基于CPLD的容錯(cuò)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

基于CPLD的容錯(cuò)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)摘要：分析了存儲(chǔ)器產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因，提出了提高其可靠性的有效途徑。結(jié)合航天計(jì)算機(jī)可靠性增長(zhǎng)計(jì)劃，給出了一套利用糾檢錯(cuò)芯片對(duì)其進(jìn)行容錯(cuò)的方案，并給出了通過CPLD器件實(shí)現(xiàn)的仿真結(jié)果。最后對(duì)容錯(cuò)存儲(chǔ)器的可靠性進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：容錯(cuò)；糾一檢二；瞬態(tài)錯(cuò)誤；最佳奇權(quán)碼；復(fù)雜可編程邏輯器件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(duì)可靠性的要求往往是第一位的，人們對(duì)于系統(tǒng)的可靠性方面的要求日益增加，這對(duì)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造都提出了嚴(yán)格的目標(biāo)要求。存儲(chǔ)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(chǔ)芯片構(gòu)成。實(shí)際統(tǒng)計(jì)表明，存儲(chǔ)器在太空應(yīng)用中的主要錯(cuò)誤是由瞬態(tài)錯(cuò)誤(也叫單個(gè)事件擾動(dòng)，SEU)所引起的一位錯(cuò)[1]或者相關(guān)多位錯(cuò)，而隨機(jī)獨(dú)立的多位錯(cuò)誤極少。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的錯(cuò)誤大體上分為硬錯(cuò)誤和軟錯(cuò)誤，其中主要為軟錯(cuò)誤。硬錯(cuò)誤所表現(xiàn)的現(xiàn)象是在某個(gè)或某些位置上，存取數(shù)據(jù)重復(fù)地出現(xiàn)錯(cuò)誤。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是一個(gè)或幾個(gè)存儲(chǔ)單元出現(xiàn)故障。軟錯(cuò)誤主要是由α粒子引起的。存儲(chǔ)器芯片的材料中含有微量放射性元素，他們會(huì)間斷地釋放α粒子。這些粒子以相當(dāng)大的能量沖擊存儲(chǔ)電容，改變其電荷，從而引起存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。引起軟錯(cuò)誤的另一原因是噪聲干擾。同時(shí)在太空環(huán)境下，在帶電粒子足夠能量撞擊下，存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元中的位發(fā)生翻轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生SEU錯(cuò)誤［2］。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了用CPLD技術(shù)和糾檢錯(cuò)芯片對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行容錯(cuò)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。下面是具體容錯(cuò)存儲(chǔ)器和門警電路的設(shè)計(jì)。

1檢錯(cuò)與糾錯(cuò)原理常用的能檢測(cè)2位錯(cuò)同時(shí)能糾正1位錯(cuò)(簡(jiǎn)稱糾一檢二，SEC-DED[3、4])的糾錯(cuò)碼有擴(kuò)展?jié)h明碼(ExtendedHammingCode)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(duì)于數(shù)據(jù)位數(shù)k，校驗(yàn)位數(shù)r應(yīng)滿足2r－1≥k＋r。當(dāng)k＝16時(shí)，r＝6，數(shù)據(jù)位長(zhǎng)增加1倍，校驗(yàn)位數(shù)只需增加1位，編碼效率較高。另外從來(lái)源上講，兩者分別是漢明碼的擴(kuò)展碼和截短碼，也有資料稱最佳奇權(quán)碼為修正漢明碼(ModifiedHammingCode)。文獻(xiàn)［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(kuò)展?jié)h明碼更為優(yōu)越，前者在糾檢錯(cuò)能力方面也優(yōu)于后者，他的3位錯(cuò)誤的誤糾概率低于后者，而4位錯(cuò)誤的檢測(cè)概率高于后者，最重要的是他便于硬件實(shí)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(yàn)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(gè)1，且無(wú)相同列。(2)總的1的個(gè)數(shù)少，所以校驗(yàn)位、伴隨式生成表達(dá)式中的半加項(xiàng)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(gè)數(shù)盡量相等或接近某個(gè)平均值，這種決定生成邏輯及其級(jí)數(shù)的一致性，不僅譯碼速度快，同時(shí)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(d7d6d5d4d3d2d1d0)，校驗(yàn)碼為(c4c3c2c1c0)，P矩陣和編碼規(guī)則分別為：

譯碼時(shí)把數(shù)據(jù)再次編碼所得到的新校驗(yàn)位與原校驗(yàn)位模2加，便得到伴隨式S，由其可判別錯(cuò)誤類型：

(1)若S＝0，則認(rèn)為沒有錯(cuò)誤；(2)若S≠0，且S含有奇數(shù)個(gè)1，則認(rèn)為產(chǎn)生了單位錯(cuò)；若S≠0，且S含有偶數(shù)個(gè)1，則認(rèn)為產(chǎn)生了2位錯(cuò)。

因此，錯(cuò)誤圖樣S＝［s0s1s2s3s4］與產(chǎn)生的錯(cuò)誤一一對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)糾一檢二功能。

