車規(guī)微控制器的ECC機制及EMU外設(shè)

引言

ECC是微控制器系統(tǒng)中，用于保障信息安全的常用機制，主要是避免存儲設(shè)備中存放的數(shù)據(jù)因硬件干擾被篡改。國產(chǎn)車規(guī)微控制器原廠云途半導體設(shè)計和發(fā)布的YTM32微控制器芯片，全系配備了存儲器的ECC機制，可以有效的增強芯片運行穩(wěn)定性，避免因為內(nèi)存位翻轉(zhuǎn)導致芯片產(chǎn)生嚴重故障。本文將以YTM32微控制器芯片為例，對內(nèi)存ECC的基本機制、實現(xiàn)原理和使用時的注意事項等進行介紹。

ECC的基本原理

ECC全稱 Error Checking and Correcting，屬于一種錯誤檢查和糾正算法，典型的ECC算法一般可以做到糾正單比特錯誤和檢查2比特錯誤。

在介紹ECC算法之前，先看一種簡單的校驗算法：奇偶校驗。奇偶校驗是在傳輸數(shù)據(jù)流的末尾，增加1個比特的校驗信息，以保證完整的數(shù)據(jù)流中比特位的累加值一定是奇數(shù)或者偶數(shù)：若采用偶數(shù)校驗的方式，發(fā)送方對偶數(shù)數(shù)據(jù)補充比特0，對于奇數(shù)數(shù)據(jù)補充比特1，這樣發(fā)送的數(shù)據(jù)一定是偶數(shù)，接收方收到數(shù)據(jù)之后就對完整的數(shù)據(jù)幀進行判斷， 如果不是偶數(shù)則代表數(shù)據(jù)出錯。通過增加1個比特的額外數(shù)據(jù)，接收方就可以判斷數(shù)據(jù)流是否正確，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的校驗。

但是，使用奇偶校驗機制對數(shù)據(jù)有效性的判定能力有限：

• 若有2個比特數(shù)據(jù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，那么接收方依然會判定接收到的數(shù)據(jù)是正常數(shù)據(jù)；
• 如果有1個比特數(shù)據(jù)異常，接收方只能判斷數(shù)據(jù)是異常的，并不能從接收到的數(shù)據(jù)恢復出正確的數(shù)據(jù)（因為無法判斷具體是哪一位出現(xiàn)了異常）。

從上面兩種情況來看，奇偶校驗只能檢驗單個比特的數(shù)據(jù)錯誤。

基于奇偶校驗算法，ECC校驗算法通過增加更多的額外校驗數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)的錯誤檢查和錯誤糾正。

這里簡單介紹ECC的實現(xiàn)原理。以4-bit ECC計算為例，如圖x所示，假定3個不同顏色的圓相交的4個小格代表著4個bit的數(shù)據(jù)，與其他圓沒有交集的那個格就代表著ECC bit，即a4，a5，a6。

圖x 4-bit ECC計算方法

這里，人為設(shè)定一個規(guī)則：每個圓內(nèi)的4個bit異或結(jié)果為0（類似于奇偶校驗的機制）。當4個bit的數(shù)據(jù)位確定后，例如圖中的1001，即可確定唯一ECC bit結(jié)果，即：a4=1，a5=0，a6=1。此時，發(fā)生任何1個bit的跳變（包括ECC bit），均可被檢查出來并糾正，從而達到ECC的目的。此處描述的是，每個數(shù)據(jù)位都會和一些ECC位建立約束關(guān)系，但這些數(shù)據(jù)位同時還會同另一些ECC位存在約束關(guān)系，如此，通過數(shù)據(jù)冗余，形成“鐵索連環(huán)”，相互照應(yīng)。以此為基礎(chǔ)，使用更多的ECC位（增加數(shù)據(jù)冗余），可以讓數(shù)據(jù)更加“穩(wěn)固”，但也會付出更多存儲空間的代價。

最小ECC bit位數(shù)n要求：2^n>數(shù)據(jù)位數(shù)+ECC位數(shù)n。

數(shù)據(jù)位每增加1倍，ECC只增加1位檢驗位。設(shè)計ECC時，可以設(shè)計數(shù)據(jù)位是8位對應(yīng)的ECC需要增加5位來進行ECC錯誤檢查和糾正，當數(shù)據(jù)位為16位時ECC位為6位，32位時ECC位為7位，數(shù)據(jù)位為64位時ECC位為8位，依此類推。

在實際應(yīng)用芯片的場景中，存儲單元（包含芯片內(nèi)部SRAM和Flash）通常發(fā)生的是位數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)，也就是單比特錯誤居多。針對這種錯誤，ECC一般可以實現(xiàn)1個比特的錯誤糾正和2個比特錯誤的檢查，芯片的ECC組合一般是32+7和64+8的組合方式。如表x所示。

表x 常用的ECC數(shù)據(jù)長度

有效數(shù)據(jù)	ECC數(shù)據(jù)
32位有效數(shù)據(jù)	7位ECC數(shù)據(jù)
64位有效數(shù)據(jù)	8位ECC數(shù)據(jù)

