巡回冗長検査(じゅんかいじょうちょうけんさ、Cyclic Redundancy Check:CRC)は、取得したデータに異常がないことを確認するために用いる誤り検出符号です。主にデータ通信の分野でよく用いられていて、USBやBluetooth、TCP/IPからCANやModbusまで主要なプロトコルに採用されています。またデータ通信以外でも、不揮発性メモリーなどに記録するデータに付加したりもします。
CRCの計算サイト
ちょっとお試しでCRCを計算したいときは、下記のウェブサイトがおすすめです。JavaScriptでCRCの計算を行ってくれます。またCRCテーブルも表示するので、ソースコードに埋め込むのに利用できます。
CRCがあるとき、ないとき
それではCRCがあると、どういうメリットがあるのか見て行きましょう。
CRCがないとき
明日の集合は何時だっけ?
8時50分だよ
今8時50分って言ったかな?
もう1回お願い!
8時50分だよ
やっぱり8時50分だ
わかった、8時50分だね
通信途中のデータは、ノイズ等の影響を受けて崩れることがあります。このため正しくデータを受け取れたかを確認するためには、最低2回はデータを受け取って一致することを確認しないといけません。しかしデータの送受信を2往復するのはとても時間が掛かります。またトラフィックが増大するという問題もあります。
CRCがあるとき
明日の集合は何時だっけ?
8時50分 [CRC : ABCD] だよ
今8時50分って聞こえたけどあってるかな?
CRCを計算してみよう
CRCがABCDになった、一致してる!
わかった、8時50分だね
このようにデータにCRCを付加すると、受け取った側でデータの成否を判断できます。CRCを計算する処理時間は必要になりますが、データの送受信を2往復するのに比べればはるかに短い時間で済むのです。
CRCの設定
CRCにはいくつかの設定があります。これらを送信側と受信側で揃えることで、初めてCRCは機能します。
- ビット数
まずは検査対象とする最大データ長に合わせて、ビット数を下記のとおり決定します。
256バイト以下:CRC-8
512バイト以下:CRC-16
1024バイト以下:CRC-32
2048バイト以下:CRC-64 - 生成多項式
ビット数毎に代表的な多項式がすでにあるので、その中から選択するのが良いかと思います。Wikipediaにいくつか代表例があるので参考にしてください。 - その他
代表例から選択すると基本的に考えるまでもなく決まりますが、下記の設定が必要です。
・初期値
・シフト方向
・出力XOR
・入力反転有無
・出力反転有無
サンプルコード
[crc.c]
/**
* @file crc.c
* @brief CRC
*/
//------------------------------------------------------------------------------
// include
//------------------------------------------------------------------------------
#include "crc.h"
#include "bitwise.h"
/** ----------------------------------------------------------------------------
* @brief CRC-8テーブルの作成
*
* @param [in] param : 演算設定
*/
void Make_CRC8Table(const CRC8_PARAMETER *param)
{
uint8_t c, j;
uint16_t i;
if (param->shift_dir == ShiftLeft) {
for (i = 0; i < 256; i++) {
c = (uint8_t)i;
for (j = 0; j < 8; j++) {
if ((uint8_t)(c & 0x80) == 0U) {
c <<= 1;
} else {
c = (uint8_t)(c << 1) ^ param->polynomial;
}
}
param->ptable[i] = c;
}
} else {
for (i = 0; i < 256; i++) {
c = (uint8_t)i;
for (j = 0; j < 8; j++) {
if ((uint8_t)(c & 0x01) == 0U) {
c >>= 1;
} else {
c = param->polynomial ^ (uint8_t)(c >> 1);
}
}
param->ptable[i] = c;
}
}
}
/** ----------------------------------------------------------------------------
* @brief CRC-16テーブルの作成
*
* @param [in] param : 演算設定
*/
void Make_CRC16Table(const CRC16_PARAMETER *param)
{
uint8_t j;
uint16_t c;
uint16_t i;
if (param->shift_dir == ShiftLeft) {
for (i = 0; i < 256; i++) {
c = (uint16_t)(i << 8);
for (j = 0; j < 8; j++) {
if ((uint16_t)(c & 0x8000) == 0U) {
c <<= 1;
} else {
c = (uint16_t)(c << 1) ^ param->polynomial;
}
}
param->ptable[i] = c;
}
} else {
for (i = 0; i < 256; i++) {
c = i;
for (j = 0; j < 8; j++) {
if ((uint16_t)(c & 0x0001) == 0U) {
c >>= 1;
} else {
c = param->polynomial ^ (uint16_t)(c >> 1);
}
}
param->ptable[i] = c;
}
}
}
/** ----------------------------------------------------------------------------
* @brief CRC-32テーブルの作成
*
* @param [in] param : 演算設定
*/
void Make_CRC32Table(const CRC32_PARAMETER *param)
{
uint8_t j;
uint32_t c;
uint32_t i;
if (param->shift_dir == ShiftLeft) {
for (i = 0; i < 256; i++) {
c = (uint32_t)(i << 24);
for (j = 0; j < 8; j++) {
