基于SoC的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)中存儲(chǔ)系統(tǒng)

在現(xiàn)代信息社會(huì)中，嵌入式系統(tǒng)由于其靈活性及方便性得到了越來(lái)越廣泛的使用。采用SoC技術(shù)可以將整個(gè)系統(tǒng)集成到單個(gè)芯片之中，其具有體積小、重量輕、功耗小、IP復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)。SoC技術(shù)目前正成為嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

系統(tǒng)的糾錯(cuò)和容錯(cuò)能力具有十分重要的意義。這里的容錯(cuò)是指當(dāng)部分存儲(chǔ)器件損壞無(wú)法工作時(shí)，系統(tǒng)可以有效地利用冗余器件，通過(guò)硬件檢測(cè)或軟件指令配置，使存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常工作。糾錯(cuò)是指當(dāng)讀寫數(shù)據(jù)中出現(xiàn)一位或多位數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出正確數(shù)據(jù)的機(jī)制，通常情況下，是通過(guò)被動(dòng)硬件冗余防止故障造成差錯(cuò)。常用的方法有三模冗余(TMR)、N模冗余、表決技術(shù)等。但此類方法所需附加硬件多，花費(fèi)代價(jià)非常昂貴，同時(shí)造成功耗、重量及體積增大很多。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行替換來(lái)保證整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性；另一方面，此類方法由于欠缺靈活性，如果多個(gè)冗余部分同一位置上的芯片都發(fā)生故障，則整個(gè)系統(tǒng)仍然無(wú)法使用，備份效率也不是很高。

本文針對(duì)潛入式實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的特點(diǎn)，重新組織DDR存儲(chǔ)顆粒的結(jié)構(gòu)，添加冗余顆粒和相關(guān)寄存器，改寫控制IP，設(shè)計(jì)了一種新的具有容錯(cuò)糾錯(cuò)自適應(yīng)功能的二級(jí)冗余存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)。它僅需增加少量的冗余器件就可以容忍系統(tǒng)中較多數(shù)目的器件故障。在系統(tǒng)沒(méi)有故障的情況下，存儲(chǔ)顆粒可以采用海明碼等EDAC碼進(jìn)行糾錯(cuò)；當(dāng)系統(tǒng)中部分器件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)軟件配置或硬件自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)利用冗余模塊進(jìn)行容錯(cuò)；當(dāng)故障進(jìn)一步增多時(shí)，可以適當(dāng)降低系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力，若錯(cuò)誤過(guò)多，還可以將原先用于糾錯(cuò)的顆粒改為用于容錯(cuò)，使系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常地工作。通過(guò)數(shù)學(xué)模型的量化分析，新的存儲(chǔ)系統(tǒng)容錯(cuò)方案可以有效地提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性。

存儲(chǔ)系統(tǒng)容錯(cuò)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

容錯(cuò)存儲(chǔ)系統(tǒng)工作流程
冗余存儲(chǔ)顆粒排放方式采用二級(jí)冗余的組織形式，整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)容錯(cuò)方案的工作流程如圖1所示。

該容錯(cuò)方案具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)可變的糾錯(cuò)能力。系統(tǒng)支持海明碼或CRC等EDAC碼，并且當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)部分不可逆轉(zhuǎn)故障時(shí)，可以自動(dòng)降低糾錯(cuò)能力。比如，原先系統(tǒng)可以支持每16bit糾1bit錯(cuò)的能力，當(dāng)存儲(chǔ)顆粒出現(xiàn)部分錯(cuò)誤時(shí)，可以降低為每32bit糾1bit錯(cuò)。

(2)系統(tǒng)自檢和容錯(cuò)系統(tǒng)自修復(fù)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件命令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤自檢，并自動(dòng)利用冗余模塊啟動(dòng)容錯(cuò)功能，使系統(tǒng)仍然保持正常工作。

(3)糾錯(cuò)能力與容錯(cuò)能力之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)系統(tǒng)故障的模塊過(guò)多，冗余模塊已經(jīng)不能保證系統(tǒng)的正常工作，則系統(tǒng)可以自動(dòng)將部分原先用于糾錯(cuò)的存儲(chǔ)顆粒改為用于容錯(cuò)功能。這時(shí)，系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力會(huì)下降或被放棄，但至少能保證系統(tǒng)繼續(xù)基本正常的工作。

