錯(cuò)誤檢測與糾正電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在一些電磁環(huán)境比較惡劣的情況下,一些大規(guī)模集成電路常常會(huì)受到干擾,導(dǎo)致不能正常工作。特別是像RAM這種利用雙穩(wěn)態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)的器件,往往會(huì)在強(qiáng)干擾下發(fā)生翻轉(zhuǎn),使原來存儲(chǔ)的"0"變?yōu)?1",或者"1"變?yōu)?0",造成的后果往往是很嚴(yán)重的。例如導(dǎo)致一些控制程序跑飛,存儲(chǔ)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)出錯(cuò)等等。現(xiàn)在,隨著芯片集成度的增加,發(fā)生錯(cuò)誤的可能性也在增大。在一些特定的應(yīng)用中,這已經(jīng)成為一個(gè)不能忽視的問題。例如在空間電子應(yīng)用領(lǐng)域,單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)就成為困擾設(shè)計(jì)師的一個(gè)難題。

　　在這種情況下,我們可以采用錯(cuò)誤檢測與糾正EDAC(Error Detection And Correction)電路來有效地減少或避免這種情況的出現(xiàn)。根據(jù)檢錯(cuò)、糾錯(cuò)的原理,主要思想是在數(shù)據(jù)寫入時(shí),根據(jù)寫入的數(shù)據(jù)生成一定位數(shù)的校驗(yàn)碼,與相應(yīng)的數(shù)據(jù)一起保存起來;當(dāng)讀出時(shí),同時(shí)也將校驗(yàn)碼讀出,進(jìn)行判決。如果出現(xiàn)一位錯(cuò)誤則自動(dòng)糾正,將正確的數(shù)據(jù)送出,并同時(shí)將改正以后的數(shù)據(jù)回寫覆蓋原來錯(cuò)誤的數(shù)據(jù);如果出現(xiàn)兩位錯(cuò)誤則產(chǎn)生中斷報(bào)告,通知CPU進(jìn)行異常處理。所有這一切動(dòng)作都是靠硬件設(shè)計(jì)自動(dòng)完成的,具有實(shí)時(shí)性和自動(dòng)完成的特點(diǎn)。通過這樣的EDAC電路,能大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力,從而提高系統(tǒng)的可靠性。

　　當(dāng)然,有一些現(xiàn)成的集成電路芯片可以完成上述功能,如74系列的74630芯片等。但由于嵌入式系統(tǒng)中,往往由于集成化的需要,要將這樣的功能集成到FPGA中去實(shí)現(xiàn),因此采用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)具有靈活性和通用性的特點(diǎn)。

　　1 檢錯(cuò)與糾錯(cuò)原理

　　首先來看看檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的基本原理。進(jìn)行差錯(cuò)控制的基本思想是在信息碼組中以一定規(guī)則加入不同方式的冗余碼,以便在信息讀出的時(shí)候依靠多余的監(jiān)督碼或校驗(yàn)碼來發(fā)現(xiàn)或自動(dòng)糾正錯(cuò)誤。

　　針對誤碼發(fā)生的特點(diǎn),即錯(cuò)誤發(fā)生的隨機(jī)性和小概率性,它幾乎總是隨機(jī)地影響某個(gè)字節(jié)中的某一位(bit),因此,如果能夠設(shè)計(jì)自動(dòng)糾正一位錯(cuò)誤,而檢測兩位錯(cuò)誤的編碼方式,就可以大大的提高系統(tǒng)的可靠性。

　　現(xiàn)在我們以16位的CPU數(shù)據(jù)總線為例,假定信息源的位數(shù)為16,要構(gòu)造一種能夠糾正一位錯(cuò)誤,檢查兩位錯(cuò)誤的編碼方式。根據(jù)"糾錯(cuò)定理",需要設(shè)計(jì)最小漢明距離≥4的碼組。我們可以采用線形分組碼,利用線性分組碼的概念可以構(gòu)造六位監(jiān)督碼,它們由如下線性關(guān)系產(chǎn)生：

　　其中,d0~d15為16位數(shù)據(jù)(15為最高位MSB,0為最低位LSB),C0~C5為產(chǎn)生的六位監(jiān)督碼,表示進(jìn)行異或運(yùn)算。

　　在數(shù)據(jù)讀出時(shí),我們只需要考察伴隨式S=[S0 S1 S2 S3 S4 S5],其中：

　　很容易證明,根據(jù)伴隨式進(jìn)行誤差診斷,符合表 1所列情況。

　　表1 誤差診斷碼表

　　當(dāng)S = [0 0 0 0 0 0]時(shí),數(shù)據(jù)正確無誤;

　　當(dāng)S = [0 0 1 0 1 1]時(shí),數(shù)據(jù)錯(cuò)一位,并且錯(cuò)誤發(fā)生在d0位,可將d0位的數(shù)據(jù)取反加以糾正;

　　當(dāng)S = [0 0 1 1 0 1]時(shí),數(shù)據(jù)錯(cuò)一位,并且錯(cuò)誤發(fā)生在d1位,可將d1位的數(shù)據(jù)取反加以糾正;

