车规微控制器的ECC机制及EMU外设

引言

ECC是微控制器系统中，用于保障信息安全的常用机制，主要是避免存储设备中存放的数据因硬件干扰被篡改。国产车规微控制器原厂云途半导体设计和发布的YTM32微控制器芯片，全系配备了存储器的ECC机制，可以有效的增强芯片运行稳定性，避免因为内存位翻转导致芯片产生严重故障。本文将以YTM32微控制器芯片为例，对内存ECC的基本机制、实现原理和使用时的注意事项等进行介绍。

ECC的基本原理

ECC全称 Error Checking and Correcting，属于一种错误检查和纠正算法，典型的ECC算法一般可以做到纠正单比特错误和检查2比特错误。

在介绍ECC算法之前，先看一种简单的校验算法：奇偶校验。奇偶校验是在传输数据流的末尾，增加1个比特的校验信息，以保证完整的数据流中比特位的累加值一定是奇数或者偶数：若采用偶数校验的方式，发送方对偶数数据补充比特0，对于奇数数据补充比特1，这样发送的数据一定是偶数，接收方收到数据之后就对完整的数据帧进行判断， 如果不是偶数则代表数据出错。通过增加1个比特的额外数据，接收方就可以判断数据流是否正确，以实现对数据的校验。

但是，使用奇偶校验机制对数据有效性的判定能力有限：

• 若有2个比特数据发生反转，那么接收方依然会判定接收到的数据是正常数据；
• 如果有1个比特数据异常，接收方只能判断数据是异常的，并不能从接收到的数据恢复出正确的数据（因为无法判断具体是哪一位出现了异常）。

从上面两种情况来看，奇偶校验只能检验单个比特的数据错误。

基于奇偶校验算法，ECC校验算法通过增加更多的额外校验数据，以实现对传输数据的错误检查和错误纠正。

这里简单介绍ECC的实现原理。以4-bit ECC计算为例，如图x所示，假定3个不同颜色的圆相交的4个小格代表着4个bit的数据，与其他圆没有交集的那个格就代表着ECC bit，即a4，a5，a6。

图x 4-bit ECC计算方法

这里，人为设定一个规则：每个圆内的4个bit异或结果为0（类似于奇偶校验的机制）。当4个bit的数据位确定后，例如图中的1001，即可确定唯一ECC bit结果，即：a4=1，a5=0，a6=1。此时，发生任何1个bit的跳变（包括ECC bit），均可被检查出来并纠正，从而达到ECC的目的。此处描述的是，每个数据位都会和一些ECC位建立约束关系，但这些数据位同时还会同另一些ECC位存在约束关系，如此，通过数据冗余，形成“铁索连环”，相互照应。以此为基础，使用更多的ECC位（增加数据冗余），可以让数据更加“稳固”，但也会付出更多存储空间的代价。

最小ECC bit位数n要求：2^n>数据位数+ECC位数n。

数据位每增加1倍，ECC只增加1位检验位。设计ECC时，可以设计数据位是8位对应的ECC需要增加5位来进行ECC错误检查和纠正，当数据位为16位时ECC位为6位，32位时ECC位为7位，数据位为64位时ECC位为8位，依此类推。

在实际应用芯片的场景中，存储单元（包含芯片内部SRAM和Flash）通常发生的是位数据的翻转，也就是单比特错误居多。针对这种错误，ECC一般可以实现1个比特的错误纠正和2个比特错误的检查，芯片的ECC组合一般是32+7和64+8的组合方式。如表x所示。

表x 常用的ECC数据长度

有效数据	ECC数据
32位有效数据	7位ECC数据
64位有效数据	8位ECC数据

根据处理器特性和SRAM以及Flash的应用特性，通常在MCU中，一般对SRAM采用32+7的ECC校验方式，对Flash采用64+8的校验方式。

ECC RAM的访问方式

微控制器系统中的总线在读写支持ECC的SRAM时，会通过ECC编码器（Encoder）和ECC解码器（Decoder）对写入和读出的数据进行处理，如图x所示。

• 写入SRAM数据时，总线将计算好该数据对应的ECC，一并写入
• 从SRAM读数据时，总线同时读取数据和ECC校验信息，之后根据ECC对数据进行校验，然后才将数据返回系统中使用

图x MCU总线读写带有ECC的SRAM

在图x中可以看到，总线对于SRAM的读写都是以32位的带宽进行操作的，嵌入在32位总线上的ECC编码器和解码器也是基于32位数操作的，但是，软件中有很多基于字节或者半字的操作方式，对于这种情况，总线并不能直接以字节或者半字节的方式向SRAM存储区中写数，SRAM控制器首先会读出SRAM中原有的32位数，修改这个数，重新计算ECC，然后将新的数据和ECC计算的结果一并写入到SRAM中。

ECC RAM的初始化

SRAM存储器中的内容在上电之后内容是随机的，其中的有效数据和ECC数据并未建立起关联。此时，如果读取SRAM的内容并进行ECC校验，大概率上是会出现ECC错误的。因此，在使用支持ECC的SRAM之前，需要手动对SRAM进行初始化操作。初始化SRAM的操作，就是简单的向SRAM中按照32位的宽度写入一个任意值，通过ECC编码器计算好ECC数据并填充SRAM存储器即可。注意，初始化的时候必须要按照32位的形式写入，否则若按照字节或者半字的方式写入的时候，系统会先读后写，最初读到的数也是错的，会出现ECC错误。

ECC的初始化过程一般会被放在MCU的启动汇编代码中，此时尚未初始化ECC，不能使用建立在ECC内存中的堆栈。以YTM32微控制器芯片为例，其启动程序使用如下代码实现对ECC的初始化：

