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Nand ECC校验和纠错原理及2.6.27内核ECC代码分析(转)

2012年05月18日 ⁄ 综合 ⁄ 共 5427字 ⁄ 字号 评论关闭

原文地址:http://blog.chinaunix.net/u/27204/showart_2252873.html

ECC的全称是Error Checking and Correction,是一种用于Nand的差错检测和修正算法如果操作时序和电路稳定性不存在问题的话,NAND Flash出错的时候一般不会造成整个Block或是Page不能读取或是全部出错,而是整个Page(例如512Bytes)中只有一个或几个bit出错。ECC能纠正1比特错误和检测2比特错误,而且计算速度很快,但对1比特以上的错误无法纠正,对2比特以上的错误不保证能检测。

表1

 

其中CP0 ~ CP5 为六个Bit位,表示Column Parity(列极性),

CP0为第0246列的极性,CP1为第1357列的极性,
CP2为第0145列的极性,CP3为第2367列的极性,
CP4为第0123列的极性,CP5为第4567列的极性。

用公式表示就是:CP0=Bit0^Bit2^Bit4^Bit6, 表示第0列内部256Bit位异或之后再跟第2256Bit位异或,再跟第4列、第6列的每个Bit位异或,这样,CP0其实是256*4=1024Bit位异或的结果。CP1 ~ CP5 依此类推。

行校验如下图所示

表2 

 

其中RP0 ~ RP1为十六个Bit位,表示Row Parity(行极性),

RP0为第0246….252254 个字节的极性
RP1-----1357……253255 
RP2----014589…..252253 (处理2Byte,跳过2Byte
RP3---- 23671011…..254255 (跳过2Byte,处理2Byte
RP4---- 处理4Byte,跳过4Byte
RP5---- 跳过4Byte,处理4Byte
RP6---- 处理8Byte,跳过8Byte
RP7---- 跳过8Byte,处理8Byte
RP8---- 处理16Byte,跳过16Byte
RP9---- 跳过16Byte,处理16Byte
RP10----处理32Byte,跳过32Byte
RP11----跳过32Byte,处理32Byte
RP12----处理64Byte,跳过64Byte
RP13----跳过64Byte,处理64Byte
RP14----处理128Byte,跳过128Byte
RP15----跳过128Byte,处理128Byte

可见,RP0 ~ RP15 每个Bit位都是128个字节(也就是128行)即128*8=1024Bit位求异或的结果。

综上所述,对256字节的数据共生成了6Bit的列校验结果,16Bit的行校验结果,共22Bit。在Nand中使用3个字节存放校验结果,多余的两个Bit位置1。存放次序如下表所示:

表3

 

K9F1208为例,每个Page页包含512字节的数据区和16字节的OOB区。前256字节数据生成3字节ECC校验码,后256字节数据生成3字节ECC校验码,共6字节ECC校验码存放在OOB区中,存放的位置为OOB区的第012367字节。

 

 

校验码生成算法的C语言实现

 

Linux内核中ECC校验算法所在的文件为drivers/mtd/nand/nand_ecc.c,其实现有新、旧两种,在2.6.27及更早的内核中使用的程序,从2.6.28开始已经不再使用,而换成了效率更高的程序。可以在Documentation/mtd/nand_ecc.txt 文件中找到对新程序的详细介绍。

 

首先分析一下2.6.27内核中的ECC实现,源代码见:

http://lxr.linux.no/linux+v2.6.27/drivers/mtd/nand/nand_ecc.c

 

为了加快计算速度,程序中使用了一个预先计算好的列极性表。这个表中每一个元素都是unsigned char类型,表示8位二进制数。

表中8位二进制数每位的含义:

 

表4

 

 

这个表的意思是:对0~255256个数,计算并存储每个数的列校验值和行校验值,以数作数组下标。比如 nand_ecc_precalc_table[ 13 ]  存储13的列校验值和行校验值,13的二进制表示为 00001101, 其CP0 = Bit0^Bit2^Bit4^Bit6 = 0

CP1 = Bit1^Bit3^Bit5^Bit7 = 1

CP2 = Bit0^Bit1^Bit4^Bit5 = 1;

CP3 = Bit2^Bit3^Bit6^Bit7 = 0;

CP4 = Bit0^Bit1^Bit2^Bit3 = 1;

CP5 = Bit4^Bit5^Bit6^Bit7 = 0;

其行极性RP = Bit0^Bit1^Bit2^Bit3^Bit4^Bit5^Bit6^Bit7 = 1

nand_ecc_precalc_table[ 13 ] 处存储的值应该是 0101 0110,即0x56.

