基于FPGA的NAND Flash ECC校验

2011-07-22 19:27:36来源: 互联网
     移动产品应用领域,NANDFlash设备已成为人们解决高密度固态存储的专用方法。信息技术的飞速发展,人们对信息的需求量也越来越大。因此,大量数据在系统内部以及网络之间存储和传递时,对数据进行检测并更正可能出现的错误尤为重要。纠错码ECC(ErrorCorrect-ionCode)满足这一需求,其被称为ECC校验,是一种常用于NANDFlash读写控制器的校验编码。

  ECC校验负责检测错误、维护ECC信息、更正由原数值改变了的单比特错误。所有ECC的操作处理都可由一个ECC模块来控制,其作为一种简单地存储一映射接口,放置在NAND器件和处理器接口之间。该模块一般包含Hamming编码产生模块和出错位置模块,分别用于产生ECC校验码和计算出错位置。

  1Haremina编码

  Hamming编码计算简单。广泛用于NANDFlash的Hamming算法,通过计算块上数据包得到2个ECC值。为计算ECC值,数据包中的比特数据要先进行分割,如1/2组、1/4组、1/8组等,直到其精度达到单个比特为止,以8bit即1Byte的数据包为例进行说明,如图1所示。

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  该数据按图1所示方式进行比特分割,分别得到上方的偶校验值ECCe和下方的奇校验值ECCo。其中,1/2校验值经“异或”操作构成ECC校验的最高有效位,同理1/4校验值构成ECC校验的次高有效位,最低有效位由具体到比特的校验值填补。图2展示了两个ECC校验值的计算过程。

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  即偶校验值ECCe为“101”,奇校验值ECCo为“010”。图1所示为只有1Byte数据的数据包,更大的数据包需要更多的ECC值。事实上,每nbit的ECC数值可满足2nbit数据包的校验要求。又由于这种Hamming码算法要求一对ECC数据(奇偶),所以总共要求2nbit的ECC校验数据来处理2nbit的数据包。

  计算之后,原数据包和ECC数值都要写入NAND器件。稍后,原数据包将从NAND器件中读取,此时ECC值将重新计算。如果新计算的ECC不同于先前编入NAND器件的ECC,那么表明数据在读写过程中出错。

  例如,原始数据01010001中有1个单一的比特出现错误,出错后的数据是01010101。经前面所示方法计算,从图3中可以清楚地看到由于数据发生了变化,2个新的ECC数值已不同与原来的ECC值。

i.JPG

  此时把所有4个ECC数值进行按位“异或”,就可以判断是否出现了1个单一比特的错误或者是多比特的错误。如果计算结果为全“0”,说明数据在读写过程中未发生变化。如果计算的结果为全“1”,表明发生了1bit错误,如图4所示。如果计算结果是除了全“0”和全“1”的任何一种情况,那么就是2bit出错的情况。2bit错误总可以检测到,然而,Hamming码算法仅能够保证更正单一比特的错误。如果两个或是更多的比特出错,那么就不能修改该出错的数据包,在这种情况下,Hamming算法就可能不能够指示出已经出现的错误。不过,考虑到SLCNAND器件的比特错误的情况,出现2、3bit错误的可能性非常低。

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  对于1bit错误的情况,出错地址可通过将原有ECCo值和新ECCo值进行按位“异或”来识别获取。通过图5中的计算,结果为2,表明原数据第2bit位出现了问题。该计算采用奇校验数据ECCo,这是因为它们可以直接地反映出出错比特的位置。

m.jpg

  找到出错比特后,只要通过翻转它的状态就可修复数据包,具体操作也就是将该位与“1”进行异或操作,如图6所示。

k.JPG

  2扩展数据包

  在上述举例中,校验1个8bit数据包需要6bit的ECC数据。在这种情况下,校验数据量达到原始数据包的数据量的75%,看上去并不令人满意。然而,随着数据包大小的增加,Hamming算法将表现得越来越有效率。由前面2nbit数据需要2nbitECC校验的关系推知,每增加一倍的数据要求两个额外的ECC信息比特。这样,当数据增加到,比如512Byte时,仅产生24bit的ECC,此时用于校验的数据占原数据的比例降为0.06%,效率较高。下面,以1个8Byte的数据包为例说明扩展数据包的校验情况。

[1] [2]

关键字:FPGA  NANDFlash  ECC

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0722/article_2325.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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