CRC -12码通常用来传送6-bit字符串。CRC-16及CRC-CCITT码则用是来传送8-bit字符，其中CRC-16多为美国采用，而CRC-CCITT多为欧洲国家所采用。而CRC-32码大都被应用在Point-to-Point的同步传输中。更多的CRC校验标准类型参见附表：CRC校验标准类型。

1.2 CRC校验的基本原理：

    在代数编码理论中，一个数值可以表示为一个多项式。例如：一个十进制数值2892，可以用多项式表示为2x3 + 8x2 + 9x + 2(x=10)。同理，一个二进制数值1010101对应的多项式为x6 + x4 + x2 + 1(x=2)。

    生成CRC码的基本原理是：设被校验的数据为K位，校验码为R位，码字长度为N(=K+R)，则对于CRC码集中的任一码字，存在且仅存在一个R次多项式g(x)，使得

　　V(x)=A(x)g(x)=xRm(x) + r(x);

　　其中: m(x)为被校验数据的K-1次多项式

          r(x)为校验码的R-1次多项式

　　      g(x)称为生成多项式：g(x)=g0 + g1x1 + g2x2 + ... + g(R-1)x(R-1) + gRxR

    发送方通过指定的g(x)计算出CRC校验码，接收方则通过该g(x)来验证收到的CRC校验码。综上所述，一个完整的CRC校验过程是：

    发送方：根据要传送的K位原始数据(二进制码序列)，以标准指定的多项式计算出一个R位校验码(CRC码)，附在原始数据后边，构成一个新的二进制码序列共K + R位，然后发送出去。

    接收方：将接收到的数据除以与发送方相同的多项式值，如果能够除尽，则正确，否则证明出错。还有另外一种处理，就是接收方用发送方相同的方法计算出接收到数据的CRC校验值，再与发送方发来的校验值比较，相同则正确，否则证明出错。

2. CRC校验码的计算步骤：

例如：有一个要发送的7位二进制数1011001；对应的m(x)=x6 + x4 + x3 + 1。设CRC校验码取4位并设g(x)=x4 + x + 1，则该多项式对应的值是10011。根据CRC规则，为保证被除数够除，首先需将要发送的数扩大2R 即24倍(左移4位)，得到10110010000，对应的xRm(x)=x10 + x8 + x7 + x4 。

    CRC校验码的生成本质其实就是采用模2除法取余数，该除法的简捷计算就是将除数和被除数按位做异或(相同为0，不同为1。0^0=0; 0^1=1; 1^0=1; 1^1=0)运算。需要注意的是，进行异或运算时除数必须和被除数最高有效位对齐。下面是将10110010000除以11001手工计算的演示，得到余数为1010，该值即是数据1011001的CRC校验值。

　　 10110010000            将1011001左移4位

　　 10011                  多项式值与被除数最高有效位对齐

　　=00101010000            第1次异或结果

　　   10011                多项式值与被除数最高有效位对齐

　　=00001100000            第2次异或结果

　　     10011              多项式值与被除数最高有效位对齐

　　=00000101100            第3次异或结果

　　      10011             多项式值与被除数最高有效位对齐

　　=00000001010            第4次异或结果

    为了简便计算机程序求解CRC，在实际应用中通常把多项式值的最高位舍掉，并且将参加计算的数据高低位颠倒后再计算。前面的演算数据颠倒后的运算情况如下：

    00001001101

          11001

    00001010100

        11001  

    00000110000

      11001   

    00110100000

     11001     

    01010000000

    提请注意：只有真正读懂以上手工演算的步骤和规律，才能理解下节内容。

3. CRC校验的程序设计

下面以最常用的CRC-16-IBM校验标准为例来说明CRC校验码的生成过程。 因为CRC-16码由两个字节构成，所以首先要准备一个16位的CRC寄存器，并将每一位都置1。具体的计算步骤为：

