NAND FLASH ECC校验原理与实现

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参考文档: http://blogimg.chinaunix.net/blog/upfile2/080702112233.pdf
NAND FLASH 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(+)D4P4`=D3(+)D2(+)D1(+)D0

P2=D7(+)D6(+)D3(+)D2P2`=D5(+)D4(+)D1(+)D0

P1=D7(+)D5(+)D3(+)D1P1`=D6(+)D4(+)D2(+)D0

　　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

……………………………………………………………………………………

　　这里(+)同样表示“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

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;

}