NAND FLASH ECC校驗原理與實現
ECC簡介
由於NAND Flash的工藝不能保證NAND的Memory Array在其生命週期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生產中及使用過程中會產生壞塊。爲了檢測數據的可靠性，在應用NAND Flash的系統中一般都會採用一定的壞區管理策略，而管理壞區的前提是能比較可靠的進行壞區檢測。
如果操作時序和電路穩定性不存在問題的話，NAND Flash出錯的時候一般不會造成整個Block或是Page不能讀取或是全部出錯，而是整個Page（例如512Bytes）中只有一個或幾個bit出錯。
對數據的校驗常用的有奇偶校驗、CRC校驗等，而在NAND Flash處理中，一般使用一種比較專用的校驗——ECC。ECC能糾正單比特錯誤和檢測雙比特錯誤，而且計算速度很快，但對1比特以上的錯誤無法糾正，對2比特以上的錯誤不保證能檢測。
ECC原理
ECC一般每256字節原始數據生成3字節ECC校驗數據，這三字節共24比特分成兩部分：6比特的列校驗和16比特的行校驗，多餘的兩個比特置1，如下圖所示：
ECC的列校驗和生成規則如下圖所示：
用數學表達式表示爲：
P4=D7(+)D6(+)D5(+)D4 P4`=D3(+)D2(+)D1(+)D0
P2=D7(+)D6(+)D3(+)D2 P2`=D5(+)D4(+)D1(+)D0
P1=D7(+)D5(+)D3(+)D1 P1`=D6(+)D4(+)D2(+)D0
這裏(+)表示“位異或”操作
ECC的行校驗和生成規則如下圖所示：
用數學表達式表示爲：
P8 = bit7(+)bit6(+)bit5(+)bit4(+)bit3(+)bit2(+)bit1(+)bit0(+)P8
……………………………………………………………………………………
這裏(+)同樣表示“位異或”操作
當往NAND Flash的page中寫入數據的時候，每256字節我們生成一個ECC校驗和，稱之爲原ECC校驗和，保存到PAGE的OOB（out-of-band）數據區中。
當從NAND Flash中讀取數據的時候，每256字節我們生成一個ECC校驗和，稱之爲新ECC校驗和。
校驗的時候，根據上述ECC生成原理不難推斷：將從OOB區中讀出的原ECC校驗和新ECC校驗和按位異或，若結果爲0，則表示不存在錯（或是出現了ECC無法檢測的錯誤）；若3個字節異或結果中存在11個比特位爲1，表示存在一個比特錯誤，且可糾正；若3個字節異或結果中只存在1個比特位爲1，表示OOB區出錯；其他情況均表示出現了無法糾正的錯誤。
ECC算法的實現
static const u_char nand_ecc_precalc_table[] =
{
0x00, 0x55, 0x56, 0x03, 0x59, 0x0c, 0x0f, 0x5a, 0x5a, 0x0f, 0x0c, 0x59, 0x03, 0x56, 0x55, 0x00,
0x65, 0x30, 0x33, 0x66, 0x3c, 0x69, 0x6a, 0x3f, 0x3f, 0x6a, 0x69, 0x3c, 0x66, 0x33, 0x30, 0x65,
0x66, 0x33, 0x30, 0x65, 0x3f, 0x6a, 0x69, 0x3c, 0x3c, 0x69, 0x6a, 0x3f, 0x65, 0x30, 0x33, 0x66,
0x03, 0x56, 0x55, 0x00, 0x5a, 0x0f, 0x0c, 0x59, 0x59, 0x0c, 0x0f, 0x5a, 0x00, 0x55, 0x56, 0x03,
0x69, 0x3c, 0x3f, 0x6a, 0x30, 0x65, 0x66, 0x33, 0x33, 0x66, 0x65, 0x30, 0x6a, 0x3f, 0x3c, 0x69,
0x0c, 0x59, 0x5a, 0x0f, 0x55, 0x00, 0x03, 0x56, 0x56, 0x03, 0x00, 0x55, 0x0f, 0x5a, 0x59, 0x0c,
0x0f, 0x5a, 0x59, 0x0c, 0x56, 0x03, 0x00, 0x55, 0x55, 0x00, 0x03, 0x56, 0x0c, 0x59, 0x5a, 0x0f,
0x6a, 0x3f, 0x3c, 0x69, 0x33, 0x66, 0x65, 0x30, 0x30, 0x65, 0x66, 0x33, 0x69, 0x3c, 0x3f, 0x6a,
0x6a, 0x3f, 0x3c, 0x69, 0x33, 0x66, 0x65, 0x30, 0x30, 0x65, 0x66, 0x33, 0x69, 0x3c, 0x3f, 0x6a,
0x0f, 0x5a, 0x59, 0x0c, 0x56, 0x03, 0x00, 0x55, 0x55, 0x00, 0x03, 0x56, 0x0c, 0x59, 0x5a, 0x0f,
0x0c, 0x59, 0x5a, 0x0f, 0x55, 0x00, 0x03, 0x56, 0x56, 0x03, 0x00, 0x55, 0x0f, 0x5a, 0x59, 0x0c,
0x69, 0x3c, 0x3f, 0x6a, 0x30, 0x65, 0x66, 0x33, 0x33, 0x66, 0x65, 0x30, 0x6a, 0x3f, 0x3c, 0x69,
0x03, 0x56, 0x55, 0x00, 0x5a, 0x0f, 0x0c, 0x59, 0x59, 0x0c, 0x0f, 0x5a, 0x00, 0x55, 0x56, 0x03,
0x66, 0x33, 0x30, 0x65, 0x3f, 0x6a, 0x69, 0x3c, 0x3c, 0x69, 0x6a, 0x3f, 0x65, 0x30, 0x33, 0x66,
0x65, 0x30, 0x33, 0x66, 0x3c, 0x69, 0x6a, 0x3f, 0x3f, 0x6a, 0x69, 0x3c, 0x66, 0x33, 0x30, 0x65,
0x00, 0x55, 0x56, 0x03, 0x59, 0x0c, 0x0f, 0x5a, 0x5a, 0x0f, 0x0c, 0x59, 0x03, 0x56, 0x55, 0x00
