ECC技术在大容量智能Smart Media卡上的应用

2 ECC与SM的地址转换
    按照DOS文件操作系统存储数据的方法，SM卡除存储数据功能外，还具有以下5个区域：卡信息结构(Card Information Structure，简称CIS)、主引导记录(Master Boot Record简称，MBR)、分区引导记录(Partition Boot Record，简称PBR)、分件分配表(File A11ocation Table，简称FAT)、根目录(Root Directory，简称DIR)。CPU采用逻辑地址操作存储介质，由于逻辑地址与物理地址不同，物理地址是存储介质的实际地址，如果按照物理地址顺序存储数据，则不便于文件增加或删减的操作，因此，其DOS逻辑地址与物理地址必须按照转换表进行转换。而SM卡的转换表处于每页存储区的冗余区内。
    SM卡每页包括528字节，分为512字节数据区和16字节的冗余区。冗余区的格式如表l所示，其中ECC编码区和逻辑、物理转换区是最为重要部分。
    由表1可以看出：逻辑地址区1和逻辑地址区2完全一致，ECC编码区2是指256~512字节的ECC编码，ECC编码区l是指0~255字节的ECC编码，数据状态标志和块状态标志为FFH时正常，否则异常。逻辑地址区是针对DOS文件系统的逻辑地址和物理地址的转换表，格式如表2所示，其中BA9～BA0为逻辑地址，P为奇偶区标志。

    所谓逻辑地址是相对于DOS文件系统而言，DOS文件系统在存储文件时，并不是完全按照物理地址的顺序存储的，而是将物理地址按一定的算法分配成逻辑地址，文件存储是按照FAT表中标注的逻辑地址，再根据冗余区中的逻辑地址的内容找到相应的物理地址区实现的。整个SM卡的逻辑地址分布如表3所示。

3 ECC编码
    ECC与奇偶校验(Parity)相类似，然而Parity只能检测错误，而ECC则可纠正每页的l位错误。经过内存纠错，计算机的操作指令才能继续。
    由于SM卡存在“写入干扰”，易引起数据错误，而且该错误不能利用写入Flash状态进行检查。根据SM卡实验结果推断，写入干扰引发的错误在l页中(512字节)只有1位出现错误。因此认为这类错误可利用ECC码检查并纠正，而不视为坏块。这样将大大提高SM卡的可靠性和寿命。在设计中以512字节为一组数据，加上ECC码(3字节)，这样可以使ECC码的比例达到最低。

4 ECC编码算法和程序设计
4．1 ECC码的普通算法
    以64字节一组数据为例说明ECC码的普通算法，前52字节为输入数据，后面12字节补零或64字节参加运算。先将64字节数据排成一列，即最高地址数据bit7，bit 6…bit O，然后为次高地址数据bit 7，bit 6…bit O，依次根据地址由高到低，直至最低地址数据bit 7，bit 6…bit 0，总共512位。
    首先将512位分成前256位和后256位。计算前256位中“1”的个数k，如果k为奇数，令P(256)=l；若k为偶数，则令P(256)=O。然后计算后面256位中“1”的个数为j，如果j为奇数，则令Q(256)=1；若j为偶数，则Q(256)=0。
    然后，再把512位等分4块，每一块均为128位。把第一块、第三块合在一起，计算其中“1”的个数l，如果l为奇数，令P(128)=l；若f为偶数，令P(128)=0；把第二块和第四块合在一起，计算其中“1”的个数m，如果m为奇数，则令Q(128)=1，若m为偶数，令Q(128)=0。
    第三步，把512位等分为8块，每块为64位，把奇数次块合并在一起，计算“l”的个数，决定P(64)是“1”还是“0”，再把偶数次块合并在一起，计算“1”的个数，决定Q(64)是“1'，还是“0”。
    依次类推，每次块数增加一倍，其块的位数减少一半，直到每块中只有1位为止。将奇数次块合并在一起，然后决定P(16)、P(8)、P(4)、P(2)、P(1)分别是“1”还是“0”；把偶数次块合在一起，决定Q(16)、Q(8)、Q(4)、Q(2)、Q(1)分别是“1”，还是“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)总共18位就构成ECC码，ECC码为3字节，多余位全为零。
4．2 简化ECC码算法
    计算ECC码是一个子程序，要求程序要短，ECC子程序的长度为120字节，F015的程序空间可以容纳；执行要快，ECC子程序的执行时间约为2 ms。由于F015的程序空间不大，而子程序是在记录过程中经数据采集，运算再加上ECC码，然后存入Flash。运算时间过长会干扰下一点数据采集，破坏数据完整性。数据采集周期为1/8 s(125 ms)，ECC运行时间应小于12．5 ms。
    程序采用数据平行处理，巧妙重复利用F015指令，从而达到系统要求。

5 查错和校正
5．1 错误类型
    常见内存错误为：单位、多位、列、行等错误。其中单位错误大多在读取一个完整比特时有一位出错；而多位错误是读相同比特时总是同一位数据出错；如果单位错误发生在很多词中，则视为列或行错误。
5．2 查错和校正算法
    无错误时，ECC码全为0；当主区有1位错误，每一个相似组(eg：P8&P8’)有l&0或0＆1，可以纠错；如果Flash有多于2位以上的错误，则没办法修正。
    在数据存入前产生的ECC码为PQ先，在读出数据后计算得的ECC码为PQ后，具体算法如下：
    (1)若PQ先^PQ后(^为异或)，
    (2)若异或后000 000 000 000 000 000，则表示数据无错。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)为l，对所有i(i=1，2,4…256)都成立，则
存在1位错码，其出错的位置：由RP(256)RP(128)RP(64)RP(32)RP(16)RP(8)地址决定的这一字节中地址(范围0—63)在RP(4)RP(2)RP(1)的位上(O~7位)。将上述参数决定的该字节的位数据取非，就可校正数据中的错误。
    (3)RP(i)^RQ(i)=1，只对一个i(i=1，2,4…256)成立。则ECC码PO先出错，数据正确。
    (4)若出现其他情况，则无法校正数据错误。

6 ECC编码的实现
    256字节数据的ECC码是3个字节，其中22个字节是有用的。ECC编码的产生、计算方法及错码检测方法框图分别如表4、图1和图2所示。

    由图1和图2可看出，写入DOS文件系统所需的各功能区的内容，在实际编程中要严格按照其结构编写，否则计算机将无法识别。

7 结语
    通过讨论和分析可见，SM卡的存储结构、DOS存储格式以及ECC代码的编写所构成SM卡数据存储系统的软件部分，说明了将ECC技术应用于大容量的SM卡是可行的。