基于CPLD的容錯存儲器的設(shè)計實現(xiàn)

隨著各種電路和芯片的性能(速度、集成度等)不斷提高，尤其是在軍事、航空航天等用途中對可靠性的要求往往是第一位的，人們對于系統(tǒng)的可靠性方面的要求日益增加，這對電路系統(tǒng)的設(shè)計和制造都提出了嚴格的目標要求。

存儲器是電路系統(tǒng)中最常用的器件之一，采用大規(guī)模集成電路存儲芯片構(gòu)成。實際統(tǒng)計表明，存儲器在太空應(yīng)用中的主要錯誤是由瞬態(tài)錯誤(也叫單個事件擾動，seu)所引起的一位錯[1]或者相關(guān)多位錯，而隨機獨立的多位錯誤極少。半導(dǎo)體存儲器的錯誤大體上分為硬錯誤和軟錯誤，其中主要為軟錯誤。硬錯誤所表現(xiàn)的現(xiàn)象是在某個或某些位置上，存取數(shù)據(jù)重復(fù)地出現(xiàn)錯誤。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是一個或幾個存儲單元出現(xiàn)故障。軟錯誤主要是由α粒子引起的。存儲器芯片的材料中含有微量放射性元素，他們會間斷地釋放α粒子。這些粒子以相當大的能量沖擊存儲電容，改變其電荷，從而引起存儲數(shù)據(jù)的錯誤。引起軟錯誤的另一原因是噪聲干擾。同時在太空環(huán)境下，在帶電粒子足夠能量撞擊下，存儲器的存儲單元中的位發(fā)生翻轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生seu錯誤 ［2］ 。本文設(shè)計實現(xiàn)了用cpld技術(shù)和糾檢錯芯片對存儲器進行容錯，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。下面是具體容錯存儲器和門警電路的設(shè)計。

1　檢錯與糾錯原理

常用的能檢測2位錯同時能糾正1位錯(簡稱糾一檢二，sec-ded [3、4] )的糾錯碼有擴展?jié)h明碼(extended hamming code)和最佳奇權(quán)碼(optimal　　他們的最小碼距都為4，兩者有相似之處，如冗余度一樣，對于數(shù)據(jù)位數(shù)k，校驗位數(shù)r應(yīng)滿足2 r－1 ≥k＋r。當k＝16時，r＝6，數(shù)據(jù)位長增加1倍，校驗位數(shù)只需增加1位，編碼效率較高。另外從來源上講，兩者分別是漢明碼的擴展碼和截短碼，也有資料稱最佳奇權(quán)碼為修正漢明碼(modified hamming code)。文獻［4］介紹了sec-ded和sec-aued)碼的編解碼理論。從性能上看最佳奇權(quán)碼比擴展?jié)h明碼更為優(yōu)越，前者在糾檢錯能力方面也優(yōu)于后者，他的3位錯誤的誤糾概率低于后者，而4位錯誤的檢測概率高于后者，最重要的是他便于硬件實現(xiàn)，故應(yīng)用的最多，本文采用最佳奇權(quán)碼。

首先構(gòu)造最佳奇權(quán)碼的校驗矩陣即h矩陣，最佳奇權(quán)碼的h矩陣應(yīng)滿足：

(1)每列含有奇數(shù)個1，且無相同列。

(2)總的1的個數(shù)少，所以校驗位、伴隨式生成表達式中的半加項數(shù)少，從而生成邏輯所需的半加器少，可以節(jié)約器材、降低成本和提高可靠性。

(3)每行中1的個數(shù)盡量相等或接近某個平均值，這種決定生成邏輯及其級數(shù)的一致性，不僅譯碼速度快，同時線路勻稱。

應(yīng)用中采用(13，8，4)最佳奇權(quán)碼，數(shù)據(jù)碼為(d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0)，校驗碼為(c4 c3 c2 c1 c0)，p矩陣和編碼規(guī)則分別為：

(2)若s≠0，且s含有奇數(shù)個1，則認為產(chǎn)生了單位錯；若s≠0，且s含有偶數(shù)個1，則認為產(chǎn)生了2位錯。

2　存儲器容錯芯片設(shè)計實現(xiàn)

2．1　存儲器設(shè)計實現(xiàn)方案

(1)備份行(或列)方案

這種方案是在存儲芯片的設(shè)計與制造過程中增加若干備份的行(或列)。在芯片測試時，若發(fā)現(xiàn)失效的行(或列)，則通過激光(或電學(xué))的處理，用備份行(或列)去代替。此方法的優(yōu)點是設(shè)計簡單，管芯面積增加較少，電路速度沒有損失。但是，他需要增加某些測試與修正實效行(或列)的工藝環(huán)節(jié)，更重要的弱點是這種方案僅適用于ram，不能用于rom。