　　當(dāng)S= [1 1 0 1 0 0]時(shí),數(shù)據(jù)錯(cuò)一位,并且錯(cuò)誤發(fā)生在d15位,可將d15位的數(shù)據(jù)取反加以糾正;

　　當(dāng)S = [0 0 0 0 0 1]時(shí),數(shù)據(jù)錯(cuò)一位,并且錯(cuò)誤發(fā)生在C0位;

　　當(dāng)S = [1 0 0 0 0 0]時(shí),數(shù)據(jù)錯(cuò)一位,并且錯(cuò)誤發(fā)生在C5位;

　　當(dāng)S為其它情況時(shí),至少發(fā)生兩位錯(cuò)誤。

　　可以看出,這種編碼方式可以滿足自動(dòng)糾正一位錯(cuò)誤,而發(fā)現(xiàn)兩位錯(cuò)誤的要求。下面就進(jìn)一步討論如何用電路來實(shí)現(xiàn)。

　　2 EDAC電路的設(shè)計(jì)

　　EDAC電路必須配合CPU的讀寫時(shí)序進(jìn)行工作,不同類型CPU的時(shí)序往往是不一樣的。一般來說,總可以分為讀周期和寫周期。在寫周期時(shí),按照上面的設(shè)計(jì)邏輯,根據(jù)16位數(shù)據(jù)位生成6位的校驗(yàn)字,這時(shí),數(shù)據(jù)位是輸入,校驗(yàn)位是輸出,并在該寫周期中將數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位都存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)器位置中去,這種情況比較簡單。在讀周期時(shí),情況復(fù)雜些,可以設(shè)計(jì)成三步完成。第一步,在CPU讀信號來之前,由于存儲(chǔ)器地址和片選信號已經(jīng)有效,可先將數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位讀入, 這時(shí),數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位都是作為輸入。第二步,在讀信號來時(shí),將數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位鎖存,同時(shí)進(jìn)行檢測,如果無錯(cuò),則不進(jìn)行任何處理,直接將數(shù)據(jù)輸出;如果發(fā)現(xiàn)二位錯(cuò),則產(chǎn)生中斷;如果是一位錯(cuò),在輸出上有所反應(yīng),并進(jìn)入下一步。第三步,如果是數(shù)據(jù)位出錯(cuò),將其自動(dòng)更正,并將正確的值再回寫到相應(yīng)的內(nèi)存地址中, 將正確的數(shù)據(jù)值輸出到數(shù)據(jù)總線;如果是校驗(yàn)位出錯(cuò),可以直接將正確的數(shù)據(jù)位輸出到數(shù)據(jù)總線上。這部分功能是EDAC功能的核心,可以用VHDL語言來實(shí)現(xiàn),以下是設(shè)計(jì)思路。

　　(1) 對輸入的設(shè)計(jì)

　　① 數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位的輸入。

　　② 控制端的輸入。經(jīng)過前面的分析,一共有四種狀態(tài)(寫一種狀態(tài)、讀三種狀態(tài)),可以設(shè)計(jì)兩個(gè)控制端,設(shè)為C0、C1。其功能見表 2。

　　(2) 對輸出的設(shè)計(jì)

　?、?數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位的輸出。其中校驗(yàn)位的輸出在讀周期和寫周期有所不同：在寫周期校驗(yàn)位輸出是生成的校驗(yàn)位;而讀周期就沒有必要輸出校驗(yàn)位了,可以設(shè)計(jì)為輸出伴隨式S。

　　② 錯(cuò)誤標(biāo)記輸出。在應(yīng)用中,可以設(shè)計(jì)兩種錯(cuò)誤標(biāo)記輸出,分別記為ERR和INT。其中ERR輸出"1"表示數(shù)據(jù)位有錯(cuò)誤產(chǎn)生,包括可自動(dòng)糾正的一位錯(cuò)誤和兩位或兩位以上錯(cuò)誤。INT輸出"1"則表示發(fā)生了兩位或以上錯(cuò)誤,無法自動(dòng)糾正,向CPU申請中斷,由CPU進(jìn)行異常處理。

　　在表2中,總結(jié)了上面所描述的功能設(shè)計(jì)。

　　表2 EDAC模塊功能表

{{分頁}}

圖1為EDAC部分邏輯等效圖。

　　圖1 EDAC模塊等效邏輯圖

　　由于邏輯關(guān)系已經(jīng)非常明確了,下面討論采用VHDL語言實(shí)現(xiàn)上述EDAC模塊的功能。可以有兩種方法來實(shí)現(xiàn)VHDL編程,即RTL級語言描述和行為級語言描述。其中RTL級描述的實(shí)現(xiàn)難度比較大,需要根據(jù)前面設(shè)計(jì)的邏輯功能,轉(zhuǎn)換為基本的門來描述;有效率高和受邏輯綜合軟件的影響小等優(yōu)點(diǎn),但可讀性差, 實(shí)現(xiàn)起來比較困難。因此我們采用的是行為級描述,根據(jù)四個(gè)輸入作敏感量,用一個(gè)進(jìn)程(process)就可以實(shí)現(xiàn)。編程思路是：根據(jù)控制端C0和C1進(jìn)行判斷,如果是寫周期,直接將輸入的數(shù)據(jù)相應(yīng)位進(jìn)行異或后輸出;如果是讀周期,先生成伴隨式S,然后判斷S,用CASE語句執(zhí)行相應(yīng)的輸出。需要強(qiáng)調(diào)的是在不需要輸出的時(shí)候,要把輸出端用高阻封住。

