STM32的FSMC支持的硬件ECC校验NAND Flash（转载）

eric2013

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0.前言    
    STM32F103中FSMC模块可支持NOR、NAND和PC Card。对于NAND Flash器件而言，可映射（挂接）到该模块下的BANK2/3，同时这两个BANK，FSMC额外提供了硬件ECC功能，用于确保NAND Flash页数据的完整性。相对于软件实现的ECC功能，硬件ECC更为高效。本文笔者就此功能及其使用作一些说明。
    首先，什么是ECC（Error checking and Correction）呢？简单来讲，它是一种对传输数据的错误检测和修正的算法。不同于NOR Flash内部结构，NAND Flash存储单元(cell)是串行组织的，当读取一个单元的时候，读出放大器（sense amplifier）所检测到信号强度会被这种串行存储结构削弱，这也难免降低了所读信号的准确性。因此如何保证NAND Flash数据的可靠性成了一个问题。ECC作为一种解决手段，被广泛使用。ECC有三种常用的算法，包括汉明码(hamming code)、RS码(Reed Solomon code)和BCH码。其中汉明码是FSMC模块的硬件ECC所采用的校验方式。

1. 汉明编码介绍
     Hamming编码计算简单。通过计算块上数据包得到2个ECC值。为计算ECC值，数据包中的比特数据要先进行分割，如1／2组、1／4组、1／8组等，直到其精度达到单个比特为止，以8 bit即1 Byte的数据包为例进行说明，如图1所示。

     该数据按图1所示方式进行比特分割，分别得到上方的偶校验值ECCe和下方的奇校验值ECCo。其中，1／2校验值经“异或”操作构成ECC校验的最高有效位，同理1／4校验值构成ECC校验的次高有效位，最低有效位由具体到比特的校验值填补。图2展示了两个ECC校验值的计算过程。

    即偶校验值ECCe为“101”，奇校验值ECCo为“010”。图1所示为只有1 Byte数据的数据包，更大的数据包需要更多的ECC值。事实上，每n bit的ECC数值可满足2nbit数据包的校验要求。又由于这种Hamming码算法要求一对ECC数据(奇偶)，所以总共要求2n bit的ECC校验数据来处理2nbit的数据包。
    计算之后，原数据包和ECC数值都要写入NAND器件。稍后，原数据包将从NAND器件中读取，此时ECC值将重新计算。如果新计算的ECC不同于先前编入NAND器件的ECC，那么表明数据在读写过程中出错。
例如，原始数据01010001中有1个单一的比特出现错误，出错后的数据是01010101。经前面所示方法计算，从图3中可以清楚地看到由于数据发生了变化，2个新的ECC数值已不同与原来的ECC值。

    此时把所有4个ECC数值进行按位“异或”，就可以判断是否出现了1个单一比特的错误或者是多比特的错误。如果计算结果为全“0”，说明数据在读写过程中未发生变化。如果计算的结果为全“1”，表明发生了1 bit错误，如图4所示。如果计算结果是除了全“0”和全“1”的任何一种情况，那么就是2 bit出错的情况。2 bit错误总可以检测到，然而，Hamming码算法仅能够保证更正单一比特的错误。如果两个或是更多的比特出错，那么就不能修改该出错的数据包，在这种情况下，Hamming算法就可能不能够指示出已经出现的错误。不过，考虑到SLC NAND器件的比特错误的情况，出现2、3 bit错误的可能性非常低。

对于1 bit错误的情况，出错地址可通过将原有ECCo值和新ECCo值进行按位“异或”来识别获取。通过图5中的计算，结果为2，表明原数据第2 bit位出现了问题。该计算采用奇校验数据ECCo，这是因为它们可以直接地反映出出错比特的位置。

找到出错比特后，只要通过翻转它的状态就可修复数据包，具体操作也就是将该位与“1”进行异或操作，如图6所示。

    在上述举例中，校验1个8 bit数据包需要6 bit的ECC数据。在这种情况下，校验数据量达到原始数据包的数据量的75％，看上去并不令人满意。然而，随着数据包大小的增加，Hamming算法将表现得越来越有效率。由前面2n bit数据需要2n bit ECC校验的关系推知，每增加一倍的数据要求两个额外的ECC信息比特。这样，当数据增加到，比如512 Byte时，仅产生24 bit的ECC，此时用于校验的数据占原数据的比例降为0．06％，效率较高。

2.STM32的硬件ECC
    STM32硬件ECC所采用的汉明算法可实现一位错误修正和两位错误检测，支持页256、512、1024、2048、4096 以及 8192bytes。当FSMC的硬件ECC功能开启后，FSMC模块根据用户设置的参数（计算页大小、数据位宽等）对NAND Flash数据线上传递的（读/写）数据进行ECC计算，数据传输结束后，ECC计算结果自动存放在ECCR寄存器中。与其他器件不同的是，STM32的硬件ECC功能只负责ECC计算的功能，而对于ECC值的校验，用户需软件实现。
     假设连接了一块页大小为512bytes的NAND Flash在BANK2，先设置寄存器PRC2，配置页大小，位宽等。当需写入某一页时，先将PRC2寄存器的ECCEN位置1，即开始ECC功能，再执行数据写入命令。写完成后，读取ECCR2寄存器之中的ECC值，因为页为512大小，所以有效的ECC校验位大小应是24bit。同样的方法，读取该页时，我们同样也能在ECCR2寄存器读取到该页的ECC值。此时，拥有了写和读所产生的ECC值，继而可以对这页数据进行ECC校验了。对WECC值的奇偶位分别作异或，就可判断所读取的页数据是否与正确。一旦不正确，进一步采用汉明校验，就可以修正最多一位错误。如果错误位大于一位，则无法修正。

3.硬件ECC校验算法实现
    下图是部分算法实现（经测试），详细内容请参见都江堰操作系统源码。
   

4.总结
     STM32的硬件ECC是一个十分实用的功能，通过本文的介绍和对源码的理解，相信读者能够较容易地实现这个功能。
   

eric2013

注意本文的重点：STM32的硬件ECC功能只负责ECC计算的功能，而对于ECC值的校验，用户需软件实现。

jcx0324

实际应用中必须开启ECC,不然翻转的数据无法纠正

jcx0324

ST官方也有个知道程序的,在实际应用中还真能纠正1bit错误

eric2013

jcx0324:ST官方也有个知道程序的,在实际应用中还真能纠正1bit错误 (2015-09-21 10:29) 

这个硬件ECC没什么意思，我没有使用，太麻烦了，还得用户做校验。

我使用的是FlashFS自带的软件ECC算法。

jcx0324

eric2013:这个硬件ECC没什么意思，我没有使用，太麻烦了，还得用户做校验。

我使用的是FlashFS自带的软件ECC算法。 (2015-09-21 10:33) 

硬件ECC能够提高计算速度, 只是纠错部分要靠外部软件算法实现