Режим поддержки ECC оперативной памяти – что это такое и как работает

Режим поддержки ECC оперативной памяти – что это такое и как работает?

Всем привет! Тема сегодняшней публикации – поддержка ECC оперативной памяти: что это такое, как работает данная функция, зависит ли от процессора ее использование на ПК.

Что такое ЕСС память

Аббревиатура происходит от английского названия error correcting code memory, то есть память с коррекцией ошибок кода. Такая ОЗУ распознает и устраняет спонтанно возникающие изменения в битах памяти, которых быть не должно.

Как правило, такая память может исправить изменения в одном бите одного машинного слова. При его чтении будет опознано то же значение, что и было записано, несмотря на возникающие «глюки».

Обычная память, то есть non-ECC, этого делать не умеет.

Этот тип памяти используется в компьютерах, для которых важна бесперебойная работа, включая крупные серверные станции. Для использования такого режима необходима поддержка контроллером ОЗУ – как встраиваемого в чипсет, так и реализованном на кристалле вместе с ядрами.

Базовый алгоритм, который используется чаще всего, основан на коде Хемминга – самоконтролирующемся двоичном коде, названном в честь предложившего такую систему американского математика.

Существуют алгоритмы, способные исправлять более одной ошибки, но используются они реже. С технологической точки зрения такая система предполагает использование модулей ОЗУ, в которых на каждые 8 микросхем памяти приходится один компонент, хранящий ЕСС-коды (то есть 8 бит на каждые 64 бита).

Причины появления ошибок в ОЗУ

Главная проблема для любого электронного устройства – невидимые космические лучи, от которых земная атмосфера не защищает должным образом. Элементарные частицы, которые пребывают в этом потоке, способны влиять на работу электроники.

Под их воздействием физические свойства оперативки могут меняться, что уже ведет к размагничиванию. При смене данных, из единицы (заряженное состояние) на ноль (разряженное) уже появляется искажение.

А так как любой компьютер на самом «глубинном» уровне проводит все вычисления с помощью двоичных кодов, нарушения свойств электронных компонентов и провоцируют ошибки в работе.

Характерно, что чем выше от уровня моря, тем меньше плотность воздуха и соответственно, интенсивнее космическое излучение. Компьютерные системы, которые работают на большой высоте, требуют более эффективной защиты. Советую также почитать «Что такое ОЗУ в компьютере: из чего состоит и для чего служит?»(уже на сайте).

Стоит ли использовать ЕСС память

Объективных причин для использования такой ОЗУ на домашнем ПК нет.

Несмотря на то, что земной диск медленно дрейфует по Космическому океану, покоясь на спинах трех китов, вероятность искажения данных под воздействием вредоносных лучей, на самом-то деле крайне мала. При этом самое страшное, что может случиться при таких неполадках – вылет операционной системы в синий экран.

Впрочем, это может быть действительно страшно – например, в случае, если вы в течение пары часов монтировали видеоролик, забывая сохраняться в процессе, или же у вас последний и решительный бой, от которого зависит судьба клана, в какой-нибудь ММОРПГ.

Такая память работает медленнее обычной – в среднем, на 2–3%, так как для проверки контрольных сумм необходим один дополнительный такт контроллера. Такой режим работы требует больше логических ресурсов.

Как уже сказано выше, в основном такая память почти всегда регистровая (Registered), то есть имеет дополнительный регистр для считывания и хранения двоичных кодов. Существуют модули ECC памяти без регистров (UDIMM), которые можно использовать в домашних ПК.

Однако учтите, что такое удовольствие обойдется дороже, так как цена на такие модули ОЗУ обычно выше. Кроме того, требуется наличие материнской платы, чипсета и процессора (к слову, такие модели есть и у Intel, и у AMD), поддерживающих ЕСС память. Стоят они внезапно тоже, как правило, дороже.

И если вы решили проапгрейдить комп для использования ЕСС памяти, проверьте спецификации упомянутых выше компонентов. Если в описании написано что нет поддержки такого режима, деталь придется менять на более подходящую, что значит дополнительные расходы.

Не исключено, что придется менять и мать, и «камень», и планки оперативки. При сборке нового компьютера несколько проще: можно сразу купить соответствующие компоненты. Однако, на мой взгляд, это уже лишнее – страховка от мнимых сбоев не стоит потери быстродействия.

Также советую на эту тему ознакомиться с публикациями «Влияние тактовой частоты оперативной памяти в компьютере»(уже на блоге) и «Тайминги и частота оперативной памяти: кто важнее и влиятельней?». Буду признателен всем, кто расшарит эту статью в социальных сетях. До завтра!