(4)采用行列二級(jí)冗余形式，首先利用冗余的行冗余進(jìn)行糾錯(cuò)，行冗余消耗完畢再利用列冗余進(jìn)行糾錯(cuò)。

容錯(cuò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的硬件支持
具有容錯(cuò)糾錯(cuò)能力的存儲(chǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。存儲(chǔ)系統(tǒng)的容錯(cuò)方案和不考慮容錯(cuò)的存儲(chǔ)系統(tǒng)相比，需要在原有模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改并增加一些設(shè)計(jì)。主要包含以下幾個(gè)方面：

(1)增加存儲(chǔ)顆粒。為了實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的容錯(cuò)和糾錯(cuò)能力，增加一定數(shù)量的存儲(chǔ)顆粒是必須的。在存儲(chǔ)顆粒陣列中增加冗余的行列按照行列的二級(jí)冗余存儲(chǔ)形式組織。為了適應(yīng)SoC實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)的特點(diǎn)，需要對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)顆粒陣列的信號(hào)連線進(jìn)行有針對(duì)性的修改，從而使系統(tǒng)能通過(guò)軟件配置或硬件自檢來(lái)實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)或容錯(cuò)，并有效地支持包含糾錯(cuò)容錯(cuò)轉(zhuǎn)換的總體方案。

(2)在寄存器堆中為容錯(cuò)系統(tǒng)分配一定的寄存器地址空間。這些寄存器地址空間由多個(gè)部分組成，主要包括系統(tǒng)工作狀態(tài)寄存器，記錄系統(tǒng)各個(gè)存儲(chǔ)期間的狀態(tài)；系統(tǒng)糾錯(cuò)方案配置寄存器，配置系統(tǒng)可以采用的糾錯(cuò)方式和糾錯(cuò)能力。

(3)增加糾錯(cuò)碼編碼解碼模塊具有容錯(cuò)功能的地址生成。糾錯(cuò)碼可以采用多種方式，如海明碼、CRC碼等。具有容錯(cuò)功能的地址生成模塊使系統(tǒng)可以根據(jù)容錯(cuò)寄存器的內(nèi)容，重新生成數(shù)據(jù)的寫入地址和讀出地址。

(4)增加自測(cè)邏輯生成模塊。當(dāng)軟件命令配置了寄存器開(kāi)始進(jìn)行自檢時(shí)，自測(cè)邏輯不再處理總線上接收的命令，自動(dòng)生成測(cè)試用代碼和地址進(jìn)行寫讀檢測(cè)，使系統(tǒng)可以根據(jù)對(duì)存儲(chǔ)顆粒的工作狀態(tài)進(jìn)行有效的分析，并且當(dāng)發(fā)現(xiàn)硬件故障時(shí)，就修改寄存器空間中的相關(guān)寄存器，以便系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)糾錯(cuò)和容錯(cuò)功能。

(5)修改地址變換和數(shù)據(jù)重組功能模塊。修改后的數(shù)據(jù)重組需要依據(jù)寄存器空間中的故障情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，以便達(dá)到容錯(cuò)和糾錯(cuò)的功能。

冗余存儲(chǔ)顆粒的組織

為了實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的容錯(cuò)，在存儲(chǔ)顆粒陣列中采用行列二級(jí)冗余組織模式。但是根據(jù)SoC系統(tǒng)的特點(diǎn)，需要對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)顆粒陣列的信號(hào)連線進(jìn)行有針對(duì)性的修改，從而使系統(tǒng)能通過(guò)軟件配置或硬件自檢來(lái)實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)或容錯(cuò)，并有效地支持包含糾錯(cuò)容錯(cuò)轉(zhuǎn)換的總體方案。設(shè)計(jì)具有糾錯(cuò)容錯(cuò)功能的存儲(chǔ)系統(tǒng)主要需要考慮以下幾個(gè)方面：①系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力。②系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。由于存儲(chǔ)系統(tǒng)受到輻射的影響，可能會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的硬件錯(cuò)誤，這時(shí)候可以啟動(dòng)系統(tǒng)中的冗余模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能。容錯(cuò)系統(tǒng)正常工作的概率是系統(tǒng)容錯(cuò)能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)。③冗余存儲(chǔ)顆粒的數(shù)目。加入冗余顆粒是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的必要條件，但是冗余顆粒的位置、連接方式和控制策略等方面都會(huì)影響整體的容錯(cuò)能力，用盡量少的冗余存儲(chǔ)顆粒實(shí)現(xiàn)盡量強(qiáng)的容錯(cuò)功能是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。④需要增加的管腳數(shù)目。存儲(chǔ)顆粒的數(shù)目以及存儲(chǔ)顆粒的組織方式都會(huì)影響實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)需要外連的管腳數(shù)目。

