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評評價存儲器的一個重要指標就是它的可靠性，在一般的數據存儲中，幾個位的錯誤可能不是很關鍵的問題，如果但是發生在某個敏感的數據上，這個小小的故障可能會導致嚴重的后果。因此，必須采取一些措施來及時檢出并糾正出錯的數據。目前常用的方法有：奇偶校驗、CRC校驗、重復碼校驗等。 ECC校驗是在奇偶校驗的基礎上發展而來的，它將數據塊看作一個矩陣，利用矩陣的行、列奇偶信息生成ECC校驗碼。它能夠檢測并糾正單比特錯誤和檢測雙比特錯誤，但對雙比特以上的錯誤不能保證檢測。它克服了傳統奇偶校驗只能檢出奇數位出錯、校驗碼冗長、不能糾錯的局限性。文中在高速大容量固態存儲器的硬件結構基礎上，詳細介紹了ECC校驗碼的生成規則以及ECC校驗流程，并用C語言和VHDL語言兩種方法實現了該算法。 1 存儲器的硬件結構及芯片介紹 本存儲器是以FPGA為控制核心，用64片Flash芯片構成存儲陣列，采用CPCI接口實現數據的高速率存儲。Flash存儲陣列分為16組，每組4片，每組Flash芯片共用數據和控制總線。該存儲器的硬件結構圖，如圖1所示。 存儲板上的存儲芯片用的是Samsung公司的高速大容量固態存儲芯片K9W8G08U1 M Nand Flash Memory，其容量為1 G×8 bit，分為8 192個塊，每個塊又分為64頁，1頁有(2 k+64)Byte，其中一頁有64 bit的空閑區。存儲板上的控制芯片是Ahera公司的高端FPGA芯片EP3SE110F1152C4，它負責數據的緩沖和整個存儲器的時序控制，并負責以頁為單位生成校驗碼，并把校驗碼存人到頁的空閑區內。下面以1頁2 048 bit為單位介紹校驗碼的生成以及校驗流程。 2 EGG算法分析及校驗流程 2．1 EGG校驗碼生成規則 Flash在讀寫數據的時候是以頁為單位進行的，一頁有2 048個數據，所以可以以2 048 bit為單位生成校驗碼。每個數據有8位信息組成，可以把這2 048個數據看成2 048×8的矩陣，這樣就可以分別生成行校驗碼和列校驗碼來分別校驗。ECC校驗中，每2 048個數據生成4個字節的校驗碼，這32位的校驗碼分成3個部分：6位的列校驗信息，22位的行校驗信息，其余的4位置1，ECC校驗碼組成，如表1所示。 其中P4_l，P4_2，P2_1，P2_2，P1_1，P1_2是列校驗碼，而P8_1，P8_2，P16_1，P16_2，P32_1，P32_2，P64_1，P64_2，P128_1，P128_2，P256_1，P256_2， P512_1，P512_2，P1024_1，P1 024_2， P2 048_1， P2 048_2， P4 096_1，P4096_2，P8192_1，P8192_2是行校驗碼。行列校驗碼生成表，如表2所示。 列校驗碼生成用數學表達式表示為 行校驗碼生成用數學表達式表示為 這里xor表示異或操作。 因為發生錯誤的數據位在該數據塊中的字節的偏移量為 發生錯誤的數據位在所處的字節中的位偏移量為P4_1，P2_1，P1_1 所以根據字節的偏移量和字節中的位的偏移量即可確定該頁數據中哪一位發生了變化。 2．2 ECC校驗流程 當向NAND Flash的頁中寫入數據的時候，每2 048 bit生成4 bit的ECC校驗碼，稱之為寫ECC校驗碼，保存到每一頁的空閑數據區中。 當從NAND Flash中讀取數據的時候，每2 048 bit生成4 bit的ECC校驗碼，稱之為讀ECC校驗碼。校驗的時候，根據上述ECC生成原理不難推斷：將從頁空閑區中讀出的寫ECC校驗碼和讀ECC校驗碼按位異或，若結果為0，則表示不存在錯；若4 bit的異或結果中存在14 bit為1，表示存在1 bit錯誤，且可糾正；若4個bit的異或結果中只存在1 bit為1，表示空閑區中的校驗碼出錯；其他情況均表示出現了無法糾正的錯誤，校驗流程圖，如圖2所示。 3 ECC算法的實現 3．1 C語言實現ECC算法 以一頁數據2 048個字節作為測試數據產生ECC校驗碼，數據是0x00～0xFF，循環8次產生2048個數據，數據序列，如圖3所示。 按前面的ECC校驗碼生成規則，2 048個數據應該生成4個校驗碼，生成的校驗碼，如圖4所示，其中ecccode1，ecccode2，ecccode3，ecccode4是生成的4個校驗碼。 現在假設讀出的數據中有一位數據發生了翻轉，出現了一位數據錯誤的情況，即假設數據的第2 bit的最低位發生了翻轉，0×0l變成了O×00，此時讀出的數據序列，如圖5所示。 3．2 利用VHDL語言實現EGG算法 文中以0x00"OxFF循環8次產生2 048個數據，利用VHDL語言編程，在QuartusII7．2下進行了仿真，得到了如圖7所示的校驗碼。其中ecccodel =00000000，ecccode2=00000000，ecccode3=11000000，ecccode4=000000ll是生成的4個校驗碼，從圖中可以看到利用VHDL語言得到的校驗碼和用C語言得到的ECC校驗碼是相同的。 4 結束語 文中介紹了ECC算法的一種實現方法，說明了ECC的校驗流程，最后用兩種方法實現ECC校驗算法。ECC校驗算法簡單，軟硬件均能實現，它能夠檢測并糾正單比特錯誤和檢測雙比特錯誤，所以可以為數據存儲和通信系統提供一種強有力的差錯檢測手段。 |
