BCH编译码器的FPGA设计及SoPC验证

摘 要： 针对NAND Flash应用，完成了并行化BCH编译码器硬件设计。采用寄存器传输级硬件描述语言，利用LFSR电路、计算伴随式、求解关键方程、Chien搜索算法等技术方法完成了BCH编译码算法在FPGA上的硬件实现。相比于传统串行实现方案，采用并行化实现提高了编译码器的速度。搭建了基于SoPC技术的嵌入式验证平台，在Nios处理器的控制下能快速高效地完成对BCH编译码算法的验证，具有测试环境可配置、测试向量覆盖率高、测试流程智能化的特点。
关键词： 并行化；BCH；FPGA；优化；SoPC

随着科技进步和信息化的快速发展，如何在海量数据存储中确保数据不出错成为众人关心的问题。作为广泛应用于U盘、固态硬盘等电子产品的一种非易失性存储介，NAND Flash 由于其结构的特殊性，在进行擦写操作时易产生错误，故需要引入错误校验机制。早期使用SLC工艺的NAND Flash通常采用汉明码（ECC）校验，但是无法纠正1 bit以上的错误。现今的MLC工艺多采用BCH纠错，但每页产生的错误往往超过2 bit，甚至达到4 bit。国内外对BCH纠错的研究已展开，参考文献[1-2]采用串行结构完成译码器设计，实现简单，但最大时钟频率小、速度慢，无法满足高速的需要。参考文献[3-4]中提出并行化结构，提高了设计速度和数据吞吐量，但电路实现讨论不充分。参考文献[5]中通过ASIC制备芯片并进行测试验证，但此方法周期长、费用高。
针对以上问题，本文基于Altera公司的CycloneII EP2C35系列FPGA完成了并行化BCH(8184，7976，16)码编译器设计，并利用SoPC Builder搭建了验证平台，在Nios II处理器的控制下能高效地完成BCH编译码算法的验证，具有测试环境可配置、测试向量覆盖率高、测试流程智能化的特点。
1 BCH编译码FPGA设计
结合实际使用NAND Flash的情况， 16 bit纠错是NAND Flash使用的趋势。本设计采用并行化结构实现16 bit BCH码算法。
1.1 并行BCH编码器的设计
BCH编码器通过除法电路得到余数作为系统码的校验位，实现公式为：




2 基于SoPC技术的验证系统
搭建了基于SoPC技术的嵌入式验证平台， NiosⅡProcessor通过AVALON总线以AVALON—SLERVER协议与RAM_CONTROLLER以及BCH_IP外设进行通信，控制编译码模块工作，如图4所示。其中data_cnt为传输码元数,eob信号为传输码元结束信号，sob为开始传输原码信号，data信号为传输原码数据。