if ((uint32_t)(c & 0x80000000) == 0UL) {
c <<= 1;
} else {
c = (uint32_t)(c << 1) ^ param->polynomial;
}
}
param->ptable[i] = c;
}
} else {
for (i = 0; i < 256; i++) {
c = i;
for (j = 0; j < 8; j++) {
if ((uint32_t)(c & 0x00000001) == 0UL) {
c >>= 1;
} else {
c = param->polynomial ^ (uint32_t)(c >> 1);
}
}
param->ptable[i] = c;
}
}
}
/** ----------------------------------------------------------------------------
* @brief CRC-8の計算
*
* @param [in] buf : データ
* @param len : データ長
* @param [in] param : 演算設定
* @return CRC-8
*/
uint8_t Calc_CRC8(const uint8_t buf[], size_t len, const CRC8_PARAMETER *param)
{
uint8_t c = param->initial_value;
uint8_t tmp;
size_t i;
if (param->shift_dir == ShiftLeft) {
for (i = 0; i < len; i++) {
tmp = buf[i];
if (param->reflect_input == true) {
tmp = Reverse_Bit8(tmp);
}
c = param->ptable[c ^ tmp];
}
} else {
for (i = 0; i < len; i++) {
tmp = buf[i];
if (param->reflect_input == true) {
tmp = Reverse_Bit8(tmp);
}
c = param->ptable[c ^ tmp] ^ c;
}
}
c ^= param->final_xor;
if (param->reflect_output == true) {
c = Reverse_Bit8(c);
}
return c;
}
/** ----------------------------------------------------------------------------
* @brief CRC-16の計算
*
* @param [in] buf : データ
* @param len : データ長
* @param [in] param : 演算設定
* @return CRC-16
*/
uint16_t Calc_CRC16(const uint8_t buf[], size_t len, const CRC16_PARAMETER *param)
{
uint8_t adr, tmp;
uint16_t c = param->initial_value;
size_t i;
if (param->shift_dir == ShiftLeft) {
for (i = 0; i < len; i++) {
tmp = buf[i];
if (param->reflect_input == true) {
tmp = Reverse_Bit8(tmp);
}
adr = (uint8_t)((uint8_t)(c >> 8) ^ tmp) & 0xff;
c = (uint16_t)(c << 8) ^ param->ptable[adr];
}
} else {
for (i = 0; i < len; i++) {
tmp = buf[i];
if (param->reflect_input == true) {
tmp = Reverse_Bit8(tmp);
}
adr = (uint8_t)(c ^ tmp) & 0xFF;
c = param->ptable[adr] ^ (uint16_t)(c >> 8);
}
}
c ^= param->final_xor;
if (param->reflect_output == true) {
c = Reverse_Bit16(c);
}
return c;
}
/** ----------------------------------------------------------------------------
* @brief CRC-32の計算
*
* @param [in] buf : データ
* @param len : データ長
* @param [in] param : 演算設定
* @return CRC-32
*/
uint32_t Calc_CRC32(const uint8_t buf[], size_t len, const CRC32_PARAMETER *param)
{
uint8_t adr, tmp;
uint32_t c = param->initial_value;
size_t i;
if (param->shift_dir == ShiftLeft) {
for (i = 0; i < len; i++) {
tmp = buf[i];
if (param->reflect_input == true) {
tmp = Reverse_Bit8(tmp);
}
adr = (uint8_t)((uint8_t)(c >> 24) ^ tmp) & 0xff;
c = (uint32_t)(c << 8) ^ param->ptable[adr];
}
} else {
for (i = 0; i < len; i++) {
tmp = buf[i];
if (param->reflect_input == true) {
tmp = Reverse_Bit8(tmp);
}
adr = (uint8_t)(c ^ tmp) & 0xFF;
c = param->ptable[adr] ^ (uint32_t)(c >> 8);
}
}
c ^= param->final_xor;
if (param->reflect_output == true) {
c = Reverse_Bit32(c);
}
return c;
}
[crc.h]
#ifndef CRCH
#define CRCH
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
//------------------------------------------------------------------------------
// include
//------------------------------------------------------------------------------