根據(jù)處理器特性和SRAM以及Flash的應(yīng)用特性，通常在MCU中，一般對SRAM采用32+7的ECC校驗方式，對Flash采用64+8的校驗方式。

ECC RAM的訪問方式

微控制器系統(tǒng)中的總線在讀寫支持ECC的SRAM時，會通過ECC編碼器（Encoder）和ECC解碼器（Decoder）對寫入和讀出的數(shù)據(jù)進行處理，如圖x所示。

• 寫入SRAM數(shù)據(jù)時，總線將計算好該數(shù)據(jù)對應(yīng)的ECC，一并寫入
• 從SRAM讀數(shù)據(jù)時，總線同時讀取數(shù)據(jù)和ECC校驗信息，之后根據(jù)ECC對數(shù)據(jù)進行校驗，然后才將數(shù)據(jù)返回系統(tǒng)中使用

圖x MCU總線讀寫帶有ECC的SRAM

在圖x中可以看到，總線對于SRAM的讀寫都是以32位的帶寬進行操作的，嵌入在32位總線上的ECC編碼器和解碼器也是基于32位數(shù)操作的，但是，軟件中有很多基于字節(jié)或者半字的操作方式，對于這種情況，總線并不能直接以字節(jié)或者半字節(jié)的方式向SRAM存儲區(qū)中寫數(shù)，SRAM控制器首先會讀出SRAM中原有的32位數(shù)，修改這個數(shù)，重新計算ECC，然后將新的數(shù)據(jù)和ECC計算的結(jié)果一并寫入到SRAM中。

ECC RAM的初始化

SRAM存儲器中的內(nèi)容在上電之后內(nèi)容是隨機的，其中的有效數(shù)據(jù)和ECC數(shù)據(jù)并未建立起關(guān)聯(lián)。此時，如果讀取SRAM的內(nèi)容并進行ECC校驗，大概率上是會出現(xiàn)ECC錯誤的。因此，在使用支持ECC的SRAM之前，需要手動對SRAM進行初始化操作。初始化SRAM的操作，就是簡單的向SRAM中按照32位的寬度寫入一個任意值，通過ECC編碼器計算好ECC數(shù)據(jù)并填充SRAM存儲器即可。注意，初始化的時候必須要按照32位的形式寫入，否則若按照字節(jié)或者半字的方式寫入的時候，系統(tǒng)會先讀后寫，最初讀到的數(shù)也是錯的，會出現(xiàn)ECC錯誤。

ECC的初始化過程一般會被放在MCU的啟動匯編代碼中，此時尚未初始化ECC，不能使用建立在ECC內(nèi)存中的堆棧。以YTM32微控制器芯片為例，其啟動程序使用如下代碼實現(xiàn)對ECC的初始化：

#ifndef START_NO_ECC_INIT/* Init ECC RAM */ldr r1, =__RAM_STARTldr r2, =__RAM_ENDsubs    r2, r1subs    r2, #1ble .LC5movs    r0, 0movs    r3, #4
.LC4:str r0, [r1]add	r1, r1, r3subs r2, 4bge .LC4
.LC5:
#endif

上述代碼中，可以通過定義START_NO_ECC_INIT宏配置初始化時繞過ECC初始化，ECC的初始化范圍是從__RAM_START至__RAM_END，這兩個地址是在linker文件中定義的，用戶可以根據(jù)應(yīng)用需求修改相應(yīng)的地址范圍。注意，這里設(shè)置初始化ECC的地址區(qū)域越大，系統(tǒng)啟動的時間將會越長。

YTM32芯片在SRAM產(chǎn)生ECC錯誤時，會產(chǎn)生Bus Error或者Hard Fault。

用戶在使用過程中，如果發(fā)現(xiàn)芯片在單步調(diào)試過程中使用正常（在斷點時，調(diào)試器會掃描存儲空間），但是在芯片重新上電之后就會出現(xiàn)異常，就可以檢查一下是否SRAM ECC沒有正常初始化，例如上述過程中的START_FROM_FLASH宏定義是否在匯編調(diào)試階段有定義（針對舊版本SDK）。

還有一種判定ECC未正常初始化的方式，可通過調(diào)試器查看系統(tǒng)的SRAM，如果發(fā)現(xiàn)有的SRAM可以讀，有的SRAM地址無法正確讀，那么就是ECC沒有正常初始化。

SRAM ECC錯誤注入及EMU外設(shè)

在程序開發(fā)過程中，考慮到功能安全的需求，還需要考慮出現(xiàn)ECC錯誤情況的處理機制。實際上，SRAM上比特位翻轉(zhuǎn)是一個小概率事件，在常規(guī)測試過程很難復現(xiàn)。工程師圈子里有一句廣為流傳的口號，“有困難要上，沒有困難制造困難也要上”。為了人為創(chuàng)造ECC錯誤的情況（以便開發(fā)ECC錯誤處理過程），YTM32的為控制上設(shè)計了一個EMU（ECC Management Unit）的外設(shè)模塊，專門用于主動產(chǎn)生和捕獲ECC錯誤。

