使用C语言和VHDL语言在高速大容量固态存储器实现ECC算法

评价存储器的一个重要指标就是它的可靠性，在一般的数据存储中，几个位的错误可能不是很关键的问题，如果但是发生在某个敏感的数据上，这个小小的故障可能会导致严重的后果。因此，必须采取一些措施来及时检出并纠正出错的数据。目前常用的方法有：奇偶校验、CRC校验、重复码校验等。

ECC校验是在奇偶校验的基础上发展而来的，它将数据块看作一个矩阵，利用矩阵的行、列奇偶信息生成ECC校验码。它能够检测并纠正单比特错误和检测双比特错误，但对双比特以上的错误不能保证检测。它克服了传统奇偶校验只能检出奇数位出错、校验码冗长、不能纠错的局限性。文中在高速大容量固态存储器的硬件结构基础上，详细介绍了ECC校验码的生成规则以及ECC校验流程，并用C语言和VHDL语言两种方法实现了该算法。

1、 存储器的硬件结构及芯片介绍

本存储器是以FPGA为控制核心，用64片Flash芯片构成存储阵列，采用CPCI接口实现数据的高速率存储。Flash存储阵列分为16组，每组4片，每组Flash芯片共用数据和控制总线。该存储器的硬件结构图，如图1所示。

存储板上的存储芯片用的是Samsung公司的高速大容量固态存储芯片K9W8G08U1 M Nand Flash Memory，其容量为1 G×8 bit，分为8 192个块，每个块又分为64页，1页有(2 k+64)Byte，其中一页有64 bit的空闲区。存储板上的控制芯片是Ahera公司的高端FPGA芯片EP3SE110F1152C4，它负责数据的缓冲和整个存储器的时序控制，并负责以页为单位生成校验码，并把校验码存人到页的空闲区内。下面以1页2 048 bit为单位介绍校验码的生成以及校验流程。

2 、EGG算法分析及校验流程

2.1 EGG校验码生成规则

Flash在读写数据的时候是以页为单位进行的，一页有2 048个数据，所以可以以2 048 bit为单位生成校验码。每个数据有8位信息组成，可以把这2 048个数据看成2 048×8的矩阵，这样就可以分别生成行校验码和列校验码来分别校验。ECC校验中，每2 048个数据生成4个字节的校验码，这32位的校验码分成3个部分：6位的列校验信息，22位的行校验信息，其余的4位置1，ECC校验码组成，如表1所示。

其中P4_l，P4_2，P2_1，P2_2，P1_1，P1_2是列校验码，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是行校验码。行列校验码生成表，如表2所示。

2.2 ECC校验流程

当向NAND Flash的页中写入数据的时候，每2 048 bit生成4 bit的ECC校验码，称之为写ECC校验码，保存到每一页的空闲数据区中。

当从NAND Flash中读取数据的时候，每2 048 bit生成4 bit的ECC校验码，称之为读ECC校验码。校验的时候，根据上述ECC生成原理不难推断：将从页空闲区中读出的写ECC校验码和读ECC校验码按位异或，若结果为0，则表示不存在错;若4 bit的异或结果中存在14 bit为1，表示存在1 bit错误，且可纠正;若4个bit的异或结果中只存在1 bit为1，表示空闲区中的校验码出错;其他情况均表示出现了无法纠正的错误，校验流程图，如图2所示。

3、 ECC算法的实现

3.1 C语言实现ECC算法

以一页数据2 048个字节作为测试数据产生ECC校验码，数据是0x00～0xFF，循环8次产生2048个数据，数据序列，如图3所示。

按前面的ECC校验码生成规则，2 048个数据应该生成4个校验码，生成的校验码，如图4所示，其中ecccode1，ecccode2，ecccode3，ecccode4是生成的4个校验码。

现在假设读出的数据中有一位数据发生了翻转，出现了一位数据错误的情况，即假设数据的第2 bit的最低位发生了翻转，0×0l变成了O×00，此时读出的数据序列，如图5所示。

3.2 利用VHDL语言实现EGG算法

文中以0x00~OxFF循环8次产生2 048个数据，利用VHDL语言编程，在QuartusII7.2下进行了仿真，得到了如图7所示的校验码。其中ecccodel =00000000，ecccode2=00000000，ecccode3=11000000，ecccode4=000000ll是生成的4个校验码，从图中可以看到利用VHDL语言得到的校验码和用C语言得到的ECC校验码是相同的。

4 、结束语

文中介绍了ECC算法的一种实现方法，说明了ECC的校验流程，最后用两种方法实现ECC校验算法。ECC校验算法简单，软硬件均能实现，它能够检测并纠正单比特错误和检测双比特错误，所以可以为数据存储和通信系统提供一种强有力的差错检测手段。

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