};
// Creates non-inverted ECC code from line parity
static void nand_trans_result(u_char reg2, u_char reg3,u_char *ecc_code)
{
u_char a, b, i, tmp1, tmp2;
/* Initialize variables */
a = b = 0x80;
tmp1 = tmp2 = 0;
/* Calculate first ECC byte */
for (i = 0; i < 4; i++)
{
if (reg3 & a) /* LP15,13,11,9 --> ecc_code[0] */
tmp1 |= b;
b >>= 1;
if (reg2 & a) /* LP14,12,10,8 --> ecc_code[0] */
tmp1 |= b;
b >>= 1;
a >>= 1;
}
/* Calculate second ECC byte */
b = 0x80;
for (i = 0; i < 4; i++)
{
if (reg3 & a) /* LP7,5,3,1 --> ecc_code[1] */
tmp2 |= b;
b >>= 1;
if (reg2 & a) /* LP6,4,2,0 --> ecc_code[1] */
tmp2 |= b;
b >>= 1;
a >>= 1;
}
/* Store two of the ECC bytes */
ecc_code[0] = tmp1;
ecc_code[1] = tmp2;
}
// Calculate 3 byte ECC code for 256 byte block
void nand_calculate_ecc (const u_char *dat, u_char *ecc_code)
{
u_char idx, reg1, reg2, reg3;
int j;
/* Initialize variables */
reg1 = reg2 = reg3 = 0;
ecc_code[0] = ecc_code[1] = ecc_code[2] = 0;
/* Build up column parity */
for(j = 0; j < 256; j++)
{
/* Get CP0 - CP5 from table */
idx = nand_ecc_precalc_table[dat[j]];
reg1 ^= (idx & 0x3f);
/* All bit XOR = 1 ? */
if (idx & 0x40) {
reg3 ^= (u_char) j;
reg2 ^= ~((u_char) j);
}
}
/* Create non-inverted ECC code from line parity */
nand_trans_result(reg2, reg3, ecc_code);
/* Calculate final ECC code */
ecc_code[0] = ~ecc_code[0];
ecc_code[1] = ~ecc_code[1];
ecc_code[2] = ((~reg1) << 2) | 0x03;
}
// Detect and correct a 1 bit error for 256 byte block
int nand_correct_data (u_char *dat, u_char *read_ecc, u_char *calc_ecc)
{
u_char a, b, c, d1, d2, d3, add, bit, i;
/* Do error detection */
d1 = calc_ecc[0] ^ read_ecc[0];
d2 = calc_ecc[1] ^ read_ecc[1];
d3 = calc_ecc[2] ^ read_ecc[2];
if ((d1 | d2 | d3) == 0)
{
/* No errors */
return 0;
}
else
{
a = (d1 ^ (d1 >> 1)) & 0x55;
b = (d2 ^ (d2 >> 1)) & 0x55;
c = (d3 ^ (d3 >> 1)) & 0x54;
/* Found and will correct single bit error in the data */
if ((a == 0x55) && (b == 0x55) && (c == 0x54))
{
c = 0x80;
add = 0;
a = 0x80;
for (i=0; i<4; i++)
{
if (d1 & c)
add |= a;
c >>= 2;
a >>= 1;
}
c = 0x80;
for (i=0; i<4; i++)
{
if (d2 & c)
add |= a;
c >>= 2;
a >>= 1;
}
bit = 0;
b = 0x04;
c = 0x80;
for (i=0; i<3; i++)
{
if (d3 & c)
bit |= b;
c >>= 2;
b >>= 1;
}
b = 0x01;
a = dat[add];
a ^= (b << bit);
dat[add] = a;
return 1;
}
else
{
i = 0;
while (d1)
{
if (d1 & 0x01)
++i;
d1 >>= 1;
}
while (d2)
{
if (d2 & 0x01)
++i;
d2 >>= 1;
}
while (d3)
{
if (d3 & 0x01)
++i;
d3 >>= 1;
}
if (i == 1)
{
/* ECC Code Error Correction */
read_ecc[0] = calc_ecc[0];
read_ecc[1] = calc_ecc[1];
read_ecc[2] = calc_ecc[2];
return 2;
}
else
{
/* Uncorrectable Error */
return -1;
}
}
}
/* Should never happen */
return -1;
}