① 设置CRC寄存器，并给其赋值FFFFH。

② 将被校验数据的第一个字节(8Bit)与CRC寄存器的低8位进行异或，结果存CRC寄存器。

③ CRC寄存器的值向右移一位，最高位(MSB)补零，检查移出的最低位(LSB)是否为1。

④ 如果LSB为0，重复第三步；若LSB为1，CRC寄存器与CRC16多项式值A001H相异或。

⑤ 重复第③与第④步，直到该字节的8次移位全部完成。

⑥ 如果被校验数据有多个字节，则重复第②至第⑤步直到所有数据全部处理完。

⑦ 最终CRC寄存器的内容即为CRC值。

3.1 用查表法求CRC函数的程序

    查表法省去了将被校验数据移位并与多项式异或计算的步骤，因此比计算法更快捷，但程序编码量偏大。

3.1.1 用VC编写的程序

unsigned short CRC16(puchMsg, usDataLen)

unsigned char * puchMsg ;                    

unsigned short usDataLen ;                   

{

 unsigned char uchCRCHi = 0xFF ;            

 unsigned char uchCRCLo = 0xFF ;            

 unsigned uIndex ;                          

 while (usDataLen--)                        

  {

    uIndex = uchCRCLo ^ * puchMsg++ ;        

    uchCRCLo = uchCRCHi ^ auchCRCLo [uIndex] ;

    uchCRCHi = auchCRCHi [uIndex] ;

  }

  return (uchCRCLo << 8 | uchCRCHi) ;

}

static char auchCRCHi[] = {

  0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, 0xC6, 0x06,

  0x07, 0xC7, 0x05, 0xC5, 0xC4, 0x04, 0xCC, 0x0C, 0x0D, 0xCD,

  0x0F, 0xCF, 0xCE, 0x0E, 0x0A, 0xCA, 0xCB, 0x0B, 0xC9, 0x09,

  0x08, 0xC8, 0xD8, 0x18, 0x19, 0xD9, 0x1B, 0xDB, 0xDA, 0x1A,

  0x1E, 0xDE, 0xDF, 0x1F, 0xDD, 0x1D, 0x1C, 0xDC, 0x14, 0xD4,

  0xD5, 0x15, 0xD7, 0x17, 0x16, 0xD6, 0xD2, 0x12, 0x13, 0xD3,

  0x11, 0xD1, 0xD0, 0x10, 0xF0, 0x30, 0x31, 0xF1, 0x33, 0xF3,

  0xF2, 0x32, 0x36, 0xF6, 0xF7, 0x37, 0xF5, 0x35, 0x34, 0xF4,

  0x3C, 0xFC, 0xFD, 0x3D, 0xFF, 0x3F, 0x3E, 0xFE, 0xFA, 0x3A,

  0x3B, 0xFB, 0x39, 0xF9, 0xF8, 0x38, 0x28, 0xE8, 0xE9, 0x29,

  0xEB, 0x2B, 0x2A, 0xEA, 0xEE, 0x2E, 0x2F, 0xEF, 0x2D, 0xED,

  0xEC, 0x2C, 0xE4, 0x24, 0x25, 0xE5, 0x27, 0xE7, 0xE6, 0x26,

  0x22, 0xE2, 0xE3, 0x23, 0xE1, 0x21, 0x20, 0xE0, 0xA0, 0x60,

  0x61, 0xA1, 0x63, 0xA3, 0xA2, 0x62, 0x66, 0xA6, 0xA7, 0x67,

  0xA5, 0x65, 0x64, 0xA4, 0x6C, 0xAC, 0xAD, 0x6D, 0xAF, 0x6F,

  0x6E, 0xAE, 0xAA, 0x6A, 0x6B, 0xAB, 0x69, 0xA9, 0xA8, 0x68,

  0x78, 0xB8, 0xB9, 0x79, 0xBB, 0x7B, 0x7A, 0xBA, 0xBE, 0x7E,

  0x7F, 0xBF, 0x7D, 0xBD, 0xBC, 0x7C, 0xB4, 0x74, 0x75, 0xB5,

  0x77, 0xB7, 0xB6, 0x76, 0x72, 0xB2, 0xB3, 0x73, 0xB1, 0x71,

  0x70, 0xB0, 0x50, 0x90, 0x91, 0x51, 0x93, 0x53, 0x52, 0x92,

  0x96, 0x56, 0x57, 0x97, 0x55, 0x95, 0x94, 0x54, 0x9C, 0x5C,

  0x5D, 0x9D, 0x5F, 0x9F, 0x9E, 0x5E, 0x5A, 0x9A, 0x9B, 0x5B,

  0x99, 0x59, 0x58, 0x98, 0x88, 0x48, 0x49, 0x89, 0x4B, 0x8B,

  0x8A, 0x4A, 0x4E, 0x8E, 0x8F, 0x4F, 0x8D, 0x4D, 0x4C, 0x8C,

  0x44, 0x84, 0x85, 0x45, 0x87, 0x47, 0x46, 0x86, 0x82, 0x42,

  0x43, 0x83, 0x41, 0x81, 0x80, 0x40 } ;

