ECC技術(shù)應用于大容量SM卡中使其實現(xiàn)功能穩(wěn)定

1 引言

SM卡是一種nash Memory存儲卡，輕薄短小是其未來產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。SM卡具有體積?。?5 mm×37 mm x0．76mm），質(zhì)量輕（僅1．8克），結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便，且具有較高的擦寫性能，功耗低，易于升級，帶有便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜CMCIA界面等優(yōu)點，但存在兼容性差和容量小的缺點。

采用大容量的SM卡作為存儲介質(zhì)用于存儲采集的數(shù)據(jù)具有突破性發(fā)展。但其最關(guān)鍵技術(shù)問題是要保證各種大量的數(shù)據(jù)能夠在計算機中正確地回放和分析，保證計算機正確無誤地識別出SM卡中的數(shù)據(jù)，因此要求SM卡的存儲數(shù)據(jù)格式應與DOS文件系統(tǒng)相兼容。錯誤檢查與糾正編碼簡稱ECC，是一種實現(xiàn)計算機錯誤檢查和糾正的技術(shù)，可使整個計算機系統(tǒng)工作時安全穩(wěn)定。而ECC技術(shù)應用于大容量SM卡，使其數(shù)據(jù)采集、儲存更安全穩(wěn)定，并給出了ECC編碼算法，程序設計及查錯校正的實現(xiàn)。

2 ECC與SM的地址轉(zhuǎn)換

按照DOS文件操作系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)的方法，SM卡除存儲數(shù)據(jù)功能外，還具有以下5個區(qū)域：卡信息結(jié)構(gòu)（Card Information Structure，簡稱CIS）、主引導記錄（Master Boot Record簡稱，MBR）、分區(qū)引導記錄（Partition Boot Record，簡稱PBR）、分件分配表（File A11ocation Table，簡稱FAT）、根目錄（Root Directory，簡稱DIR）。CPU采用邏輯地址操作存儲介質(zhì)，由于邏輯地址與物理地址不同，物理地址是存儲介質(zhì)的實際地址，如果按照物理地址順序存儲數(shù)據(jù)，則不便于文件增加或刪減的操作，因此，其DOS邏輯地址與物理地址必須按照轉(zhuǎn)換表進行轉(zhuǎn)換。而SM卡的轉(zhuǎn)換表處于每頁存儲區(qū)的冗余區(qū)內(nèi)。

SM卡每頁包括528字節(jié)，分為512字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)和16字節(jié)的冗余區(qū)。冗余區(qū)的格式如表l所示，其中ECC編碼區(qū)和邏輯、物理轉(zhuǎn)換區(qū)是最為重要部分。

由表1可以看出：邏輯地址區(qū)1和邏輯地址區(qū)2完全一致，ECC編碼區(qū)2是指256“512字節(jié)的ECC編碼，ECC編碼區(qū)l是指0”255字節(jié)的ECC編碼，數(shù)據(jù)狀態(tài)標志和塊狀態(tài)標志為FFH時正常，否則異常。邏輯地址區(qū)是針對DOS文件系統(tǒng)的邏輯地址和物理地址的轉(zhuǎn)換表，格式如表2所示，其中BA9～BA0為邏輯地址，P為奇偶區(qū)標志。

所謂邏輯地址是相對于DOS文件系統(tǒng)而言，DOS文件系統(tǒng)在存儲文件時，并不是完全按照物理地址的順序存儲的，而是將物理地址按一定的算法分配成邏輯地址，文件存儲是按照FAT表中標注的邏輯地址，再根據(jù)冗余區(qū)中的邏輯地址的內(nèi)容找到相應的物理地址區(qū)實現(xiàn)的。整個SM卡的邏輯地址分布如表3所示。

3 ECC編碼

ECC與奇偶校驗（Parity）相類似，然而Parity只能檢測錯誤，而ECC則可糾正每頁的l位錯誤。經(jīng)過內(nèi)存糾錯，計算機的操作指令才能繼續(xù)。

由于SM卡存在“寫入干擾”，易引起數(shù)據(jù)錯誤，而且該錯誤不能利用寫入Flash狀態(tài)進行檢查。根據(jù)SM卡實驗結(jié)果推斷，寫入干擾引發(fā)的錯誤在l頁中（512字節(jié)）只有1位出現(xiàn)錯誤。因此認為這類錯誤可利用ECC碼檢查并糾正，而不視為壞塊。這樣將大大提高SM卡的可靠性和壽命。在設計中以512字節(jié)為一組數(shù)據(jù)，加上ECC碼（3字節(jié)），這樣可以使ECC碼的比例達到最低。

4 ECC編碼算法和程序設計

4．1 ECC碼的普通算法

以64字節(jié)一組數(shù)據(jù)為例說明ECC碼的普通算法，前52字節(jié)為輸入數(shù)據(jù)，后面12字節(jié)補零或64字節(jié)參加運算。先將64字節(jié)數(shù)據(jù)排成一列，即最高地址數(shù)據(jù)bit7，bit 6…bit O，然后為次高地址數(shù)據(jù)bit 7，bit 6…bit O，依次根據(jù)地址由高到低，直至最低地址數(shù)據(jù)bit 7，bit 6…bit 0，總共512位。