　　利用這個(gè)EDAC模塊再輔以簡單的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的EDAC功能,可以把這一部分整個(gè)電路都集成到FPGA中。

　　3 仿真結(jié)果

　　仿真環(huán)境：MAX+plus II 10.0。

　　仿真模擬器件：FLEX 10K系列,EPF10K10LC84-3。

　　信號功能說明見表 3。

　　表3 仿真信號說明

　　(1) 寫周期的仿真

　　圖2所示仿真圖中,275~500 ns仿真了一個(gè)寫周期,數(shù)據(jù)輸入是AA55,而校驗(yàn)位輸出是00,通過驗(yàn)證是符合上面的設(shè)計(jì)邏輯的。

　　圖2 仿真結(jié)果

　　(2) 讀周期的仿真

　　在讀周期的仿真中,我們模擬了以下四種情況。

　?、?正確的讀周期：出現(xiàn)在650~975ns,校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位都是正確值。

　　② 數(shù)據(jù)位出現(xiàn)一位錯(cuò)誤：圖2中1.25~1.65 μs模擬了數(shù)據(jù)位產(chǎn)生一位錯(cuò)誤的情況。數(shù)據(jù)正確的情況下應(yīng)該是AA55,但現(xiàn)在d8位發(fā)生了錯(cuò)誤,讀入的數(shù)據(jù)變?yōu)锳B55,可以看出數(shù)據(jù)已經(jīng)被自動(dòng)更正為 AA55;同時(shí),ERR輸出"1"表明有錯(cuò)誤發(fā)生,CBOUT輸出為23,即100011,從表 1可以看出是d8位發(fā)生了錯(cuò)誤。

　?、?校驗(yàn)位出現(xiàn)一位錯(cuò)誤：圖2中1.8~2.0μs模擬了校驗(yàn)位產(chǎn)生一位錯(cuò)誤的情況。校驗(yàn)位正確的情況下應(yīng)該是00,但現(xiàn)在C2位發(fā)生了錯(cuò)誤,讀入的數(shù)據(jù)變?yōu)?04,可以看出數(shù)據(jù)沒變,仍為正確值A(chǔ)A55;同時(shí),ERR沒有輸出,CBOUT輸出為04,即000100,從表一可以看出是C2位發(fā)生了錯(cuò)誤。

　?、?發(fā)生了兩位錯(cuò)誤：圖 2中2.4~2.75μs模擬了數(shù)據(jù)位產(chǎn)生兩位錯(cuò)誤的情況。數(shù)據(jù)正確的情況下應(yīng)該是AA55,但現(xiàn)在d8位和d0位發(fā)生了錯(cuò)誤,讀入的數(shù)據(jù)變?yōu)锳B54, 可以看出EDAC電路已經(jīng)無法自動(dòng)更正。 ERR和INT同時(shí)輸出"1"表明有多位錯(cuò)誤發(fā)生,INT信號可以向CPU申請中斷,用中斷服務(wù)程序進(jìn)行異常處理。

　　可以看出仿真結(jié)果可以滿足設(shè)計(jì)時(shí)的思想,能夠起到自動(dòng)糾正一位錯(cuò)誤和檢測兩位錯(cuò)誤的功能。

　　結(jié)語

　　本文利用糾錯(cuò)編碼的基本知識(shí),提出了一種簡單實(shí)用的能自動(dòng)糾正一位錯(cuò)誤和檢查兩位錯(cuò)誤的編碼方法,并且通過VHDL語言編程,用FPGA器件來實(shí)現(xiàn)。在我們自己的嵌入式系統(tǒng)中,EDAC電路已經(jīng)得到了應(yīng)用和驗(yàn)證?，F(xiàn)在越來越多的嵌入式系統(tǒng)對可靠性要求越來越高,采用EDAC技術(shù)可以簡單有效地提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力;但針對不同系統(tǒng),EDAC和CPU的時(shí)序配合可能會(huì)有所不同。例如,對于一些時(shí)鐘頻率比較高的CPU,可能需要插入等待周期等等,但由于采用 VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì),有很大的靈活性,稍加改動(dòng)就可以滿足不同場合的需求。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 王新梅, 等. 計(jì)算機(jī)中的糾錯(cuò)碼技術(shù).北京：人民郵電出版社,1999

　　2 侯伯亨, 顧新. VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì). 西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1997

　　3 伍志剛. 星載SAR計(jì)算機(jī)可靠性設(shè)計(jì)與糾錯(cuò)編研究：[碩士學(xué)位論文]. 北京：中國科學(xué)院,2000