static unsigned char auchCRCLo[] = {

  0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,

  0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

  0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,

  0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

  0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,

  0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

  0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,

  0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

  0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,

  0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

  0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,

  0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

  0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,

  0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

  0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,

  0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

  0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,

  0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

  0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,

  0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

  0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,

  0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

  0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,

  0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

  0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,

  0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40 } ;

3.1.2 用VB编写的程序

Private Function CRC16(data() As Byte) As String

　Dim CRC16Hi As Byte

　Dim CRC16Lo As Byte

　CRC16Hi = &HFF

　CRC16Lo = &HFF

　Dim i As Integer

　Dim iIndex As Long

　For i = 0 To UBound(data)

　　iIndex = CRC16Lo Xor data(i)

　　CRC16Lo = CRC16Hi Xor GetCRCLo(iIndex)    ’低位处理

CRC16Hi = GetCRCHi(iIndex)                ’高位处理

　Next i

　Dim ReturnData(1) As Byte

　ReturnData(0) = CRC16Hi                     ’CRC高位

　ReturnData(1) = CRC16Lo                     ’CRC低位

　CRC16 = ReturnData

End Function

Function GetCRCHi(Ind As Long) As Byte     ’CRC高位字节值表

GetCRCHi = Choose(Ind + 1,_

  &H00, &HC0, &HC1, &H01, &HC3, &H03, &H02, &HC2, &HC6, &H06,_

  &H07, &HC7, &H05, &HC5, &HC4, &H04, &HCC, &H0C, &H0D, &HCD,_

  &H0F, &HCF, &HCE, &H0E, &H0A, &HCA, &HCB, &H0B, &HC9, &H09,_

  &H08, &HC8, &HD8, &H18, &H19, &HD9, &H1B, &HDB, &HDA, &H1A,_

  &H1E, &HDE, &HDF, &H1F, &HDD, &H1D, &H1C, &HDC, &H14, &HD4,_

  &HD5, &H15, &HD7, &H17, &H16, &HD6, &HD2, &H12, &H13, &HD3,_

  &H11, &HD1, &HD0, &H10, &HF0, &H30, &H31, &HF1, &H33, &HF3,_

  &HF2, &H32, &H36, &HF6, &HF7, &H37, &HF5, &H35, &H34, &HF4,_

  &H3C, &HFC, &HFD, &H3D, &HFF, &H3F, &H3E, &HFE, &HFA, &H3A,_

  &H3B, &HFB, &H39, &HF9, &HF8, &H38, &H28, &HE8, &HE9, &H29,_

  &HEB, &H2B, &H2A, &HEA, &HEE, &H2E, &H2F, &HEF, &H2D, &HED,_

  &HEC, &H2C, &HE4, &H24, &H25, &HE5, &H27, &HE7, &HE6, &H26,_

  &H22, &HE2, &HE3, &H23, &HE1, &H21, &H20, &HE0, &HA0, &H60,_

  &H61, &HA1, &H63, &HA3, &HA2, &H62, &H66, &HA6, &HA7, &H67,_

  &HA5, &H65, &H64, &HA4, &H6C, &HAC, &HAD, &H6D, &HAF, &H6F,_

  &H6E, &HAE, &HAA, &H6A, &H6B, &HAB, &H69, &HA9, &HA8, &H68,_

  &H78, &HB8, &HB9, &H79, &HBB, &H7B, &H7A, &HBA, &HBE, &H7E,_

  &H7F, &HBF, &H7D, &HBD, &HBC, &H7C, &HB4, &H74, &H75, &HB5,_

  &H77, &HB7, &HB6, &H76, &H72, &HB2, &HB3, &H73, &HB1, &H71,_

  &H70, &HB0, &H50, &H90, &H91, &H51, &H93, &H53, &H52, &H92,_

  &H96, &H56, &H57, &H97, &H55, &H95, &H94, &H54, &H9C, &H5C,_

  &H5D, &H9D, &H5F, &H9F, &H9E, &H5E, &H5A, &H9A, &H9B, &H5B,_

  &H99, &H59, &H58, &H98, &H88, &H48, &H49, &H89, &H4B, &H8B,_

