基于FPGA的錯(cuò)誤檢測(cè)與自動(dòng)糾正的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

關(guān)鍵詞： FPGA , 錯(cuò)誤檢測(cè) , 自動(dòng)糾正

引言

在一些電磁環(huán)境比較惡劣的情況下，一些大規(guī)模集成電路常常會(huì)受到干擾，導(dǎo)致不能正常工作。特別是像RAM這種利用雙穩(wěn)態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)的器件，往往會(huì)在強(qiáng)干擾下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使原來(lái)存儲(chǔ)的"0"變?yōu)?1"，或者"1"變?yōu)?0"，造成的后果往往是很?chē)?yán)重的。例如導(dǎo)致一些控制程序跑飛，存儲(chǔ)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)出錯(cuò)等等?，F(xiàn)在，隨著芯片集成度的增加，發(fā)生錯(cuò)誤的可能性也在增大。在一些特定的應(yīng)用中，這已經(jīng)成為一個(gè)不能忽視的問(wèn)題。例如在空間電子應(yīng)用領(lǐng)域，單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)就成為困擾設(shè)計(jì)師的一個(gè)難題。

在這種情況下，我們可以采用錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正EDAC（ErrorDetectionAndCorrection）電路來(lái)有效地減少或避免這種情況的出現(xiàn)。根據(jù)檢錯(cuò)、糾錯(cuò)的原理，主要思想是在數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)，根據(jù)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)生成一定位數(shù)的校驗(yàn)碼，與相應(yīng)的數(shù)據(jù)一起保存起來(lái)；當(dāng)讀出時(shí)，同時(shí)也將校驗(yàn)碼讀出，進(jìn)行判決。如果出現(xiàn)一位錯(cuò)誤則自動(dòng)糾正，將正確的數(shù)據(jù)送出，并同時(shí)將改正以后的數(shù)據(jù)回寫(xiě)覆蓋原來(lái)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)；如果出現(xiàn)兩位錯(cuò)誤則產(chǎn)生中斷報(bào)告，通知CPU進(jìn)行異常處理。所有這一切動(dòng)作都是靠硬件設(shè)計(jì)自動(dòng)完成的，具有實(shí)時(shí)性和自動(dòng)完成的特點(diǎn)。通過(guò)這樣的EDAC電路，能大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

當(dāng)然，有一些現(xiàn)成的集成電路芯片可以完成上述功能，如74系列的74630芯片等。但由于嵌入式系統(tǒng)中，往往由于集成化的需要，要將這樣的功能集成到FPGA中去實(shí)現(xiàn)，因此采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)具有靈活性和通用性的特點(diǎn)。

1檢錯(cuò)與糾錯(cuò)原理

首先來(lái)看看檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的基本原理。進(jìn)行差錯(cuò)控制的基本思想是在信息碼組中以一定規(guī)則加入不同方式的冗余碼，以便在信息讀出的時(shí)候依靠多余的監(jiān)督碼或校驗(yàn)碼來(lái)發(fā)現(xiàn)或自動(dòng)糾正錯(cuò)誤。

針對(duì)誤碼發(fā)生的特點(diǎn)，即錯(cuò)誤發(fā)生的隨機(jī)性和小概率性，它幾乎總是隨機(jī)地影響某個(gè)字節(jié)中的某一位（bit），因此，如果能夠設(shè)計(jì)自動(dòng)糾正一位錯(cuò)誤，而檢測(cè)兩位錯(cuò)誤的編碼方式，就可以大大的提高系統(tǒng)的可靠性。

現(xiàn)在我們以16位的CPU數(shù)據(jù)總線為例，假定信息源的位數(shù)為16，要構(gòu)造一種能夠糾正一位錯(cuò)誤，檢查兩位錯(cuò)誤的編碼方式。根據(jù)"糾錯(cuò)定理"，需要設(shè)計(jì)最小漢明距離≥4的碼組。我們可以采用線形分組碼，利用線性分組碼的概念可以構(gòu)造六位監(jiān)督碼，它們由如下線性關(guān)系產(chǎn)生：

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其中，d0~d15為16位數(shù)據(jù)（15為最高位MSB，0為最低位LSB），C0~C5為產(chǎn)生的六位監(jiān)督碼，表示進(jìn)行異或運(yùn)算。
在數(shù)據(jù)讀出時(shí)，我們只需要考察伴隨式S=[S0S1S2S3S4S5]，其中：

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很容易證明，根據(jù)伴隨式進(jìn)行誤差診斷，符合表1所列情況。
表1誤差診斷碼表
伴隨式
  錯(cuò)誤位置

 
數(shù)據(jù)位
  校驗(yàn)位
  無(wú)錯(cuò)
 
d0
  d1
  d2
  d3
  d4
  d5
  d6
  d7
  d8
  d9
  d10
  d11
  d12
  d13
  d14
  d15
  C0
  C1
  C2
  C3
  C4
  C5
 
S0
  1
  1
  0
  1
  1
  0
  0
  0
  1
  1
  1
  0
  0
  1
  0
  0
  1
  0
  0
  0
  0
  0
  0
 
S1
  1
  0
  1
  1
  0
  1
  1
  0
  1
  0
  0
  1
  0
  0
  1
  0
  0
  1
  0
  0
  0
  0
  0
 
S2
  0
  1
  1
  0
  1
  1
  0
  1
  0
  1
  0
  0
  1
  0
  0
  1
  0
  0
  1
  0
  0
  0
  0
 
S3
  1
  1
  1
  0
  0
  0
  1
  1
  0
  0
  1
  1
  1
  0
  0
  0
  0
  0
  0
  1
  0
  0
  0
 
S4
  0
  0
  0
  1
  1
  1
  1
  1
  0
  0
  0
  0
  0
  1
  1
  1
  0
  0
  0
  0
  1
  0
  0
 
S5
  0
  0
  0
  0
  0
  0
  0
  0
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  0
  0
  0
  0
  0
  1
  0
 

當(dāng)S=[000000]時(shí)，數(shù)據(jù)正確無(wú)誤；
當(dāng)S=[001011]時(shí)，數(shù)據(jù)錯(cuò)一位，并且錯(cuò)誤發(fā)生在d0位，可將d0位的數(shù)據(jù)取反加以糾正；
當(dāng)S=[001101]時(shí)，數(shù)據(jù)錯(cuò)一位，并且錯(cuò)誤發(fā)生在d1位，可將d1位的數(shù)據(jù)取反加以糾正；
.
.
.
當(dāng)S=[110100]時(shí)，數(shù)據(jù)錯(cuò)一位，并且錯(cuò)誤發(fā)生在d15位，可將d15位的數(shù)據(jù)取反加以糾正；
當(dāng)S=[000001]時(shí)，數(shù)據(jù)錯(cuò)一位，并且錯(cuò)誤發(fā)生在C0位；
.
.
.
當(dāng)S=[100000]時(shí)，數(shù)據(jù)錯(cuò)一位，并且錯(cuò)誤發(fā)生在C5位；
當(dāng)S為其它情況時(shí)，至少發(fā)生兩位錯(cuò)誤。

可以看出，這種編碼方式可以滿(mǎn)足自動(dòng)糾正一位錯(cuò)誤，而發(fā)現(xiàn)兩位錯(cuò)誤的要求。下面就進(jìn)一步討論如何用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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