#ifndef START_NO_ECC_INIT

    /* Init ECC RAM */

    ldr r1, =__RAM_START
    ldr r2, =__RAM_END

    subs    r2, r1
    subs    r2, #1
    ble .LC5

    movs    r0, 0
    movs    r3, #4
.LC4:
    str r0, [r1]
    add	r1, r1, r3
    subs r2, 4
    bge .LC4
.LC5:
#endif

上述代码中，可以通过定义START_NO_ECC_INIT宏配置初始化时绕过ECC初始化，ECC的初始化范围是从__RAM_START至__RAM_END，这两个地址是在linker文件中定义的，用户可以根据应用需求修改相应的地址范围。注意，这里设置初始化ECC的地址区域越大，系统启动的时间将会越长。

YTM32芯片在SRAM产生ECC错误时，会产生Bus Error或者Hard Fault。

用户在使用过程中，如果发现芯片在单步调试过程中使用正常（在断点时，调试器会扫描存储空间），但是在芯片重新上电之后就会出现异常，就可以检查一下是否SRAM ECC没有正常初始化，例如上述过程中的START_FROM_FLASH宏定义是否在汇编调试阶段有定义（针对旧版本SDK）。

还有一种判定ECC未正常初始化的方式，可通过调试器查看系统的SRAM，如果发现有的SRAM可以读，有的SRAM地址无法正确读，那么就是ECC没有正常初始化。

SRAM ECC错误注入及EMU外设

在程序开发过程中，考虑到功能安全的需求，还需要考虑出现ECC错误情况的处理机制。实际上，SRAM上比特位翻转是一个小概率事件，在常规测试过程很难复现。工程师圈子里有一句广为流传的口号，“有困难要上，没有困难制造困难也要上”。为了人为创造ECC错误的情况（以便开发ECC错误处理过程），YTM32的为控制上设计了一个EMU（ECC Management Unit）的外设模块，专门用于主动产生和捕获ECC错误。

EMU模块在ECC过程中的位置，如图x所示。

图x EMC在ECC过程中的位置

EMU实际上是在SRAM的读过程中增加的一个模块，将从SRAM的读取的数据同EMU设置的一个mask进行异或运算，从而对读取数据的某个位进行翻转（以产生错误数据），然后送入ECC解码器，从而模拟SRAM出现ECC错误。

另外，EMU还会监测ECC解码器的结果，当产生ECC错误的时候，EMU会捕获这个异常，并记录出现ECC错误的地址和异常类型（单比特错误还是多比特错误）。应用中，可通过读取EMU的错误信息，进而决定如何处理ECC错误。

对于ECC错误的处理方式，可以分为如下几种情况：

1. 如果系统允许复位的话，可以直接记录诊断信息后复位运行，这样SRAM整体都会重新初始化成正常内容
2. 针对单比特错误，因为ECC可以直接纠正结果，可以直接读取产生ECC错误地址上的内容，然后将内容重新写回到该地址，即可恢复正常。注意，如果ECC错误是通过EMU模拟实现的，此时就需要关闭EMU注入通道，否则再次读取的时候依然会有ECC错误，另外因为ECC是纠1检2的算法，如果出现多于2比特的错误，这种情况SRAM的读取结果可能会有正常、单比特错误和多比特错误几种结果。
3. 针对多比特错误，因为无法恢复正确信息，应用只能向错误地址写入一个默认值，或者通过复位操作恢复正常值。

Flash ECC校验

Flash内部也是通过电荷状态来存储信息的，虽然Flash中电荷的状态大部分时间都是稳定的，但是当受到某些干扰之后，Flash中电荷状态也有可能发生反转。所以，车规芯片对Flash的ECC校验也提出了要求。因为Flash不支持随机的写入，所以ECC的操作方面相对SRAM比较简单。

首先，Flash初始时擦除状态，有效数据全是1，而对应的ECC算法可以保证全1的ECC校验值也是全1（巧妙啊），也就是说，Flash擦除状态下，对Flash的读操作并不会产生ECC错误。而对Flash的写入都是通过一系列的命令实现的，在写入的时候，硬件会自动计算好ECC，再将有效数据和ECC校验值一并写入到Flash的存储区中。写入完成之后，用户正常读取数据内容即可。这种情况，即使Flash出现单比特的错误，ECC解码器也可以正常纠正，以保证有效数据的完整性。

对于功能安全要求比较高的程序，应用程序还需要针对Flash的ECC进行处理，和SRAM ECC错误处理的方式类似，Flash ECC错误处理可以分为如下几种形式：

1. 当出现单比特数据错误，由于总线可以自动恢复正确的原始数据，应用程序可以先记录相应的诊断数据，然后备份Flash出错数据所在的扇区，再将扇区擦除后，从备份地址将原有数据重新写入到擦除后到扇区。
2. 当出现多比特数据错误，如果错误出现在程序区域，那么只能记录诊断数据，然后尝试运行备份APP程序，尝试系统复位，或者重新下载程序。
3. 当出现多比特错误错误，如果错误出现在数据区域，那么应用程序需要尝试使用默认值填充错误区域，相当于重新下载程序。

总之，当检测到Flash出现ECC错误时，Flash存储器的内容已经有风险，必须将出现错误的扇区进行擦除和重新编程才能从根本上清除掉ECC错误。当然，同一个地址产生多位的翻转概率还是非常低的，考虑到设计实现这种自恢复的机制也需要消耗相当的成本（更长的开发周期，更复杂的应用程序，更大的物理存储空间），开发者可以酌情采取应对策略。

参考文献

• 《YTM32芯片内部ECC处理机制》，https://www.zhihu.com/tardis/sogou/art/599259860，Major-Lin，2023-01-15
• 《白话flash ECC原理》，https://zhuanlan.zhihu.com/p/61907594，moonliang, 2019-04-10