2存儲(chǔ)器容錯(cuò)芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)2．1存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案(1)備份行(或列)方案這種方案是在存儲(chǔ)芯片的設(shè)計(jì)與制造過程中增加若干備份的行(或列)。在芯片測(cè)試時(shí)，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(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(cè)試與修正實(shí)效行(或列)的工藝環(huán)節(jié)，更重要的弱點(diǎn)是這種方案僅適用于RAM，不能用于ROM。(2)糾錯(cuò)編碼方案這種方案是在存儲(chǔ)芯片內(nèi)部采用糾錯(cuò)編碼，自動(dòng)檢測(cè)并糾正錯(cuò)誤。此方案不需要額外的測(cè)試和糾正錯(cuò)誤等工藝環(huán)節(jié)，除提高成品率外，還對(duì)可靠性有明顯改進(jìn)。這種方案最突出的優(yōu)點(diǎn)是特別適合ROM；在對(duì)速度要求不高的情況下也可用于RAM。他的主要缺點(diǎn)在于要占用額外的芯片面積，同時(shí)因編譯碼而影響芯片整個(gè)的工作速度。將用于存儲(chǔ)器系統(tǒng)級(jí)的糾錯(cuò)編碼等容錯(cuò)技術(shù)引入存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部，是提高存儲(chǔ)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(cuò)存儲(chǔ)器采用糾錯(cuò)碼方案，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。2．2糾檢錯(cuò)電路設(shè)計(jì)糾檢錯(cuò)電路必須配合CPU的讀寫時(shí)序進(jìn)行工作，可以將CPU的時(shí)序分為讀周期和寫周期。在寫周期時(shí)，總線通過糾錯(cuò)電路直接將數(shù)據(jù)寫入到存儲(chǔ)器，同時(shí)數(shù)據(jù)通過糾錯(cuò)電路產(chǎn)生5b校驗(yàn)碼寫入到冗余存儲(chǔ)器。讀周期時(shí)分成2步，第1步從存儲(chǔ)器和冗余存儲(chǔ)器分別讀取數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位數(shù)據(jù)送入糾錯(cuò)電路鎖存；第2步進(jìn)行檢錯(cuò)，如果沒有錯(cuò)誤直接將數(shù)據(jù)送出到數(shù)據(jù)總線，有2位錯(cuò)產(chǎn)生中斷進(jìn)行處理，有1位錯(cuò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)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(yàn)位出錯(cuò)則不進(jìn)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(jì)RD，WR，CLK為CPU輸入到糾檢錯(cuò)信號(hào)，通過控制電路產(chǎn)生芯片內(nèi)控制信號(hào)。在寫信號(hào)時(shí)，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(chǔ)器，同時(shí)數(shù)據(jù)通過校驗(yàn)碼產(chǎn)生模塊(Paritygen)產(chǎn)生5b校驗(yàn)碼，通過三態(tài)控制寫入冗余存儲(chǔ)器。讀信號(hào)時(shí)，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀入糾檢錯(cuò)電路經(jīng)過鎖存后產(chǎn)生5b校驗(yàn)碼，同時(shí)與從冗余存儲(chǔ)器讀入的5b檢驗(yàn)碼一起通過錯(cuò)誤圖樣模塊(Errorsample)，產(chǎn)生錯(cuò)誤圖樣。通過錯(cuò)誤圖樣檢測(cè)錯(cuò)誤，當(dāng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)通過糾錯(cuò)模塊(Errorcorrect)糾錯(cuò)后將正確數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線。Errordetec為錯(cuò)誤狀態(tài)模塊，SEF，DEF為錯(cuò)誤狀態(tài)信號(hào)。0，0時(shí)無(wú)錯(cuò)，1，0時(shí)1位錯(cuò)，1，1時(shí)2位錯(cuò)。電路實(shí)現(xiàn)的各部分功能模塊如圖2所示。3仿真及其波形本文采用Altera公司的CPLD器件EPM7128作為設(shè)計(jì)環(huán)境［5］，圖3是糾檢錯(cuò)電路仿真圖形，用CPLD實(shí)現(xiàn)糾檢錯(cuò)電路仿真，圖中118～205ns時(shí)從數(shù)據(jù)線上寫入數(shù)據(jù)AA，359～443ns時(shí)仿真了讀數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生1位錯(cuò)情況，601～692ns時(shí)仿真了產(chǎn)生2位錯(cuò)情況，此時(shí)檢測(cè)到了2位錯(cuò)，但是不能糾正。781～863ns時(shí)仿真了校驗(yàn)位產(chǎn)生1位錯(cuò)時(shí)的情況。

4分析與結(jié)論本文利用最佳奇權(quán)碼的基本原理設(shè)計(jì)的糾錯(cuò)碼電路可以校正單位錯(cuò)，檢出2位錯(cuò)，存儲(chǔ)器不因單位錯(cuò)而中斷工作，故其平均無(wú)故障時(shí)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(shí)間T內(nèi)，發(fā)生1位錯(cuò)的次數(shù)為n1，發(fā)生2位及多位錯(cuò)的次數(shù)為n2，采用糾錯(cuò)碼時(shí)，平均無(wú)故障時(shí)間為T1＝T/(n1＋n2)，采用最佳奇權(quán)碼后，1位錯(cuò)是可糾的，僅2位及多位錯(cuò)是不可糾的，作為出錯(cuò)處理。設(shè)由于采用糾錯(cuò)碼而增加器材δ％，因而采用最佳奇權(quán)碼后的平均無(wú)故障時(shí)間為：

據(jù)資料估計(jì)，對(duì)于1位錯(cuò)占整個(gè)錯(cuò)誤的比例，增益G=4.6～9．3。通過CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的容錯(cuò)，大大縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)周期，降低了成本，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。參考文獻(xiàn)［1］BarthJ．Radiationenvironment［J］．IEEENSRECShortcourse，July，1997．［2］LimaFCarroLReisR．DesigningfaulttolerantsystemsintoSRAM-basedFPGAs［J］.DesignAutomationConference，2003．PP:650-665.［3］王新梅．計(jì)算機(jī)中的糾錯(cuò)碼技術(shù)［M］．北京：人民郵電出版社，1