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)器件損壞無法工作時(shí)，系統(tǒng)可以有效地利用冗余器件，通過硬件檢測(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)，通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行替換來保證整個(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)。