Начальные сведения о помехозащищенном кодировании на основе кода Хэмминга

Помехозащищенное кодирование применяется для надёжной передачи данных по каналу связи, в котором может присутствовать источник помех. В МК 1986ВЕ8Т в качестве таких каналов связи выступают шины, осуществляющие передачу данных как между внутренними блоками МК, например, внутренняя память – ядро, так и между внутренними и внешними блоками, например, внешняя память – ядро. Само помехозащищенное кодирование, а также декодирование с коррекцией ошибок, осуществляется на аппаратном уровне с помощью специальных блоков. В качестве используемого самокорректирующегося кода применяется код Хэмминга, при этом в МК используется всего два вида кодовых слов: (7,4) для задания режима работы и (72,64) для внутренней памяти и памяти на внешней шине.

Общий алгоритм генерации ECC и коррекции ошибок на основе кода Хэмминга

Общий алгоритм коррекции ошибок (ECC), основанный на коде Хэмминга, на примере операции записи/чтения:

Начальная информация о коррекции ошибок на основе кода Хэмминга 7,4

Здесь мы рассмотрим построение кода Хэмминга 7,4, чтобы понять, как производится генерация ECC и коррекция одиночных ошибок.

Однако, прежде чем мы приступим к рассмотрению кода Хэмминга (7,4), сделаем небольшое отступление и рассмотрим задачу о надёжной передаче данных в ненадёжном канале связи и разберёмся, откуда появилось условие для кода Хэмминга 2 k >=k+m+1.

Небольшое отступление

Предположим, что мы хотим передать слово B= по каналу связи, в котором действует источник помех (не такая уж и гипотетическая задача). Предположим, что при передаче слова В источник помех может вызвать ошибку не более чем в 1 бите. Передавать слово В в исходном виде дело совершенно не надёжное, и установить, что же в итоге мы хотели передать, будет невозможно. Один из тривиальных способов защиты информации в данном канале: утроить все биты исходного слова (а-ля троированная логика) В’=. Тогда, если при передаче изменится один из битов, то по схеме мажорирования (по принципу большинства), можно восстановить слово В’, а значит, и исходное слово В. Такое решение при передаче данных является некорректным, так как утроение бит приведёт к тому, что в таком длинном слове вероятность появления двойных ошибок резко возрастёт, а исправить их уже не получится. Поэтому необходимо закодировать исходное слово так, чтобы увеличение его длины было минимальным.

Это как раз и сделал Ричард Хэмминг. Он рассмотрел случай, когда при передаче может возникнуть 1 ошибка, и пришёл к выводу, что, передавая закодированное слова длины l = m+k, где m – длина исходного слова, k – длина контрольных бит. Приёмник, с учётом одной ошибки, может получить l+1 различных вариантов передаваемого слова. Например, предаём слово C= длиной 3 бита. До приёмника могут дойти следующие слова:

Итого l+1=4 различных варианта принятого слова. Чтобы закодировать с помощью контрольных бит все эти случаи, необходимо чтобы 2 k >=l+1 или 2 k >= m+k+1. Вот так и появилось знаменитое неравенство для нахождения количества контрольных бит k в зависимости от необходимого количества бит m исходного слова.

Для надёжной передачи 4 бит информации (m), исходя из выше указанного неравенства, необходимо к ним добавить ещё 3 проверочных бита (k).

В обозначении 7,4 первое число (7) определяет количество бит закодированного слова, второе (4) – количество бит исходного слова.

Вычисление проверочных разрядов r[2:0] выполняется по формулам:

Данные уравнения для проверочных бит подобраны таким образом, чтобы каждый проверочный бит r зависел сразу от нескольких бит a исходного слова. При этом, изменение одного бита исходного слова вызовет изменение как минимум двух проверочных бит. По этим изменениям и определяется ошибка.

Для математического описания кодирования и декодирования исходных слов вводят специальные матрицы: матрицу G генерации и матрицу H проверки.

Матрица генерации G формирует закодированное слово путём перемножения слова A и матрицы генерации G.

X = AG, при этом операция суммирования производится по модулю 2.

Для тех, кто не может сразу вспомнить как выполняется перемножение матриц, а со мной такое случается, привожу небольшую подсказку:

При перемножении матриц для кодирования Хэмминга вместо «+» используется ⊕.

Матрица G для кода 7,4 выглядит следующим образом:

Операция перемножения A на G:

Таким образом перемножив A на G мы получим закодированное слово X, состоящее из слова A и проверочных бит r[2:0].

При чтении закодированного слова X заново выполняется расчёт контрольных бит на основе слова А, а затем вычисленные и считанные контрольные биты складываются по модулю 2. Результат сложения образует так называемый синдром S = . По синдрому определяется ошибка, если таковая была.