在綜合考慮了以上四個(gè)方面以后，形成了具有容錯(cuò)糾錯(cuò)的存儲(chǔ)系統(tǒng)中顆粒的排放方式。在原系統(tǒng)中，共有16片512Mbit的存儲(chǔ)顆粒，組織方式如圖3所示。

在容錯(cuò)顆粒組織方式中，冗余存儲(chǔ)模塊的基本排放采用的是行列二級(jí)冗余模式。為了適應(yīng)實(shí)時(shí)信號(hào)處理器的特點(diǎn)，新方案對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)顆粒陣列的信號(hào)連線進(jìn)行了有針對(duì)性的修改，從而使系統(tǒng)能通過(guò)軟件配置或硬件自檢來(lái)實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)或容錯(cuò)，并有效地支持了包含糾錯(cuò)容錯(cuò)轉(zhuǎn)換的總體方案。設(shè)在系統(tǒng)中增加i排j列存儲(chǔ)顆粒，則用Mem(i，j)表示此時(shí)的容錯(cuò)存儲(chǔ)系統(tǒng)。信號(hào)線所需要的改動(dòng)包括如下幾個(gè)部分：

(1)每列的顆粒。需要新的8bit數(shù)據(jù)線，新的地址線低2bit，每列增加一根DQS信號(hào)線。

(2)每排增加的顆粒。數(shù)據(jù)和地址與已有的每排顆粒復(fù)用，每排增加一根CS片選信號(hào)。

(3)除CS之外，所有顆粒共用所有控制信號(hào)。存儲(chǔ)系統(tǒng)增加冗余存儲(chǔ)顆粒后，存儲(chǔ)顆粒、信號(hào)連線和所占管腳都需要相應(yīng)地增加。Mem(i，j)存儲(chǔ)系統(tǒng)中關(guān)于顆粒需要增加的資源包括：①共需要8i+2j+ij個(gè)冗余顆粒。②共需增加i根CS信號(hào)，j根DQS信號(hào)，2j根低位地址信號(hào)，8j根數(shù)據(jù)信號(hào)。這樣對(duì)于實(shí)時(shí)信號(hào)處理器，共需增加管腳數(shù)為i+11j，Mem(i，j)存儲(chǔ)系統(tǒng)所具有的容錯(cuò)能力以及Mem(i，j)的選擇將在第4節(jié)進(jìn)行詳細(xì)討論。

邏輯設(shè)計(jì)對(duì)容錯(cuò)的支持

為了實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)容錯(cuò)方案，必須在邏輯設(shè)計(jì)上作出相應(yīng)的改動(dòng)，主要包括：①為容錯(cuò)系統(tǒng)分配一定的寄存器地址空間。②增加糾錯(cuò)碼生成、糾錯(cuò)碼解碼模塊，具有容錯(cuò)功能的地址生成。③增加自測(cè)邏輯生成模塊。④修改地址變換和數(shù)據(jù)重組功能模塊。

容錯(cuò)系統(tǒng)的相關(guān)寄存器
為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的容錯(cuò)和糾錯(cuò)，需要在寄存器堆中為容錯(cuò)系統(tǒng)分配一定的寄存器地址空間。這些寄存器地址空間由多個(gè)部分組成，主要包括：系統(tǒng)工作狀態(tài)寄存器，記錄系統(tǒng)各個(gè)存儲(chǔ)期間的狀態(tài)；系統(tǒng)糾錯(cuò)方案配置寄存器，配置系統(tǒng)可以采用的糾錯(cuò)方式和糾錯(cuò)能力。相關(guān)寄存器的功能定義如表1所示(以Mem(i，j)為例)。

