基于FPGA的NAND Flash ECC校驗(yàn)

摘要 基于Flash存儲(chǔ)器的Hamming編碼原理，在Altera QuartusⅡ7．0開(kāi)發(fā)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)ECC校驗(yàn)功能。測(cè)試結(jié)果表明，該程序可實(shí)現(xiàn)每256 Byte數(shù)據(jù)生成3 Byte的ECC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠檢測(cè)出1 bit錯(cuò)誤和2 bit錯(cuò)誤，對(duì)于1 bit錯(cuò)誤還能找出其出錯(cuò)位置并予以糾正，可應(yīng)用于NAND Flash讀寫(xiě)控制器的FPGA設(shè)計(jì)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />關(guān)鍵詞 ECC校驗(yàn)；FPGA；NAND Flash；讀寫(xiě)控制器

移動(dòng)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，NAND Flash設(shè)備已成為人們解決高密度固態(tài)存儲(chǔ)的專(zhuān)用方法。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)信息的需求量也越來(lái)越大。因此，大量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部以及網(wǎng)絡(luò)之間存儲(chǔ)和傳遞時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)并更正可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤尤為重要。糾錯(cuò)碼ECC(Error Correct-ion Code)滿足這一需求，其被稱(chēng)為ECC校驗(yàn)，是一種常用于NAND Flash讀寫(xiě)控制器的校驗(yàn)編碼。
ECC校驗(yàn)負(fù)責(zé)檢測(cè)錯(cuò)誤、維護(hù)ECC信息、更正由原數(shù)值改變了的單比特錯(cuò)誤。所有ECC的操作處理都可由一個(gè)ECC模塊來(lái)控制，其作為一種簡(jiǎn)單地存儲(chǔ)一映射接口，放置在NAND器件和處理器接口之間。該模塊一般包含Hamming編碼產(chǎn)生模塊和出錯(cuò)位置模塊，分別用于產(chǎn)生ECC校驗(yàn)碼和計(jì)算出錯(cuò)位置。

1 Haremina編碼
Hamming編碼計(jì)算簡(jiǎn)單。廣泛用于NAND Flash的Hamming算法，通過(guò)計(jì)算塊上數(shù)據(jù)包得到2個(gè)ECC值。為計(jì)算ECC值，數(shù)據(jù)包中的比特?cái)?shù)據(jù)要先進(jìn)行分割，如1／2組、1／4組、1／8組等，直到其精度達(dá)到單個(gè)比特為止，以8 bit即1 Byte的數(shù)據(jù)包為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖1所示。

該數(shù)據(jù)按圖1所示方式進(jìn)行比特分割，分別得到上方的偶校驗(yàn)值ECCe和下方的奇校驗(yàn)值ECCo。其中，1／2校驗(yàn)值經(jīng)“異或”操作構(gòu)成ECC校驗(yàn)的最高有效位，同理1／4校驗(yàn)值構(gòu)成ECC校驗(yàn)的次高有效位，最低有效位由具體到比特的校驗(yàn)值填補(bǔ)。圖2展示了兩個(gè)ECC校驗(yàn)值的計(jì)算過(guò)程。

即偶校驗(yàn)值ECCe為“101”，奇校驗(yàn)值ECCo為“010”。圖1所示為只有1 Byte數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，更大的數(shù)據(jù)包需要更多的ECC值。事實(shí)上，每n bit的ECC數(shù)值可滿足2nbit數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)要求。又由于這種Hamming碼算法要求一對(duì)ECC數(shù)據(jù)(奇偶)，所以總共要求2n bit的ECC校驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)處理2nbit的數(shù)據(jù)包。
計(jì)算之后，原數(shù)據(jù)包和ECC數(shù)值都要寫(xiě)入NAND器件。稍后，原數(shù)據(jù)包將從NAND器件中讀取，此時(shí)ECC值將重新計(jì)算。如果新計(jì)算的ECC不同于先前編入NAND器件的ECC，那么表明數(shù)據(jù)在讀寫(xiě)過(guò)程中出錯(cuò)。
例如，原始數(shù)據(jù)01010001中有1個(gè)單一的比特出現(xiàn)錯(cuò)誤，出錯(cuò)后的數(shù)據(jù)是01010101。經(jīng)前面所示方法計(jì)算，從圖3中可以清楚地看到由于數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，2個(gè)新的ECC數(shù)值已不同與原來(lái)的ECC值。