C 语言比特填充

位填充是数字通信中广泛使用的一种技术，用于确保可靠的数据传输。简单来说，位填充涉及向传输的数据添加额外的位，以确保接收方能够准确地检测数据帧的开始和结束。这项技术在数据帧通过不可靠信道（例如无线网络或有噪声的铜线）传输的情况下特别有用。在本文中，我们将讨论 C 编程语言中的位填充以及如何使用按位运算符来实现它。

位填充的基本概念很简单。数据帧的发送方在传输数据中每连续五个1之后添加一个额外的位。这个添加的位始终是0，并且不会干扰正在传输的实际数据。数据帧的接收方随后查找连续六个1的这个序列，它表示数据帧的开始。然后，接收方从帧中提取数据，删除额外的0，并正常处理数据。添加和删除额外位的过程分别称为位填充和位去填充。

在 C 编程语言中，可以使用按位运算符来实现位填充。按位运算符用于操作字节内的单个位，字节是计算机可以处理的最小数据单位。 C 中有六个按位运算符：

• & (按位与)
• | (按位或)
• ^ (按位异或)
• ~ (按位非)
• << (按位左移)
• (按位右移)

这些运算符用于对字节内的单个位执行操作，例如将位设置为1，将位清除为0，或翻转位的布尔值。

现在我们将仔细研究如何在 C 编程语言中实现位填充。我们将从定义一个由六个字节组成的简单数据帧开始：

在此示例中，数据帧的第一个和最后一个字节分别是开始和结束标记。中间的四个字节代表正在传输的实际数据。

为了实现位填充，我们可以使用for 循环遍历数据帧中的每个字节。在循环内，我们可以使用if 语句检查当前字节是否包含连续五个1的序列。如果是，我们可以在连续五个1之后插入一个额外的0位。以下是实现位填充的代码：

说明

在此代码中，我们使用按位AND 操作来检查当前字节以及前一个和后一个字节是否包含连续五个1的序列。& 运算符返回一个值，其中在两个操作数都为1的每个位位置上都包含一个1。之后，我们将& 操作的结果与二进制值0xF8进行比较，该值表示五个连续1后跟一个0的序列。如果& 操作的结果与0xF8匹配，我们就知道当前字节包含连续五个1的序列。

要在连续五个1之后插入一个额外的0位，我们使用左移运算符（<<）来移动位填充数据帧中的位：

输出

此代码的输出将是：

7E FE 01 23 45 67 7E

说明

在此位填充数据帧中，我们可以看到在第二个字节（0xFE）的连续五个1之后插入了一个额外的0 位。额外的 0 位不会干扰正在传输的实际数据，但它确保接收方能够准确地检测数据帧的开始和结束。

要解填充位填充数据帧，接收方需要反转位填充过程。接收方需要查找连续六个1的序列，这表示数据帧的开始。之后，接收方可以从帧中提取数据，删除额外的 0 位，并正常处理数据。

以下是实现位去填充的代码：

在此代码中，我们使用按位 AND 操作来检查当前字节和前一个字节是否包含连续六个1的序列。& 运算符返回一个值，其中在两个操作数都为1的每个位位置上都包含一个1。之后，我们将& 操作的结果与二进制值0xFC进行比较，该值表示六个连续的 1 后跟两个 0 的序列。如果 & 操作的结果与0xFC匹配，我们就知道当前字节包含一个需要删除的额外 0 位。

要删除额外的0 位，我们使用右移运算符（>>）和左移运算符（<<）来移动字节内的位。之后，我们将移位的位与数据帧中的下一个字节结合起来形成一个字节。此过程对数据帧中的每个字节重复，并将生成的去填充数据帧存储在 data 数组中。

以下是打印去填充数据帧的代码：

此代码的输出将是：

7E 01 23 45 67 7E

在此去填充数据帧中，我们可以看到第二个字节中的额外0 位已被删除，并且原始数据已恢复。

以下是如何在 C 中实现位填充的示例：

输出

Original data: 7E 01 23 45 67 7E 
Stuffed data: 7D 5E 01 23 45 67 7D 5E 7E

说明

在此示例中，原始数据存储在 data 数组中，填充后的数据存储在stuffedData 数组中。 length 变量用于存储原始数据的长度。

for 循环遍历原始数据，并使用if 语句在每连续五个1之后添加一个额外的位。如果当前字节是FLAG或ESCAPE字节，它将被转义并与XOR进行XOR运算。

如果当前字节等于0xFF且下一个字节也等于0xFF，则向填充数据添加一个值为0x00的额外字节。最后，将FLAG 字节添加到填充数据的末尾。

结论

总之，位填充是数字通信中确保可靠数据传输的一项有用的技术。位填充可以使用 C 编程语言中的按位运算符轻松实现。发送方可以在数据帧的每连续五个1之后添加一个额外的 0 位，接收方可以删除额外的0 位以恢复原始数据。通过使用位填充，接收方可以准确地检测数据帧的开始和结束，即使实际数据包含连续五个1的序列。

位填充通常用于通信协议，例如HDLC（高级数据链路控制）和PPP（点对点协议）。这些协议使用位填充来确保在有噪声或易出错的通信信道上可靠地传输数据。位填充也用于数字音频和视频编码，以确保编码的数据流不包含连续的1序列，这可能导致同步问题。