注意,数组nand_ecc_precalc_table的下标其实是我们要校验的一个字节数据。

理解了这个表的含义,也就很容易写个程序生成这个表了。程序见附件中的 MakeEccTable.c文件。

 

有了这个表,对单字节数据dat,可以直接查表 nand_ecc_precalc_table[ dat ] 得到 dat的行校验值和列校验值。 但是ECC实际要校验的是256字节的数据,需要进行256次查表,对得到的256个查表结果进行按位异或,最终结果的 Bit0 ~ Bit5 即是256字节数据的 CP0 ~ CP5.

 

表5

在这里,计算列极性的过程其实是先在一个字节数据的内部计算CP0 ~ CP5, 每个字节都计算完后再与其它字节的计算结果求异或。而表1中是先对一列Bit0求异或,再去异或一列Bit2。 这两种只是计算顺序不同,结果是一致的。 因为异或运算的顺序是可交换的。

 

行极性的计算要复杂一些。

nand_ecc_precalc_table[] 表中的 Bit6 已经保存了每个单字节数的行极性值。对于待校验的256字节数据,分别查表,如果其行极性为1,则记录该数据所在的行索引(也就是for循环的i值),这里的行索引是很重要的,因为RP0 ~ RP15 的计算都是跟行索引紧密相关的,如RP0只计算偶数行,RP1只计算奇数行,等等。

 

 

 

这里的关键是理解第8889行。Reg3reg2都是unsigned char 型的变量,并都初始化为零。

行索引(也就是for循环里的i)的取值范围为0~255,根据表2可以得出以下规律:

 

RP0只计算行索引的Bit00的行,RP1只计算行索引的Bit01的行;

RP2只计算行索引的Bit10的行,RP3只计算行索引的Bit11的行;

RP4只计算行索引的Bit20的行,RP5只计算行索引的Bit21的行;

RP6只计算行索引的Bit30的行,RP7只计算行索引的Bit31的行;

RP8只计算行索引的Bit40的行,RP9只计算行索引的Bit41的行;

RP10只计算行索引的Bit50的行,RP11只计算行索引的Bit51的行;

RP12只计算行索引的Bit60的行,RP13只计算行索引的Bit61的行;

RP14只计算行索引的Bit70的行,RP15只计算行索引的Bit71的行;

 

已经知道,异或运算的作用是判断比特位为1的个数,跟比特位为0的个数没有关系。如果有偶数个1则异或的结果为0,如果有奇数个1则异或的结果为1

那么,程序第88行,对所有行校验为1的行索引按位异或运算,作用便是:

判断在所有行校验为1的行中,

属于RP1计算范围内的行有多少个------reg3Bit 0指示,0表示有偶数个,1表示有奇数个;

属于RP3计算范围内的行有多少个------reg3Bit 1指示,0表示有偶数个,1表示有奇数个;

属于RP5计算范围内的行有多少个------reg3Bit 2指示,0表示有偶数个,1表示有奇数个;

属于RP7计算范围内的行有多少个------reg3Bit 3指示,0表示有偶数个,1表示有奇数个;

属于RP9计算范围内的行有多少个------reg3Bit 4指示,0表示有偶数个,1表示有奇数个;

属于RP11计算范围内的行有多少个------reg3Bit 5指示,0表示有偶数个,1表示有奇数个;

属于RP13计算范围内的行有多少个------reg3Bit 6指示,0表示有偶数个,1表示有奇数个;

属于RP15计算范围内的行有多少个------reg3Bit 7指示,0表示有偶数个,1表示有奇数个;

 

所以,reg3每个Bit位的作用如下表所示:

 

 

 

表6

89行,对所有行校验为

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