  &H8A, &H4A, &H4E, &H8E, &H8F, &H4F, &H8D, &H4D, &H4C, &H8C,_

  &H44, &H84, &H85, &H45, &H87, &H47, &H46, &H86, &H82, &H42,_

  &H43, &H83, &H41, &H81, &H80, &H40)

End Function

Function GetCRCLo(Ind As Long) As Byte     ’CRC低位字节值表

GetCRCLo = Choose(Ind + 1,_

  &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H01, &HC0,_

  &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41,_

  &H00, &HC1, &H81, &H40, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0,_

  &H80, &H41, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40,_

  &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H00, &HC1,_

  &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H01, &HC0, &H80, &H41,_

  &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H00, &HC1,_

  &H81, &H40, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41,_

  &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H01, &HC0,_

  &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H00, &HC1, &H81, &H40,_

  &H01, &HC0, &H80, &H41, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H00, &HC1,_

  &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40,_

  &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H01, &HC0,_

  &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H00, &HC1, &H81, &H40,_

  &H01, &HC0, &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0,_

  &H80, &H41, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40,_

  &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H01, &HC0,_

  &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41,_

  &H00, &HC1, &H81, &H40, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0,_

  &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41,_

  &H01, &HC0, &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0,_

  &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H00, &HC1, &H81, &H40,_

  &H01, &HC0, &H80, &H41, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H00, &HC1,_

  &H81, &H40, &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41,_

  &H00, &HC1, &H81, &H40, &H01, &HC0, &H80, &H41, &H01, &HC0,_

  &H80, &H41, &H00, &HC1, &H81, &H40)
End Function

3.2 用计算法求CRC函数的程序

    计算法的优点是程序编码量小，虽然比查表法速度偏慢，但当被校验的数据量不大时并不明显。

3.2.1 用VC编写的程序

unsigned short CRC16(unsigned char buf[], int n)

{

   unsigned short crc = 0xffff ;

   for(i = 0; i < n; i++)

   {

      crc ^ = buf[i] ;

      for(b = 0; b < 8; b++)

     {

        bool f = crc & 1 ;

        crc >> = 1 ;

        if(f)

        crc ^ = 0xa001 ;

      }

    }

   return(crc) ;

}

3.2.2 用VB编写的程序

Function CRC16(Data() As Byte, No As Integer, CRC16Lo As Byte, CRC16Hi As Byte) As String

   Dim CL As Byte, CH As Byte, SaveLo As Byte, SaveHi As Byte

   CRC16Hi = &HFF                            '为16位CRC校验寄存器赋初始值 FFFF

   CRC16Lo = &HFF

   CH = &HA0                                 '为16位CRC校验多项式赋初始值 A001

   CL = &H1

   For i = 1 To No

      CRC16Lo = CRC16Lo Xor Data(i - 1)      '每一个数据与CRC寄存器进行异或

      For j = 1 To 8

         SaveHi = CRC16Hi

         SaveLo = CRC16Lo

         CRC16Hi = CRC16Hi 2               '高位右移一位

         CRC16Lo = CRC16Lo 2               '低位右移一位

         If ((SaveHi And &H1) = &H1) Then    '如果高位字节最右一位为1

            CRC16Lo = CRC16Lo Or &H80        '则低位字节最左一位补1，否则自动补0

         End If

         If ((SaveLo And &H1) = &H1) Then    '如低位字节最右一位为1，则与多项式值异或

            CRC16Hi = CRC16Hi Xor CH

            CRC16Lo = CRC16Lo Xor CL

         End If

      Next j

   Next i

End Function

参考文献：

① GB/T 19582.1-2008《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》

②《Modbus协议中文版》  可在互联网上下载

附表：  CRC校验标准类型