摘要 基于Flash存储器的Hamming编码原理，在ALTEra QuartusⅡ7．0开发环境下，实现ECC校验功能。测试结果表明，该程序可实现每256 Byte数据生成3 Byte的ECC校验数据，能够检测出1 bit错误和2 bit错误，对于1 bit错误还能找出其出错位置并予以纠正，可应用于NAND Flash读写控制器的FPGA设计，保证数据传输的可靠性。
关键词 ECC校验；FPGA；NAND Flash；读写控制器
移动产品应用领域，NAND Flash设备已成为人们解决高密度固态存储的专用方法。信息技术的飞速发展，人们对信息的需求量也越来越大。因此，大量数据在系统内部以及网络之间存储和传递时，对数据进行检测并更正可能出现的错误尤为重要。纠错码ECC(Error Correct-ion Code)满足这一需求，其被称为ECC校验，是一种常用于NAND Flash读写控制器的校验编码。
ECC校验负责检测错误、维护ECC信息、更正由原数值改变了的单比特错误。所有ECC的操作处理都可由一个ECC模块来控制，其作为一种简单地存储一映射接口，放置在NAND器件和处理器接口之间。该模块一般包含Hamming编码产生模块和出错位置模块，分别用于产生ECC校验码和计算出错位置。
1 HarEMIna编码
Hamming编码计算简单。广泛用于NAND Flash的Hamming算法，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。
2 扩展数据包
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。下面，以1个8 Byte的数据包为例说明扩展数据包的校验情况。
在这里，由于异或操作满足交换律，用一种更为有效的方法进行校验。如图7所示，首先将该8 Byte数据排为1个矩阵的形式，每行为1B-yte。分别计算每行各bit的异或结果记为字节校验码(Byte-Wise)，计算每列各bit的异或结果记为比特校验码(Bit-Wise)。接下来，将两个校验码分别按上述方法分割计算得到ECC校验码，并将字节校验码的ECC结果作为ECCe和ECCo的高有效位(MSB)、比特校验码的ECC结果做为低有效位(LSB)进行组合，最终得到8 Byte数据包的ECC校验码。
当数据包发生错误时，错误检测和更正所使用的方法与先前所描述的方法相似，这里仍以1 bit错误来说明校验过程，具体如图8所示。
经步骤1～步骤4的计算，新的数据包存在错误且出错位置为“110010”，由于前面将字节校验码设为ECC值的高位，比特校验码设为低位，因此，“110010”的高有效位表示出错的字节地址，低有效位代表出错的比特地址，即字节地址为6、比特地址为2的数据发生了错误，与设定的错误情况相符。此时，只需将该位的数据比特与“1”异或即可完成数据包的修正。