Контроль четности и коды коррекции ошибок (ECC)

Ошибки при хранении информации в памяти неизбежны. Они обычно классифицируются как отказы и нерегулярные ошибки (сбои).

Если нормально функционирующая микросхема вследствие, например, физического повреждения начинает работать неправильно, то все происходящее и называется постоянным отказом. Чтобы устранить этот тип отказа, обычно требуется заменить некоторую часть аппаратных средств памяти, например неисправную микросхему SIMM или DIMM.

Другой, более коварный тип отказа — нерегулярная ошибка (сбой). Нерегулярная ошибка — это непостоянный отказ, который не происходит при повторении условий функционирования или через регулярные интервалы.

Приблизительно 20 лет назад сотрудники Intel установили, что причиной сбоев являются альфа-частицы. Поскольку альфа-частицы не могут проникнуть даже через тонкий лист бумаги, выяснилось, что их источником служит вещество, используемое в полупроводниках. При исследовании были обнаружены частицы тория и урана в пластмассовых и керамических корпусах микросхем, применявшихся в те годы. Изменив технологический процесс, производители памяти избавились от этих примесей.

В настоящее время производители памяти почти полностью устранили источники альфачастиц. И многие стали думать, что проверка четности не нужна вовсе. Например, сбои в памяти емкостью 16 Мбайт из-за альфа-частиц случаются в среднем только один раз за 16 лет! Однако сбои памяти происходят значительно чаще.

Сегодня самая главная причина нерегулярных ошибок — космические лучи. Поскольку они имеют очень большую проникающую способность, от них практически нельзя защититься с помощью экранирования.

К сожалению, производители персональных компьютеров не признали это причиной погрешностей памяти — случайную природу сбоя намного легче оправдать разрядом электростатического электричества, большими выбросами мощности или неустойчивой работой программного обеспечения (например, использованием новой версии операционной системы или большой прикладной программы).

Игнорирование сбоев, конечно, не лучший способ борьбы с ними. К сожалению, именно этот способ сегодня выбрали многие производители компьютеров. Лучше было бы увеличить отказоустойчивость систем. Для этого необходимы механизмы обнаружения и, возможно, исправления ошибок в памяти персонального компьютера. В основном для повышения отказоустойчивости в современных компьютерах применяются следующие методы:

· контроль четности;

· коды коррекции ошибок (ECC).

Контроль четности

Это один из стандартов, введенных IBM, в соответствии с которым информация в банках памяти хранится фрагментами по девять битов, причем восемь из них (составляющих один байт) предназначены собственно для данных, а девятый является битом четности (parity). Использование девятого бита позволяет схемам управления памятью на аппаратном уровне контролировать целостность каждого байта данных. Если обнаруживается ошибка, работа компьютера останавливается и на экран выводится сообщение о неисправности. Если вы работаете на компьютере под управлением Windows или OS/2, то при возникновении ошибки контроля четности сообщение, возможно, не появится, а просто произойдет блокировка системы.

Модули SIMM и DIMM бывают как с битом четности, так и без него. До недавнего времени во всех PC-совместимых компьютерах для повышения надежности предусматривался контроль четности. Однако в компьютерах многих других компаний он никогда не использовался. Например, в компьютерах Apple применяются те же 30- и 72-контактные модули, что и в компьютерах IBM, но, поскольку в них практически никогда не устанавливаются схемы контроля четности, для них подходят более дешевые 30-контактные 8-разрядные модули SIMM, а не 9-разрядные, как для IBM-совместимых компьютеров. То же самое относится и к 72-контактным модулям SIMM. В компьютерах Apple можно применять и модули SIMM с битом четности (“лишний” разряд просто игнорируется). Однако если попытаться установить в компьютер IBM модуль SIMM без бита четности, то сообщения об ошибках будут поступать непрерывно и система окажется неработоспособной.

Во всех процессорах, начиная с 386-го, схема контроля четности встроена в саму микросхему, поэтому никакие дополнительные микросхемы на системную плату устанавливать не нужно. В большинстве системных плат предусмотрена возможность отключения схем контроля четности для того, чтобы на них можно было устанавливать модули памяти без бита четности. К сожалению, некоторые системы вообще не поддерживают контроль четности. Данный факт ставит под сомнение четкую работу системы с критическими приложениями, требующими контроля четности.

При разработке схемы контроля четности IBM установила, что значение бита четности задается таким, чтобы количество единиц во всех девяти разрядах (восемь разрядов данных и разряд четности) было нечетным. Другими словами, когда байт (8 бит) данных заносится в память, специальная схема контроля четности (микросхема, установленная на системной плате или на плате памяти) подсчитывает количество единиц в байте. Если оно четное, на выходе микросхемы формируется сигнал логической единицы, который сохраняется в соответствующем разряде памяти как девятый бит (бит четности). Количество единиц во всех девяти разрядах при этом становится нечетным. Если же количество единиц в восьми разрядах исходных данных нечетное, то бит четности равен 0 и сумма двоичных цифр в девяти разрядах также остается нечетной.

Коды коррекции ошибок

Коды коррекции ошибок (Error Correcting Code — ECC) позволяют не только обнаружить ошибку, но и исправить ее в одном разряде. Поэтому компьютер, в котором используются подобные коды, в случае ошибки в одном разряде может работать без прерывания, причем данные не будут искажены. Коды коррекции ошибок в большинстве персональных компьютеров позволяют только обнаруживать, но не исправлять ошибки в двух разрядах. Но приблизительно 98% сбоев памяти вызвано именно ошибкой в одном разряде, т.е. она успешно исправляется с помощью данного типа кодов. В кодах коррекции ошибок этого типа для каждых 32 бит требуется дополнительно семь контрольных разрядов при 4-байтовой и восемь — при 8-байтовой организации. Реализация кода коррекции ошибок при 4-байтовой организации, очевидно, стоит больше, чем реализация проверки нечетности или четности, но при 8-байтовой организации стоимость реализации кода коррекции ошибок не превышает стоимости реализации проверки четности.

Для использования кодов коррекции ошибок необходим контроллер памяти, вычисляющий контрольные разряды при операции записи в память. При чтении из памяти такой контроллер сравнивает прочитанные и вычисленные значения контрольных разрядов и при необходимости исправляет испорченный бит (или биты). Стоимость дополнительных логических схем для реализации кода коррекции ошибок в контроллере памяти не очень высока, но ее выполнение может значительно снизить быстродействие памяти при операциях записи. Это происходит потому, что при операциях записи и чтения необходимо ждать, когда завершится вычисление контрольных разрядов. При записи части слова вначале следует прочитать полное слово, затем перезаписать изменяемые байты и только после этого — новые вычисленные контрольные разряды.

Большинство сбоев памяти происходит в одном разряде, и потому такие ошибки успешно исправляются кодом коррекции ошибок. Использование отказоустойчивой памяти обеспечивает высокую надежность компьютера.