RAM的 Parity 與 ECC

一、概念介紹

1.1 Parity的概念

Parity，即奇偶校驗位，指在數據存儲和傳輸中，字節中額外增加一個比特位，用來檢驗錯誤。它常常是從兩個或更多的原始數據中產生一個冗余數據。一個字節數據的校驗位等于8bit數據異或即：p=x0^x1^x2^x3^x4^x5^x6^x7。此時，實際的數據傳輸序列為9bit：數據+奇偶校驗位。

Parity 這個概念可能最初接觸到可能是在使用串口調試助手時，它有個可選的奇偶校驗，就是為了指示數據傳輸過程中，發送方和接受方數據序列1的個數是否一致。如果不一致，說明數據在傳輸的鏈路中可能出錯了。

優點：

結構簡單，只需異或計算就可以實現，數據量小時實現代價小。

缺點：

1、不能修正錯誤：只知道校驗的數據中有部分比特發生錯誤，無法判斷哪幾個比特發送錯誤。

2、有偶數個比特位時，則無法判斷出錯。

3、數據位寬較大時實現代價大：如1024比特數據，需要256bit的校驗位。

1.2 ECC的概念

ECC是“Error Correcting Code”的簡寫，ECC是一種能夠實現“錯誤檢查和糾正”的技術。通過上面的分析我們知道Parity機制是通過在原來數據位的基礎上增加一個數據位來檢查當前8位數據的正確性，隨著數據位每增加8比特，檢驗位需要增加1比特。當數據量為256字節時，需要256個比特位，并且出錯的數據無法恢復。由此，一種存儲檢錯糾錯機制出現了，這就是ECC。ECC同樣通過增加校驗位來進行錯誤判斷，但是能夠進行錯誤糾正。

優點：

1）：大量數據位實現代價低：8比特數據需要5個校驗位，256字節（256*8比特）的數據值需要5個列校驗位和11行校驗位

2）能夠糾正錯誤：在內存中ECC能夠容許錯誤，并可以將錯誤更正，使系統得以持續正常的操作，不致因錯誤而中斷

缺點：

1）：只能修復1比特錯誤

當數據只有單比特錯誤時，ECC能夠進行錯誤修復；超過2比特的數據錯誤，將無法修復，ECC只能輸出多比特錯誤信號。

2）：不保證能檢測超過2比特的錯誤。

超過2比特的錯誤不一定能檢測出來。

3）：算法復雜，邏輯級數比較深，時序不好收斂。

二、應用場景

在IC設計中RAM模塊需要輸出信號有Parity信號和ECC信號。這樣能夠在一定程度上確保芯片的可測性以及可靠性。特別是在邏輯設計中使用的鏈表RAM或者控制RAM，如果這類RAM底層有壞塊而導致RAM讀出的數據某bit發生錯誤，可能會導致系統掛死。為了減少出現這種情況的風險，一般會對這類RAM做ECC計算邏輯，而像數據流RAM或者配置RAM可以只做Parity校驗。

事實上，在做Parity計算時，并不需要嚴格按照每字節增加1bit Parity校驗位，這樣對于大位寬的RAM而言，僅僅為了實現校驗錯誤，實現代價太大。因此，可以一個RAM做一個Parity校驗位。而對于ECC而言，一般針對位寬較小的RAM。

三、實現細節

Parity是同一個data所有比特的異或，在data_in寫入的時候進行異或計算得到parity_in，同時寫入到RAM中，讀出data的得到data_out，對data_out進行異或計算得到parity_out，若parity_out與parity_in（ram讀出數據所攜帶）不相等，則表示數據有錯誤。

此外，在RAM的寫側和讀側加入Parity計算邏輯時，特別是大位寬的RAM，則需要考慮reg2mem和mem2reg時序是否收斂的問題，一般情況下處理是寫側計算Parity后打拍后寫入，讀側打拍后再做Parity計算邏輯。

ECC負責糾錯，能夠修正1bit的數據。

原文標題：IC基礎：RAM 的 Parity 與 ECC

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責任編輯：haq