一文诠释NandFlash ECC校验原理与实现

大家应该都在用U盘，而U盘中的存储芯片就是NandFlash，你买的64G的U盘，实际并没有64G，其中一个原因就是存在坏块。

因为工艺和其他方面的原因，不能保证NandFlash不存在坏块，因此就需要“挑选出坏块”。

本文就为大家讲述一下用于NandFlash的ECC校验原理与实现。

ECC简介

由于NAND Flash的工艺不能保证NAND的Memory Array在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生产中及使用过程中会产生坏块。为了检测数据的可靠性，在应用NAND Flash的系统中一般都会采用一定的坏区管理策略，而管理坏区的前提是能比较可靠的进行坏区检测。

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。

对数据的校验常用的有奇偶校验、CRC校验等，而在NAND Flash处理中，一般使用一种比较专用的校验——ECC。ECC能纠正单比特错误和检测双比特错误，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。

ECC原理

ECC一般每256字节原始数据生成3字节ECC校验数据，这三字节共24比特分成两部分：6比特的列校验和16比特的行校验，多余的两个比特置1，如下图所示：

ECC的列校验和生成规则如下图所示：

用数学表达式表示为：

P4=D7（+）D6（+）D5（+）D4　　P4`=D3（+）D2（+）D1（+）D0P2=D7（+）D6（+）D3（+）D2　　P2`=D5（+）D4（+）D1（+）D0P1=D7（+）D5（+）D3（+）D1　　P1`=D6（+）D4（+）D2（+）D0

备注：这里（+）表示“位异或”操作

ECC的行校验和生成规则如下图所示：

用数学表达式表示为：

P8 = bit7（+）bit6（+）bit5（+）bit4（+）bit3（+）bit2（+）bit1（+）bit0（+）P8

备注：这里（+）表示“位异或”操作

当往NAND Flash的page中写入数据的时候，每256字节我们生成一个ECC校验和，称之为原ECC校验和，保存到PAGE的OOB（out-of-band）数据区中。

当从NAND Flash中读取数据的时候，每256字节我们生成一个ECC校验和，称之为新ECC校验和。

校验的时候，根据上述ECC生成原理不难推断：将从OOB区中读出的原ECC校验和新ECC校验和按位异或，若结果为0，则表示不存在错（或是出现了ECC无法检测的错误）；若3个字节异或结果中存在11个比特位为1，表示存在一个比特错误，且可纠正；若3个字节异或结果中只存在1个比特位为1，表示OOB区出错；其他情况均表示出现了无法纠正的错误。

ECC算法的实现

这里附上算法代码：

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;　　}

参考文档：

http://blogimg.chinaunix.net/blog/upfile2/080702112233.pdf

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编辑：jq