(2)糾錯編碼方案

這種方案是在存儲芯片內(nèi)部采用糾錯編碼，自動檢測并糾正錯誤。此方案不需要額外的測試和糾正錯誤等工藝環(huán)節(jié)，除提高成品率外，還對可靠性有明顯改進。這種方案最突出的優(yōu)點是特別適合rom；在對速度要求不高的情況下也可用于ram。他的主要缺點在于要占用額外的芯片面積，同時因編譯碼而影響芯片整個的工作速度。將用于存儲器系統(tǒng)級的糾錯編碼等容錯技術(shù)引入存儲器芯片內(nèi)部，是提高存儲芯片成品率和可靠性的有效措施。例如服務(wù)器中使用的ecc內(nèi)存就采用了此技術(shù)。

本文的容錯存儲器采用糾錯碼方案，其實現(xiàn)框圖如圖1所示。

糾檢錯電路必須配合cpu的讀寫時序進行工作，可以將cpu的時序分為讀周期和寫周期。在寫周期時，總線通過糾錯電路直接將數(shù)據(jù)寫入到存儲器，同時數(shù)據(jù)通過糾錯電路產(chǎn)生5 b校驗碼寫入到冗余存儲器。讀周期時分成2步，第1步從存儲器和冗余存儲器分別讀取數(shù)據(jù)和校驗位數(shù)據(jù)送入糾錯電路鎖存；第2步進行檢錯，如果沒有錯誤直接將數(shù)據(jù)送出到數(shù)據(jù)總線，有2位錯產(chǎn)生中斷進行處理，有1位錯對數(shù)據(jù)進行糾錯并送入數(shù)據(jù)總線。因需要的是正確數(shù)據(jù)，如果是校驗位出錯則不進行任何處理，直接輸出正確數(shù)據(jù)。

2．3　電路輸入輸出設(shè)計

rd，wr，clk為cpu輸入到糾檢錯信號，通過控制電路產(chǎn)生芯片內(nèi)控制信號。在寫信號時，db［7．．0］從數(shù)據(jù)總線輸入，通過鎖存以后經(jīng)過三態(tài)控制(santai模塊)寫入到存儲器，同時數(shù)據(jù)通過校驗碼產(chǎn)生模塊(paritygen)產(chǎn)生5 b校驗碼，通過三態(tài)控制寫入冗余存儲器。讀信號時，存儲器數(shù)據(jù)讀入糾檢錯電路經(jīng)過鎖存后產(chǎn)生5 b校驗碼，同時與從冗余存儲器讀入的5 b檢驗碼一起通過錯誤圖樣模塊(errorsample)，產(chǎn)生錯誤圖樣。通過錯誤圖樣檢測錯誤，當數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤時通過糾錯模塊(errorcorrect)糾錯后將正確數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線。errordetec為錯誤狀態(tài)模塊，sef，def為錯誤狀態(tài)信號。0，0時無錯，1，0時1位錯，1，1時2位錯。電路實現(xiàn)的各部分功能模塊如圖2所示?！?

本文采用altera公司的cpld器件epm7128作為設(shè)計環(huán)境 ［5］ ，圖3是糾檢錯電路仿真圖形，用cpld實現(xiàn)糾檢錯電路仿真，圖中118～205 ns時從數(shù)據(jù)線上寫入數(shù)據(jù)aa，359～443 ns時仿真了讀數(shù)據(jù)時產(chǎn)生1位錯情況，601～692 ns時仿真了產(chǎn)生2位錯情況，此時檢測到了2位錯，但是不能糾正。781～863 ns時仿真了校驗位產(chǎn)生1位錯時的情況。

本文利用最佳奇權(quán)碼的基本原理設(shè)計的糾錯碼電路可以校正單位錯，檢出2位錯，存儲器不因單位錯而中斷工作，故其平均無故障時間mtbf增大，提高了可靠性。但是糾一檢二碼的新增器材又使mtbf有所下降。

在效率上，設(shè)在時間t內(nèi)，發(fā)生1位錯的次數(shù)為n 1 ，發(fā)生2位及多位錯的次數(shù)為n 2 ，采用糾錯碼時，平均無故障時間為t 1 ＝t/(n 1 ＋n 2 )，采用最佳奇權(quán)碼后，1位錯是可糾的，僅2位及多位錯是不可糾的，作為出錯處理。設(shè)由于采用糾錯碼而增加器材δ％，因而采用最佳奇權(quán)碼后的平均無故障時間為：