S2 = r2 ⊕ r2’ = r2 ⊕ a3 ⊕ a2 ⊕ a1 ;

S1 = r1 ⊕ r1’ = r1 ⊕ a3 ⊕ a2 ⊕ a0 ;

S0 = r0 ⊕ r0’ = r0 ⊕ a3 ⊕ a1 ⊕ a0 ;

где r[2:0]’ – заново вычисленные проверочные биты на основе считанного слова А.

Для расчёта синдрома S[2:0], аналогично матрицы генерации G, вводят проверочную матрица H. Синдром формируется путём перемножения считанного слова X и транспонированной проверочной матрицы H T :

Проверочная матрица H для кода Хэмминга 7,4 имеет вид:

Каждая строка этой таблицы при побитом перемножении на слово X образует соответствующий бит синдрома.

Если поменять местами строки 1 и 3, то получим проверочную матрицу, указанную в спецификации, при этом изменится порядок следования бит синдрома S = :

Операция перемножения X на H T (H матрица как в спецификации):

По получившемуся вектору синдрома и проверочной матрице H можно определить, где произошла ошибка. Если ошибки не было, то синдром равен 0: S = (0, 0, 0). Если же произошла одиночная ошибка, то совпадающий с синдромом столбец указывает на ошибочный бит:

К сожалению, данный код Хэмминга (7,4) может применяться только в условиях возникновения однократных ошибок. Если произойдет две и более ошибки, то отличить их от одинарной не получится, а поэтому в данном случае исправление одной ошибки не приведёт к восстановлению исходного слова.

Чтобы этого избежать, вводят дополнительный бит четности p (parity), с помощью которого можно определить, произошла одиночная ошибка либо двойная и более. Тогда, если имеет место однократная ошибка, слово можно исправить, если двукратная – слово восстановлению не подлежит.

Бит чётности может занимать любую позицию в закодированном слове, но для определённости мы сделаем, как указано в спецификации, и добавим его на место 4 бита. При этом закодированное слово X приобретёт вид:

Бит чётности p вычисляется на основе всех остальных бит слова X путём их сложения по модулю 2:

При определении ошибки заново вычисляется бит чётности p’ и складывается со считанным битом p, при это данный результат будет являться новым битом синдрома. Так как мы добавили бит чётности на 0 позицию проверочных бит, то слово синдрома S = приобретёт следующий вид:

S0 = p ⊕ p’ = p + r2 ⊕ r1 ⊕ r0 ⊕ a3 ⊕ a2 ⊕ a1 ⊕ a0 ;

S1 = r0 ⊕ r0’ = r0 ⊕ a3 ⊕ a1 ⊕ a0 ;

S2 = r1 ⊕ r1’ = r1 ⊕ a3 ⊕ a2 ⊕ a0 ;

S3 = r2 ⊕ r2’ = r2 ⊕ a3 ⊕ a2 ⊕ a1 ;

С учётом бита чётности проверочная матрица H будет иметь вид:

Как и в предыдущем случае, при возникновении одиночной ошибки позиция инвертированного бита определяется по совпадению синдрома и столбца проверочной матрицы. Однако теперь, если значение синдрома не совпадает ни с одним из столбцов и не равно 0, значит, произошло более одной ошибки, и значит, слово исправить нельзя.

Для кода Хэмминга (72,64) генерации ECC и коррекция ошибок осуществляется точно таким же образом, просто используемые матрицы немного больше. Надо заметить, что для кода (72, 64) расстояние Хэмминга позволяет определять двойные ошибки, а потому бит чётности в данном коде не используется.

Программная генерация ECC

В спецификации приведён пример программного вычисления проверочных бит ЕСС для кода Хэмминга (72, 64). Как уже было отмечено ранее, в данном коде не используется бит чётности, поэтому алгоритм вычисления ECC для кода (7,4) с битом чётности будет отличаться от алгоритма для кода (72,64). В связи с этим мы разберём здесь программную реализацию вычисления ECC для кода (7,4) c битом чётности на примере вычисления бит CFGx в режимах запуска EXTBUS_CFG+JB и EXTBUS_CFG+JA.

Процесс вычисления проверочных бит заключается в перемножении исходного слова А на матрицу генерации ECC, которой является правая часть проверочной матрицы H.

Полный код функции представлен ниже:

Разберём основные части.

Для начала составим из правой части проверочной матрицы H массив генерации ECC G[], при этом каждый элемент данного массива будет представлять строку правой части матрицы H. Далее в цикле формируем проверочные биты, путем выборки необходимые информационные биты, а именно, накладывая маску из массива генерации, после чего суммируем их по модулю два. Делаем это для трёх проверочных бит. Дописываем их к информационным битам. После вычисляем бит чётности p суммированием по модулю два всех проверочных и информационных бит, и дописываем его в кодируемое слово. Исходное слово закодировано.