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来源 | nhczp

编排 | strongerHuang

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(+)D0
P2=D7(+)D6(+)D3(+)D2　　P2`=D5(+)D4(+)D1(+)D0
P1=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 paritystatic 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 blockvoid 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 blockint 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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