數(shù)據(jù)重組和地址重新生成
該糾錯(cuò)容錯(cuò)邏輯采用了多種方法進(jìn)行容錯(cuò)，主要包括采用行冗余模塊實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)、降低糾錯(cuò)能力進(jìn)行容錯(cuò)、將用于糾錯(cuò)的模塊用于容錯(cuò)等。當(dāng)自檢模塊發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)顆粒出現(xiàn)故障時(shí)，將Mem_state寄存器的相應(yīng)位置為1。而存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組合以及地址生成都是與Mem_state寄存器相關(guān)的可配置邏輯。

(1)采用行冗余模塊實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。當(dāng)自測(cè)邏輯發(fā)現(xiàn)某個(gè)顆粒出現(xiàn)故障時(shí)，首先選擇采用行冗余模塊進(jìn)行容錯(cuò)的方法。CS片選信號(hào)可以看作地址信號(hào)的一部分，當(dāng)寄存器Mem_state中存在一位為1，則出現(xiàn)故障的顆粒所在的存儲(chǔ)顆粒行就會(huì)被關(guān)閉(拉高CS信號(hào))，同時(shí)打開(kāi)冗余行(拉低CS信號(hào))，其他信號(hào)不變。

(2)將用于糾錯(cuò)的模塊用于容錯(cuò)。當(dāng)自測(cè)邏輯發(fā)現(xiàn)某個(gè)顆粒出現(xiàn)故障且所有的冗余行都已經(jīng)啟用，可以適當(dāng)將糾錯(cuò)的模塊用于容錯(cuò)。這時(shí)需要在地址方面和數(shù)據(jù)重組方面都進(jìn)行一定的改動(dòng)，主要包括：①在故障顆粒所在的行內(nèi)，故障顆粒的地址和數(shù)據(jù)都被轉(zhuǎn)發(fā)到空閑顆粒。②所有的數(shù)據(jù)線依然直接與控制器模塊相連，但在模塊內(nèi)部，數(shù)據(jù)重組邏輯自動(dòng)將冗余顆粒的數(shù)據(jù)通路重組到故障顆粒的數(shù)據(jù)通路上來(lái)。③糾錯(cuò)碼編解碼邏輯自動(dòng)調(diào)整編解碼方案。根據(jù)相關(guān)寄存器的值，糾錯(cuò)碼的編解碼邏輯自動(dòng)降低糾錯(cuò)能力，數(shù)據(jù)重組邏輯也自動(dòng)定向糾錯(cuò)碼的數(shù)據(jù)通路。圖4為數(shù)據(jù)重組示意圖。

系統(tǒng)糾錯(cuò)容錯(cuò)能力分析

假設(shè)各個(gè)DDR顆粒之間發(fā)生錯(cuò)誤的概率是互相獨(dú)立的，設(shè)每個(gè)顆粒發(fā)生錯(cuò)誤的概率恒定為λ，則每個(gè)DDR顆粒的可靠性符合泊松分布，其可靠性為Rm=e-λt。在Mem(i，j)系統(tǒng)中，每行的可靠性為

整個(gè)系統(tǒng)的可靠性為

重構(gòu)前后系統(tǒng)可靠性的變化如圖5所示。

由此，可以根據(jù)故障概率λ計(jì)算出系統(tǒng)的整體可靠性Rsystem，根據(jù)系統(tǒng)要求的可靠性可以反向計(jì)算出所需要的i，j，從而構(gòu)建出完整的Mem(i，j)容錯(cuò)存儲(chǔ)系統(tǒng)。

結(jié)論

針對(duì)SoC實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的具有自適應(yīng)容錯(cuò)糾錯(cuò)能力的二級(jí)冗余存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)。詳細(xì)論述了系統(tǒng)在存儲(chǔ)顆粒組織排列和信號(hào)連接方面對(duì)于糾錯(cuò)容錯(cuò)能力的支持、系統(tǒng)在邏輯設(shè)計(jì)上對(duì)糾錯(cuò)容錯(cuò)能力的支持等。新的存儲(chǔ)系統(tǒng)容錯(cuò)方案可以有效地提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性，下一步的工作將集中在整個(gè)系統(tǒng)的低功耗優(yōu)化方面。