摘 要：分析了存儲器產(chǎn)生錯誤的原因，提出了提高其可靠性的有效途徑。結(jié)合航天計算機(jī)可靠性增長計劃，給出了一套利用糾檢錯芯片對其進(jìn)行容錯的方案，并給出了通過CPLD器件實(shí)現(xiàn)的仿真結(jié)果。最后對容錯存儲器的可靠性進(jìn)行了分析。<!--摘要CH(結(jié)束)←-->
<!--→關(guān)鍵CH(開始)--> 關(guān)鍵詞：容錯；糾一檢二；瞬態(tài)錯誤；最佳奇權(quán)碼；復(fù)雜可編程邏輯器件<!--關(guān)鍵CH(結(jié)束)←--><!--→標(biāo)題EN(開始)-->
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(yán)格的目標(biāo)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(shí)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(jī)獨(dú)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(dāng)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(shí)現(xiàn)了用CPLD技術(shù)和糾檢錯芯片對存儲器進(jìn)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(kuò)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(yàn)位數(shù)r應(yīng)滿足2r－1≥k＋r。當(dāng)k＝16時，r＝6，數(shù)據(jù)位長增加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(Modified Hamming Code)。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(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1，且無相同列。
(2)總的1的個數(shù)少，所以校驗(yàn)位、伴隨式生成表達(dá)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(yàn)碼為(c4 c3 c2 c1 c0)，P矩陣和編碼規(guī)則分別為：
譯碼時把數(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，由其可判別錯誤類型：
(1)若S＝0，則認(rèn)為沒有錯誤；
(2)若S≠0，且S含有奇數(shù)個1，則認(rèn)為產(chǎn)生了單位錯；若S≠0，且S含有偶數(shù)個1，則認(rèn)為產(chǎn)生了2位錯。
因此，錯誤圖樣S＝［s0 s1 s2 s3 s4］與產(chǎn)生的錯誤一一對應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)糾一檢二功能。
2 存儲器容錯芯片設(shè)計實(shí)現(xiàn)
2．1 存儲器設(shè)計實(shí)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(diǎn)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(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(jìn)。這種方案最突出的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。
2．2 糾檢錯電路設(shè)計
糾檢錯電路必須配合CPU的讀寫時序進(jìn)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(yàn)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(yàn)位數(shù)據(jù)送入糾錯電路鎖存；第2步進(jìn)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(jìn)行處理，有1位錯對數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)位出錯則不進(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
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(yàn)碼產(chǎn)生模塊(Paritygen)產(chǎn)生5 b校驗(yàn)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(yàn)碼，同時與從冗余存儲器讀入的5 b檢驗(yàn)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(dāng)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(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)計環(huán)境［5］，圖3是糾檢錯電路仿真圖形，用CPLD實(shí)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(yàn)位產(chǎn)生1位錯時的情況�！�
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n1，發(fā)生2位及多位錯的次數(shù)為n2，采用糾錯碼時，平均無故障時間為T1＝T/(n1＋n2)，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：
據(jù)資料估計，對于1位錯占整個錯誤的比例
，增益G=4.6～9．3。通過CPLD來實(shí)現(xiàn)存儲器的容錯，大大縮短了設(shè)計開發(fā)周期，降低了成本，同時提高了系統(tǒng)的可靠性。
<!--→參考文獻(xiàn)CH(開始)-->
