解析容错技术结构电路及读写过程采取措施技术

容错技术

冗余技术对纠正单元的硬失效是很有效的。随着集成度提高，单元尺寸缩小，α软失效又成了重要矛盾，而容错技术可以纠正α软失效。

容错技术的要点是在正常数据位以外加上几位校正码，校正位与数据位之间必须符合一定的编码规律。如果数据位读出发生错误，校正位也会随之变化，从新、老校正位的差别可以检出数据位的错误，甚至可以纠正错误。

熟知的奇偶校正只有一位校正位，可使数据和校正位中的“1”数目为奇或偶，如果有一位出错，将会改变它们的奇偶性，由此可以判断数据是否出错。这种方法只能检出一位错误，但无纠错功能，不符合RAM容错技术的要求。

用汉明码作为校正码与数据码混编在一起，可以实现检1、纠1功能，即能检出1位错误，并将它纠正。

对M位数据码，要求K位校正码，可以证明最小的K与M有如下的关系：

以M=16为例，有K=5，两者混编在一起总共为21位。

数据码和校正码混合编排次序如下：

其中C1、C2、C4、C8和C16为汉明校正码，它与数据位的关系和编法如下：

利用上述的编排，用新、老校正码的“异或”，产生5位的特征字S。如果S=0，则没有错误；如果S≠0，并设只有一位数据出错，那末S就标志出错位的位置，以编排次序为标志。

这里我们不用编码原理来证明上述的结果，只用一个实例来证实。

原数据为16位，0101 0000 0011 1001，读出只错一位为0101 0000 0011 。用上面公式计算原数据的汉明码C16C8C4C2C1为11110，错数据的汉明码为11001，由此求得特征字S为：

特征字是5位二进制数。由上述可知，混编码的第7位有错。由编排表查得数据位的第4位出错，确与实际情况相符。

如果我们以E=M/（M+K）表示纠错效率，由前述的权明码位数与数据位数的关系可知，数据位M越少，纠错效率越低。一般M为20位左右较为合理，这时纠错效率较高。如果M很大，虽然E可更大一些，但效果不好，因为汉明码只能纠错一位，如M很大，·出错多于一位的概率大大增加，使它无法纠错。

修正汉明码可以检出2位错误，纠年1位错误，它比普通汉明码的位数要多。可以证明，修正汉明码的位数及与M的关系为：

下页表列出汉明码和修正汉明码位数与数据位数M的关系。

图3.63为用修正汉明码进行错误检测纠正（ECC）16位数据电路系统框图。除了本征RAM（包括纠错单元），还有一些附加电路，即校正码产生器（读、写各1个）、特征字产生器、译码器及纠错电路。图中M=16，K=6。由写入和读出的16位数据分别产生两组6位修正汉明码，再由它们产生6位特征字，经译码后产生16个B讯号，分别控制16个纠错电路。

纠错电路实际上也是一个简单的“异或”门组，如图3.64所示。如果B（ⅹ）=0，Dout=D（ⅹ），即不纠错；如果B（ⅹ）=1，，即对错位进行纠正。译码后的B（ⅹ）中至多只有1个是“1”，它指示错位的位置。

由此可知，这种纠错方法对硬、软失效都能有效的纠正。但是，它的电路比较复杂，芯片面积增加较多，因此在规模不是很大、软失效矛盾不是十分突出的RAM中不宜采用。

一种在片ECC的方法比较适用于VLSI RAM，它是一种双向奇偶校正的方法，电路较汉明码法要简单一些。

为了便于说明问题，我们以4×4的单元矩阵为例，在水平方向和垂直方向各加上4个奇偶校正码，图3.65中用的是偶校正。如果有一位数据出错，它所在行、列的校正码都会变化，由它们定出错位的位置，予以纠正。实验及计算表明，采用这种方法后α软失效率可以下降10⁶倍之多。

如图3.65所见，这种方法对整个矩阵只能进行检1纠1。对于大的单元矩阵只纠正一个错误显然是不够的，因此要采取措施。图3.65上的16个单元可以排成矩形，也可以排在一条字线上，如图上虚线箭头所示。再加8位水平和垂直奇偶校正码。这样可以对每一条字线纠一个错，以此提高纠错能力。如果一条字线上位数很多，那末就将它们分成若干组。

图3.66为一个完整的双向奇偶性纠错电路系统，它以一条字线作为一个单元矩阵，共有个单元，应加上个奇偶校正单元。我们把这些在一条字线上的单元看成单元矩阵，即m个垂直校正码，个水平校正码。根据校正码的变化，决定该矩阵中出错位的位置，并设法加以纠正。

读出位数据，产生新的一组个校正位，它们与原来写入的校正位单元逐个进行比较，比较方法类似于汉明码容错电路，再对比较结果进行译码。每一个读出单元数据应对应于水平和垂直各一个校正位，如果都出错，表明该单元数据出错，需要纠正。纠错电路也是“异或”门，水平和垂直校正码的比较也由两个“异或”门来完成。如都出错，经“与”门向纠错电路（XOR）输入“1”，结果。如果有一位校正位不出错，“与”门向纠错XOR输入“0”，结果Dout=D，不需要纠错。

容错技术比冗余技术的电路复杂。由于读出数据要多经过一些门，因此取数时间变长。另外，芯片面积的增加也较冗余法多。它的主要优点是可以纠正软失效。目前，从工艺上来降低软失效率的工作也有不少进展，因此至今容错RAM芯片还未商品化。

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