#include <stdbool.h>
#include <stddef.h>
#include <stdint.h>
//------------------------------------------------------------------------------
// define
//------------------------------------------------------------------------------
//! シフト方向
typedef enum
{
ShiftLeft, //!< 左シフト
ShiftRight //!< 右シフト
} SHIFT_DIRECTION;
//! CRC-8の演算パラメーター
typedef struct
{
bool reflect_input; //!< 入力反転 [true=Yes / false=No]
bool reflect_output; //!< 出力反転 [true=Yes / false=No]
uint8_t polynomial; //!< 多項式
uint8_t initial_value; //!< 初期値
uint8_t final_xor; //!< 出力XOR
uint8_t *ptable; //!< テーブルのポインター
SHIFT_DIRECTION shift_dir; //!< シフト方向
} CRC8_PARAMETER;
//! CRC-16の演算パラメーター
typedef struct
{
bool reflect_input; //!< 入力反転 [true=Yes / false=No]
bool reflect_output; //!< 出力反転 [true=Yes / false=No]
uint16_t polynomial; //!< 多項式
uint16_t initial_value; //!< 初期値
uint16_t final_xor; //!< 出力XOR
uint16_t *ptable; //!< テーブルのポインター
SHIFT_DIRECTION shift_dir; //!< シフト方向
} CRC16_PARAMETER;
//! CRC-32の演算パラメーター
typedef struct
{
bool reflect_input; //!< 入力反転 [true=Yes / false=No]
bool reflect_output; //!< 出力反転 [true=Yes / false=No]
uint32_t polynomial; //!< 多項式
uint32_t initial_value; //!< 初期値
uint32_t final_xor; //!< 出力XOR
uint32_t *ptable; //!< テーブルのポインター
SHIFT_DIRECTION shift_dir; //!< シフト方向
} CRC32_PARAMETER;
//------------------------------------------------------------------------------
// function
//------------------------------------------------------------------------------
void Make_CRC8Table(const CRC8_PARAMETER *param);
void Make_CRC16Table(const CRC16_PARAMETER *param);
void Make_CRC32Table(const CRC32_PARAMETER *param);
uint8_t Calc_CRC8(const uint8_t buf[], size_t len, const CRC8_PARAMETER *param);
uint16_t Calc_CRC16(const uint8_t buf[], size_t len, const CRC16_PARAMETER *param);
uint32_t Calc_CRC32(const uint8_t buf[], size_t len, const CRC32_PARAMETER *param);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif
「bitwise.h」については下記ページを参照してください。
サンプルコードの使用例
使用例代わりに、CppUTestによるテストコードを掲載しておきます。
CRCを計算する際には、処理速度を上げるために変換テーブルを用いるのが一般的です。この変換テーブルを作成するのが「Make_CRCxxTable」であり、CRC演算を行うまでに1度だけ実行しておく必要があります。
#include "CppUTest/TestHarness.h"
#include "crc.h"
// clang-format off
TEST_GROUP(crc){
TEST_SETUP(){
}
TEST_TEARDOWN(){
}
};
// clang-format on
TEST(crc, Test_CRC8_Maxim)
{
uint8_t data[] = "123456789";
uint8_t crc8;
uint8_t table[256];
CRC8_PARAMETER crc_param;
crc_param.reflect_input = true;
crc_param.reflect_output = true;
crc_param.polynomial = 0x31;
crc_param.initial_value = 0x00;
crc_param.final_xor = 0x00;
crc_param.ptable = table;
crc_param.shift_dir = ShiftLeft;
Make_CRC8Table(&crc_param);
crc8 = Calc_CRC8(data, 9, &crc_param);
UNSIGNED_LONGS_EQUAL(crc8, 0xA1);
}
TEST(crc, Test_CRC16_Modbus)
{
uint8_t data[] = "123456789";
uint16_t crc16;
uint16_t table[256];
CRC16_PARAMETER crc_param;
crc_param.reflect_input = true;
crc_param.reflect_output = true;
crc_param.polynomial = 0x8005;
crc_param.initial_value = 0xffff;
crc_param.final_xor = 0x0000;
crc_param.ptable = table;
crc_param.shift_dir = ShiftLeft;