EMU模塊在ECC過程中的位置，如圖x所示。

圖x EMC在ECC過程中的位置

EMU實際上是在SRAM的讀過程中增加的一個模塊，將從SRAM的讀取的數(shù)據(jù)同EMU設(shè)置的一個mask進行異或運算，從而對讀取數(shù)據(jù)的某個位進行翻轉(zhuǎn)（以產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)），然后送入ECC解碼器，從而模擬SRAM出現(xiàn)ECC錯誤。

另外，EMU還會監(jiān)測ECC解碼器的結(jié)果，當產(chǎn)生ECC錯誤的時候，EMU會捕獲這個異常，并記錄出現(xiàn)ECC錯誤的地址和異常類型（單比特錯誤還是多比特錯誤）。應(yīng)用中，可通過讀取EMU的錯誤信息，進而決定如何處理ECC錯誤。

對于ECC錯誤的處理方式，可以分為如下幾種情況：

1. 如果系統(tǒng)允許復位的話，可以直接記錄診斷信息后復位運行，這樣SRAM整體都會重新初始化成正常內(nèi)容
2. 針對單比特錯誤，因為ECC可以直接糾正結(jié)果，可以直接讀取產(chǎn)生ECC錯誤地址上的內(nèi)容，然后將內(nèi)容重新寫回到該地址，即可恢復正常。注意，如果ECC錯誤是通過EMU模擬實現(xiàn)的，此時就需要關(guān)閉EMU注入通道，否則再次讀取的時候依然會有ECC錯誤，另外因為ECC是糾1檢2的算法，如果出現(xiàn)多于2比特的錯誤，這種情況SRAM的讀取結(jié)果可能會有正常、單比特錯誤和多比特錯誤幾種結(jié)果。
3. 針對多比特錯誤，因為無法恢復正確信息，應(yīng)用只能向錯誤地址寫入一個默認值，或者通過復位操作恢復正常值。

Flash ECC校驗

Flash內(nèi)部也是通過電荷狀態(tài)來存儲信息的，雖然Flash中電荷的狀態(tài)大部分時間都是穩(wěn)定的，但是當受到某些干擾之后，Flash中電荷狀態(tài)也有可能發(fā)生反轉(zhuǎn)。所以，車規(guī)芯片對Flash的ECC校驗也提出了要求。因為Flash不支持隨機的寫入，所以ECC的操作方面相對SRAM比較簡單。

首先，Flash初始時擦除狀態(tài)，有效數(shù)據(jù)全是1，而對應(yīng)的ECC算法可以保證全1的ECC校驗值也是全1（巧妙啊），也就是說，Flash擦除狀態(tài)下，對Flash的讀操作并不會產(chǎn)生ECC錯誤。而對Flash的寫入都是通過一系列的命令實現(xiàn)的，在寫入的時候，硬件會自動計算好ECC，再將有效數(shù)據(jù)和ECC校驗值一并寫入到Flash的存儲區(qū)中。寫入完成之后，用戶正常讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容即可。這種情況，即使Flash出現(xiàn)單比特的錯誤，ECC解碼器也可以正常糾正，以保證有效數(shù)據(jù)的完整性。

對于功能安全要求比較高的程序，應(yīng)用程序還需要針對Flash的ECC進行處理，和SRAM ECC錯誤處理的方式類似，Flash ECC錯誤處理可以分為如下幾種形式：

1. 當出現(xiàn)單比特數(shù)據(jù)錯誤，由于總線可以自動恢復正確的原始數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序可以先記錄相應(yīng)的診斷數(shù)據(jù)，然后備份Flash出錯數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)，再將扇區(qū)擦除后，從備份地址將原有數(shù)據(jù)重新寫入到擦除后到扇區(qū)。
2. 當出現(xiàn)多比特數(shù)據(jù)錯誤，如果錯誤出現(xiàn)在程序區(qū)域，那么只能記錄診斷數(shù)據(jù)，然后嘗試運行備份APP程序，嘗試系統(tǒng)復位，或者重新下載程序。
3. 當出現(xiàn)多比特錯誤錯誤，如果錯誤出現(xiàn)在數(shù)據(jù)區(qū)域，那么應(yīng)用程序需要嘗試使用默認值填充錯誤區(qū)域，相當于重新下載程序。

總之，當檢測到Flash出現(xiàn)ECC錯誤時，Flash存儲器的內(nèi)容已經(jīng)有風險，必須將出現(xiàn)錯誤的扇區(qū)進行擦除和重新編程才能從根本上清除掉ECC錯誤。當然，同一個地址產(chǎn)生多位的翻轉(zhuǎn)概率還是非常低的，考慮到設(shè)計實現(xiàn)這種自恢復的機制也需要消耗相當?shù)某杀?#xff08;更長的開發(fā)周期，更復雜的應(yīng)用程序，更大的物理存儲空間），開發(fā)者可以酌情采取應(yīng)對策略。

參考文獻

• 《YTM32芯片內(nèi)部ECC處理機制》，https://www.zhihu.com/tardis/sogou/art/599259860，Major-Lin，2023-01-15
• 《白話flash ECC原理》，https://zhuanlan.zhihu.com/p/61907594，moonliang, 2019-04-10