首先將512位分成前256位和后256位。計算前256位中“1”的個數(shù)k，如果k為奇數(shù)，令P（256）=l；若k為偶數(shù)，則令P（256）=O。然后計算后面256位中“1”的個數(shù)為j，如果j為奇數(shù)，則令Q（256）=1；若j為偶數(shù)，則Q（256）=0。

然后，再把512位等分4塊，每一塊均為128位。把第一塊、第三塊合在一起，計算其中“1”的個數(shù)l，如果l為奇數(shù)，令P（128）=l；若f為偶數(shù)，令P（128）=0；把第二塊和第四塊合在一起，計算其中“1”的個數(shù)m，如果m為奇數(shù)，則令Q（128）=1，若m為偶數(shù)，令Q（128）=0。

第三步，把512位等分為8塊，每塊為64位，把奇數(shù)次塊合并在一起，計算“l(fā)”的個數(shù)，決定P（64）是“1”還是“0”，再把偶數(shù)次塊合并在一起，計算“1”的個數(shù)，決定Q（64）是“1‘，還是“0”。

依次類推，每次塊數(shù)增加一倍，其塊的位數(shù)減少一半，直到每塊中只有1位為止。將奇數(shù)次塊合并在一起，然后決定P（16）、P（8）、P（4）、P（2）、P（1）分別是“1”還是“0”；把偶數(shù)次塊合在一起，決定Q（16）、Q（8）、Q（4）、Q（2）、Q（1）分別是“1”，還是“0”。

最后，把上述P（i）、Q（i）排成一列得P（256）Q（256）P（128）Q（128）P（64）Q（64）…P（1）Q（1）總共18位就構(gòu)成ECC碼，ECC碼為3字節(jié)，多余位全為零。

4．2 簡化ECC碼算法

計算ECC碼是一個子程序，要求程序要短，ECC子程序的長度為120字節(jié)，F(xiàn)015的程序空間可以容納；執(zhí)行要快，ECC子程序的執(zhí)行時間約為2 ms。由于F015的程序空間不大，而子程序是在記錄過程中經(jīng)數(shù)據(jù)采集，運算再加上ECC碼，然后存入Flash。運算時間過長會干擾下一點數(shù)據(jù)采集，破壞數(shù)據(jù)完整性。數(shù)據(jù)采集周期為1/8 s（125 ms），ECC運行時間應小于12．5 ms。

程序采用數(shù)據(jù)平行處理，巧妙重復利用F015指令，從而達到系統(tǒng)要求。

5 查錯和校正

5．1 錯誤類型

常見內(nèi)存錯誤為：單位、多位、列、行等錯誤。其中單位錯誤大多在讀取一個完整比特時有一位出錯；而多位錯誤是讀相同比特時總是同一位數(shù)據(jù)出錯；如果單位錯誤發(fā)生在很多詞中，則視為列或行錯誤。

5．2 查錯和校正算法

無錯誤時，ECC碼全為0；當主區(qū)有1位錯誤，每一個相似組（eg：P8&P8’）有l(wèi)&0或0＆1，可以糾錯；如果Flash有多于2位以上的錯誤，則沒辦法修正。

在數(shù)據(jù)存入前產(chǎn)生的ECC碼為PQ先，在讀出數(shù)據(jù)后計算得的ECC碼為PQ后，具體算法如下：

（1）若PQ先^PQ后（^為異或），

（2）若異或后000 000 000 000 000 000，則表示數(shù)據(jù)無錯。PQ先^PQ后，R=RF（256）RQ（256）RP（128）RQ（128）…RP（1）RQ（1），其中RP（256）=P（256）先^P（256）后，RQ（256）=Q（256）先^Q（256）后。

若RP（i）^RQ（i）為l，對所有i（i=1，2，4…256）都成立，則

存在1位錯碼，其出錯的位置：由RP（256）RP（128）RP（64）RP（32）RP（16）RP（8）地址決定的這一字節(jié)中地址（范圍0—63）在RP（4）RP（2）RP（1）的位上（O“7位）。將上述參數(shù)決定的該字節(jié)的位數(shù)據(jù)取非，就可校正數(shù)據(jù)中的錯誤。

（3）RP（i）^RQ（i）=1，只對一個i（i=1，2，4…256）成立。則ECC碼PO先出錯，數(shù)據(jù)正確。

（4）若出現(xiàn)其他情況，則無法校正數(shù)據(jù)錯誤。

6 ECC編碼的實現(xiàn)

256字節(jié)數(shù)據(jù)的ECC碼是3個字節(jié)，其中22個字節(jié)是有用的。ECC編碼的產(chǎn)生、計算方法及錯碼檢測方法框圖分別如表4、圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可看出，寫入DOS文件系統(tǒng)所需的各功能區(qū)的內(nèi)容，在實際編程中要嚴格按照其結(jié)構(gòu)編寫，否則計算機將無法識別。

7 結(jié)語

通過討論和分析可見，SM卡的存儲結(jié)構(gòu)、DOS存儲格式以及ECC代碼的編寫所構(gòu)成SM卡數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的軟件部分，說明了將ECC技術(shù)應用于大容量的SM卡是可行的。