纠错码在容错存储器设计中的应用

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1、纠错码在容错存储器设计中的应用

2、第1摘要：本文分析了存储器产生错误的原因，提出了提高其可靠性的途径，给出了一套常用数字系统中存储器容错的纠错码方案，最终通过验证电路说明其可行性。关键词：容错；ECC；改进汉明码；存储器容错存储器概述　　存储器是数字系统中常用的器件之一，是采用大规模集成电路存储芯片构成的。实际统计表明，存储器的主要错误是单个电路故障所引起的一位错或者相关多位错，而随机独立的多位错误极少。在按字节组织的内存储器中，主要错误模式为单字节错；而在按位组织的内存储器中，主要错误模式为单位错。　　半导体存储器的错误大体上分为硬错误和软错误，其中主要为软错误。硬错误所表现的现象是在某个或某

3、些位置上，存取数据重复地出现错误，出现这种现象的原因是一个或几个存储单元出现故障。软错误主要是由α粒子引起的，存储器芯片的材料中含有微量放射性元素，它们会间断地释放α粒子。这些粒子以相当大的能量冲击存储电容，改变其电荷，从而引起存储数据的错误。引起软错误的另一原因是噪声干扰。　　随着存储芯片容量的增大，器件的成品率呈指数规律下降。通常人们一方面改良制造工艺以提高成品率，另一方面在电路设计时通过硬件冗余的方式来实现可靠性的提高。当前，VLSI存储器芯片的设计过程中主要采用两种错误检测与纠正方案。　　●备份行(或列)方案　　这种方案是在存储芯片的设计与制造过程中，增加若干备份的行(或列)。在芯片测

4、试时，若发现失效的行(或列)，则通过激光(或电学)的处理，用备份行(或列)去代替它们。这种方法的优点是设计简单，管芯面积增加较少，电路速度没有损失。但是，它需要增加某些测试与修正失效行(或列)的工艺环节，更重要的弱点是这种方案仅适用于RAM，不能用于ROM。　　●纠错编码方案　　这种方案是在存储芯片内部采用纠错编码，自动检测并纠正错误。这种方案不需要额外的测试和纠正错误等工艺环节，除提高成品率外，还对可靠性有明显改进。这种方案最突出的优点是特别适合ROM，在对速度要求不高的情况下也可用于RAM。其主要缺点在于要占用额外的芯片面积，同时因编译码而影响芯片整个的工作速度。将用于存储器系统级的纠错编

5、码等容错技术引入存储器芯片内部，是提高存储芯片成品率和可靠性的有效措施，例如ECC内存就采用了此技术。常用的纠错码简介　　数据通信中常用的纠检错码有奇偶校验码、汉明码及其改进码。　　●在串行通信中使用的一维奇偶校验码是最简单的一种纠错码，它的编码规律是在数据位末尾添加一位校验位，使得整个码字中含有奇数或偶数个1，它能发现所有的奇数位错，但它不能用来纠正错误。需要指出的是采用二维奇偶校验码(即将数据按矩阵排列，分别对行、列进行一维奇偶校验编码)后，不仅可以纠正一位错，还能检出某些突发错误，所以在一些数据传输网络中得以应用。　　●汉明码是一种能纠一位错的线性分组码，由于它的编译码简单，在数据通信和

6、计算机存储系统中广泛应用，如在蓝牙技术和硬盘阵列中。它的最小码距为3，可以纠正一位错误，但对于两位错不能检测，还可能会造成误纠。尽管发生一位错的概率相对最高，但在一些要求较高的应用中汉明码不能满足要求。　　●常用的能检测两位错同时能纠正一位错(简称纠一检二，SEC-DED)的纠错码有扩展汉明码(ExtendedHammingCode)和最佳奇权码(OptimalOdd-odifiedHammingCode)。　　本文应用于存储器的纠错码是面向随机字节数据的，一二维奇偶校验码都不能满足要求，只能从最佳奇权码和扩展汉明码中选取。从性能上看最佳奇权码比扩展汉明码更为优越，前者在纠检错能力方面也优于后

7、者，它的三位错误的误纠概率低于后者，而四位错误的检测概率高于后者，最重要的是它便于硬件实现，故应用得最多，本文决定采用最佳奇权码。编译码原理　　首先构造最佳奇权码的校验矩阵即H矩阵，最佳奇权码的H矩阵应满足：　　(1)每列含有奇数个1，且无相同列；　　(2)总的1的个数少，所以校验位、伴随式生成表达式中的半加项数少，从而生成逻辑所需的半加器少，可以节约器材、降低成本和提高可靠性。　　(3)每行中1的个数尽量相等或接近某个平均值，这种决定了生成逻辑及其级数的一致性，不仅译码速度快，同时线路匀称。　　应用中采用(13，8，4)最佳奇权码，数据码为(d7d6···d1d0)，校验码为()，P矩阵和编

8、码规则分别为：　　译码时把数据再次编码所得到的新校验位与原校验位模二加，便得到伴随式S，由其可判别错误类型。　　500)this.style.ouseg(this)">　　(1)若S＝0，则认为没有错误；　　(2)若S≠0，且S含有奇数个1，则认为产生了单位错；　　(3)若S≠0，且S含有偶数个1，则认为产生了两位错；　　其中的情况(2)中，根据错误图样可以确定错误位置，将其取反即可完成纠错。