RAM的 Parity 與 ECC

一、概念介紹

1.1 Parity的概念

Parity，即奇偶校驗位，指在數(shù)據(jù)存儲和傳輸中，字節(jié)中額外增加一個比特位，用來檢驗錯誤。它常常是從兩個或更多的原始數(shù)據(jù)中產(chǎn)生一個冗余數(shù)據(jù)。一個字節(jié)數(shù)據(jù)的校驗位等于8bit數(shù)據(jù)異或即：p=x0^x1^x2^x3^x4^x5^x6^x7。此時，實際的數(shù)據(jù)傳輸序列為9bit：數(shù)據(jù)+奇偶校驗位。

Parity 這個概念可能最初接觸到可能是在使用串口調(diào)試助手時，它有個可選的奇偶校驗，就是為了指示數(shù)據(jù)傳輸過程中，發(fā)送方和接受方數(shù)據(jù)序列1的個數(shù)是否一致。如果不一致，說明數(shù)據(jù)在傳輸?shù)逆溌分锌赡艹鲥e了。

優(yōu)點：

結(jié)構(gòu)簡單，只需異或計算就可以實現(xiàn)，數(shù)據(jù)量小時實現(xiàn)代價小。

缺點：

1、不能修正錯誤：只知道校驗的數(shù)據(jù)中有部分比特發(fā)生錯誤，無法判斷哪幾個比特發(fā)送錯誤。

2、有偶數(shù)個比特位時，則無法判斷出錯。

3、數(shù)據(jù)位寬較大時實現(xiàn)代價大：如1024比特數(shù)據(jù)，需要256bit的校驗位。

1.2 ECC的概念

ECC是“Error Correcting Code”的簡寫，ECC是一種能夠?qū)崿F(xiàn)“錯誤檢查和糾正”的技術(shù)。通過上面的分析我們知道Parity機(jī)制是通過在原來數(shù)據(jù)位的基礎(chǔ)上增加一個數(shù)據(jù)位來檢查當(dāng)前8位數(shù)據(jù)的正確性，隨著數(shù)據(jù)位每增加8比特，檢驗位需要增加1比特。當(dāng)數(shù)據(jù)量為256字節(jié)時，需要256個比特位，并且出錯的數(shù)據(jù)無法恢復(fù)。由此，一種存儲檢錯糾錯機(jī)制出現(xiàn)了，這就是ECC。ECC同樣通過增加校驗位來進(jìn)行錯誤判斷，但是能夠進(jìn)行錯誤糾正。

優(yōu)點：

1）：大量數(shù)據(jù)位實現(xiàn)代價低：8比特數(shù)據(jù)需要5個校驗位，256字節(jié)（256*8比特）的數(shù)據(jù)值需要5個列校驗位和11行校驗位

2）能夠糾正錯誤：在內(nèi)存中ECC能夠容許錯誤，并可以將錯誤更正，使系統(tǒng)得以持續(xù)正常的操作，不致因錯誤而中斷

缺點：

1）：只能修復(fù)1比特錯誤

當(dāng)數(shù)據(jù)只有單比特錯誤時，ECC能夠進(jìn)行錯誤修復(fù)；超過2比特的數(shù)據(jù)錯誤，將無法修復(fù)，ECC只能輸出多比特錯誤信號。

2）：不保證能檢測超過2比特的錯誤。

超過2比特的錯誤不一定能檢測出來。

3）：算法復(fù)雜，邏輯級數(shù)比較深，時序不好收斂。

二、應(yīng)用場景

在IC設(shè)計中RAM模塊需要輸出信號有Parity信號和ECC信號。這樣能夠在一定程度上確保芯片的可測性以及可靠性。特別是在邏輯設(shè)計中使用的鏈表RAM或者控制RAM，如果這類RAM底層有壞塊而導(dǎo)致RAM讀出的數(shù)據(jù)某bit發(fā)生錯誤，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)掛死。為了減少出現(xiàn)這種情況的風(fēng)險，一般會對這類RAM做ECC計算邏輯，而像數(shù)據(jù)流RAM或者配置RAM可以只做Parity校驗。

事實上，在做Parity計算時，并不需要嚴(yán)格按照每字節(jié)增加1bit Parity校驗位，這樣對于大位寬的RAM而言，僅僅為了實現(xiàn)校驗錯誤，實現(xiàn)代價太大。因此，可以一個RAM做一個Parity校驗位。而對于ECC而言，一般針對位寬較小的RAM。

三、實現(xiàn)細(xì)節(jié)

Parity是同一個data所有比特的異或，在data_in寫入的時候進(jìn)行異或計算得到parity_in，同時寫入到RAM中，讀出data的得到data_out，對data_out進(jìn)行異或計算得到parity_out，若parity_out與parity_in（ram讀出數(shù)據(jù)所攜帶）不相等，則表示數(shù)據(jù)有錯誤。

此外，在RAM的寫側(cè)和讀側(cè)加入Parity計算邏輯時，特別是大位寬的RAM，則需要考慮reg2mem和mem2reg時序是否收斂的問題，一般情況下處理是寫側(cè)計算Parity后打拍后寫入，讀側(cè)打拍后再做Parity計算邏輯。

ECC負(fù)責(zé)糾錯，能夠修正1bit的數(shù)據(jù)。算法比較復(fù)雜，可以參考以下博客，不在敘述。

參考博客：

https://blog.csdn.net/wzsalan/article/details/79842220

https://blog.csdn.net/icxiaoge/article/details/79996456

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：IC基礎(chǔ)：RAM 的 Parity 與 ECC

文章出處：【微信公眾號：FPGA自習(xí)室】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。