纠错码在容错存储器设计中的应用图

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(extended hamming code)和最佳奇权码(optimal odd-weight-column code)，它们的最小码距都为4，两者有相似之处，比如冗余度一样，对于数据位数k，校验位数r应满足2r-1≥k+r，当k＝16时，r＝6，数据位长增加一倍，校验位数只需增加一位，编码效率较高。另外从来源上讲，两者分别是汉明码的扩展码和截短码，也有资料称最佳奇权码为修正汉明码(modified hamming code)。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

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