Make_CRC16Table(&crc_param);
crc16 = Calc_CRC16(data, 9, &crc_param);
UNSIGNED_LONGS_EQUAL(crc16, 0x4B37);
}
TEST(crc, Test_CRC32)
{
uint8_t data[] = "123456789";
uint32_t crc32;
uint32_t table[256];
CRC32_PARAMETER crc_param;
crc_param.reflect_input = true;
crc_param.reflect_output = true;
crc_param.polynomial = 0x04C11DB7;
crc_param.initial_value = 0xffffffff;
crc_param.final_xor = 0xffffffff;
crc_param.ptable = table;
crc_param.shift_dir = ShiftLeft;
Make_CRC32Table(&crc_param);
crc32 = Calc_CRC32(data, 9, &crc_param);
UNSIGNED_LONGS_EQUAL(crc32, 0xCBF43926);
}
CRCテーブルの保持先
上記使用例では、CRCテーブルを変数に格納しています。これがRAM容量の少ないマイコンでは大きな障害となります。CRC-32では、テーブルだけで1KBも消費してしまうのです。この対策として次の2つの手段があります。
- 変換テーブルをROMに格納する
-
テーブルをRAMで持つのではなく、ROMに持たせます。通常一製品内で使用するCRCの種類は1つか2つ程度で、かつ生成多項式は固定です。このため下記のように定数として定義することで、テーブルをROMに持たせることができます。
// CRC-16-Modbus const uint16_t crc16_table[256] = { 0x0000, 0x8005, 0x800F, 0x000A, 0x801B, 0x001E, 0x0014, 0x8011, 0x8033, 0x0036, 0x003C, 0x8039, 0x0028, 0x802D, 0x8027, 0x0022, 0x8063, 0x0066, 0x006C, 0x8069, 0x0078, 0x807D, 0x8077, 0x0072, 0x0050, 0x8055, 0x805F, 0x005A, 0x804B, 0x004E, 0x0044, 0x8041, 0x80C3, 0x00C6, 0x00CC, 0x80C9, 0x00D8, 0x80DD, 0x80D7, 0x00D2, 0x00F0, 0x80F5, 0x80FF, 0x00FA, 0x80EB, 0x00EE, 0x00E4, 0x80E1, 0x00A0, 0x80A5, 0x80AF, 0x00AA, 0x80BB, 0x00BE, 0x00B4, 0x80B1, 0x8093, 0x0096, 0x009C, 0x8099, 0x0088, 0x808D, 0x8087, 0x0082, 0x8183, 0x0186, 0x018C, 0x8189, 0x0198, 0x819D, 0x8197, 0x0192, 0x01B0, 0x81B5, 0x81BF, 0x01BA, 0x81AB, 0x01AE, 0x01A4, 0x81A1, 0x01E0, 0x81E5, 0x81EF, 0x01EA, 0x81FB, 0x01FE, 0x01F4, 0x81F1, 0x81D3, 0x01D6, 0x01DC, 0x81D9, 0x01C8, 0x81CD, 0x81C7, 0x01C2, 0x0140, 0x8145, 0x814F, 0x014A, 0x815B, 0x015E, 0x0154, 0x8151, 0x8173, 0x0176, 0x017C, 0x8179, 0x0168, 0x816D, 0x8167, 0x0162, 0x8123, 0x0126, 0x012C, 0x8129, 0x0138, 0x813D, 0x8137, 0x0132, 0x0110, 0x8115, 0x811F, 0x011A, 0x810B, 0x010E, 0x0104, 0x8101, 0x8303, 0x0306, 0x030C, 0x8309, 0x0318, 0x831D, 0x8317, 0x0312, 0x0330, 0x8335, 0x833F, 0x033A, 0x832B, 0x032E, 0x0324, 0x8321, 0x0360, 0x8365, 0x836F, 0x036A, 0x837B, 0x037E, 0x0374, 0x8371, 0x8353, 0x0356, 0x035C, 0x8359, 0x0348, 0x834D, 0x8347, 0x0342, 0x03C0, 0x83C5, 0x83CF, 0x03CA, 0x83DB, 0x03DE, 0x03D4, 0x83D1, 0x83F3, 0x03F6, 0x03FC, 0x83F9, 0x03E8, 0x83ED, 0x83E7, 0x03E2, 0x83A3, 0x03A6, 0x03AC, 0x83A9, 0x03B8, 0x83BD, 0x83B7, 0x03B2, 0x0390, 0x8395, 0x839F, 0x039A, 0x838B, 0x038E, 0x0384, 0x8381, 0x0280, 0x8285, 0x828F, 0x028A, 0x829B, 0x029E, 0x0294, 0x8291, 0x82B3, 0x02B6, 0x02BC, 0x82B9, 0x02A8, 0x82AD, 0x82A7, 0x02A2, 0x82E3, 0x02E6, 0x02EC, 0x82E9, 0x02F8, 0x82FD, 0x82F7, 0x02F2, 0x02D0, 0x82D5, 0x82DF, 0x02DA, 0x82CB, 0x02CE, 0x02C4, 0x82C1, 0x8243, 0x0246, 0x024C, 0x8249, 0x0258, 0x825D, 0x8257, 0x0252, 0x0270, 0x8275, 0x827F, 0x027A, 0x826B, 0x026E, 0x0264, 0x8261, 0x0220, 0x8225, 0x822F, 0x022A, 0x823B, 0x023E, 0x0234, 0x8231, 0x8213, 0x0216, 0x021C, 0x8219, 0x0208, 0x820D, 0x8207, 0x0202, };
- テーブルを使用しない
-
ROMにもRAMにも余裕がない場合、テーブルを使用せずビット演算するという方法もあります。ここでは紹介しませんが、演算速度を犠牲にすることで取れる対策があることを、記憶の片隅に留めておくと良いでしょう。
コメント