RAM的Parity与ECC概念和实现

RAM的 Parity 与 ECC

一、概念介绍

1.1 Parity的概念

Parity，即奇偶校验位，指在数据存储和传输中，字节中额外增加一个比特位，用来检验错误。它常常是从两个或更多的原始数据中产生一个冗余数据。一个字节数据的校验位等于8bit数据异或即：p=x0^x1^x2^x3^x4^x5^x6^x7。此时，实际的数据传输序列为9bit：数据+奇偶校验位。

Parity 这个概念可能最初接触到可能是在使用串口调试助手时，它有个可选的奇偶校验，就是为了指示数据传输过程中，发送方和接受方数据序列1的个数是否一致。如果不一致，说明数据在传输的链路中可能出错了。

优点：

结构简单，只需异或计算就可以实现，数据量小时实现代价小。

缺点：

1、不能修正错误：只知道校验的数据中有部分比特发生错误，无法判断哪几个比特发送错误。

2、有偶数个比特位时，则无法判断出错。

3、数据位宽较大时实现代价大：如1024比特数据，需要256bit的校验位。

1.2 ECC的概念

ECC是“Error Correcting Code”的简写，ECC是一种能够实现“错误检查和纠正”的技术。通过上面的分析我们知道Parity机制是通过在原来数据位的基础上增加一个数据位来检查当前8位数据的正确性，随着数据位每增加8比特，检验位需要增加1比特。当数据量为256字节时，需要256个比特位，并且出错的数据无法恢复。由此，一种存储检错纠错机制出现了，这就是ECC。ECC同样通过增加校验位来进行错误判断，但是能够进行错误纠正。

优点：

1）：大量数据位实现代价低：8比特数据需要5个校验位，256字节（256*8比特）的数据值需要5个列校验位和11行校验位

2）能够纠正错误：在内存中ECC能够容许错误，并可以将错误更正，使系统得以持续正常的操作，不致因错误而中断

缺点：

1）：只能修复1比特错误

当数据只有单比特错误时，ECC能够进行错误修复；超过2比特的数据错误，将无法修复，ECC只能输出多比特错误信号。

2）：不保证能检测超过2比特的错误。

超过2比特的错误不一定能检测出来。

3）：算法复杂，逻辑级数比较深，时序不好收敛。

二、应用场景 

在IC设计中RAM模块需要输出信号有Parity信号和ECC信号。这样能够在一定程度上确保芯片的可测性以及可靠性。特别是在逻辑设计中使用的链表RAM或者控制RAM，如果这类RAM底层有坏块而导致RAM读出的数据某bit发生错误，可能会导致系统挂死。为了减少出现这种情况的风险，一般会对这类RAM做ECC计算逻辑，而像数据流RAM或者配置RAM可以只做Parity校验。

事实上，在做Parity计算时，并不需要严格按照每字节增加1bit Parity校验位，这样对于大位宽的RAM而言，仅仅为了实现校验错误，实现代价太大。因此，可以一个RAM做一个Parity校验位。而对于ECC而言，一般针对位宽较小的RAM。

三、实现细节

Parity是同一个data所有比特的异或，在data_in写入的时候进行异或计算得到parity_in，同时写入到RAM中，读出data的得到data_out，对data_out进行异或计算得到parity_out，若parity_out与parity_in（ram读出数据所携带）不相等，则表示数据有错误。

此外，在RAM的写侧和读侧加入Parity计算逻辑时，特别是大位宽的RAM，则需要考虑reg2mem和mem2reg时序是否收敛的问题，一般情况下处理是写侧计算Parity后打拍后写入，读侧打拍后再做Parity计算逻辑。

ECC负责纠错，能够修正1bit的数据。

原文标题：IC基础：RAM 的 Parity 与 ECC

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责任编辑：haq