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工程师笔记 | STM32H7 RAMECC功能及应用

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STMCU小助手发布时间：2021-8-6 10:47

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文章简介:	现代电子系统中，由于“软”错误引起的系统故障比永久性硬件失效引起的系统故障要更多。“软”错误是指可以恢复的故障或者失效。这一类错误容易发生在寄存器，RAM等上面，由于受到电磁干扰或者封装材料中的α粒子，宇宙射线等的影响而造成位值翻转。针对这个问题，可以在硬件上加奇偶校验，ECC电路来进行检测。

概览
现代电子系统中，由于“软”错误引起的系统故障比永久性硬件失效引起的系统故障要更多。“软”错误是指可以恢复的故障或者失效。这一类错误容易发生在寄存器，RAM等上面，由于受到电磁干扰或者封装材料中的α粒子，宇宙射线等的影响而造成位值翻转。针对这个问题，可以在硬件上加奇偶校验，ECC电路来进行检测。

STM32H7系列MCU的Flash，SRAM和CACHE都支持ECC的功能。在本文中，主要介绍SRAM ECC这部分功能以及应用中的注意事项。

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RAMECC外设
在STM32H7系列MCU中，有一个叫RAMECC的外设，它是一个RAM ECC Monitor。RAMECC提供了一个接口给应用程序来检测当前RAM的ECC状态，以及当发生ECC错误后执行相应的恢复或者报错程序。

STM32H7的RAM ECC支持纠正单比特的错误和检测双比特的错误。对于AXI SRAM和TCM RAM，每64位数据附加8位ECC码；其他的32位总线的SRAM，每32位数据附加7位ECC码。

在对SRAM进行写操作的时候，硬件自动计算并保存ECC的值，在对SRAM进行读操作或者非对齐的写操作（读-改-写）的时候会自动进行校验，并且出错的地址和数据可以通过寄存器读出。

STM32H7的RAM ECC功能的实现可以分成两个部分：RAM ECC Controller和RAM ECC Monitor单元，如下图所示。

关于ECC Controller
STM32H7的SRAM分成AXI SRAM，SRAM1，SRAM2，SRAM3，SRAM4，数据TCM RAM，指令TCM RAM和备份SRAM等几块。每个RAM块分别对应一个ECC Controller。

ECC Controller始终处于使能状态。它负责ECC代码的计算存储，比较和错误检测，可以完成单比特错误纠正和双比特错误检测的功能。

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关于ECC Monitor
STM32H7一共有三个ECC Monitor，各负责一个域。ECC Monitor接收来自ECC Controller的诊断事件，并根据寄存器的配置产生对应的中断信号。

ECC Controller与ECC Monitor之间的映射关系见下图。例如D1的RAMECC Monitor单元，一共有5个通道，每个通道对应一个SRAM块的ECC controller。每个通道都有自己的一组寄存器，图中的Address offset就是寄存器组的偏移地址。如果要打开AXI SRAM的ECC Monitor单元，使得当检测到AXI SRAM的ECC错误时产生对应的中断，就需要操作AXI SRAM对应的寄存器组。

FAR和FDR寄存器
RAMECC支持单比特ECC错误中断，双比特ECC错误中断和非对齐写操作（Byte Write）引起的ECC中断。在RAMECC的IER和CR寄存器中可以分别配置和使能这些中断。在SR寄存器中可以查看这些中断的状态。这几个寄存器的操作都一目了然，这里想说明的是另外两个寄存器：出错地址寄存器FAR和出错数据寄存器FDR。

使能了CR寄存器里的ECCELEN位后，当ECC错误（单比特/双比特错误）发生后，出错的地址和数据就会被锁定到FAR和FDR寄存器里。

FAR寄存器里保存的是相对地址。实际出错地址的计算公式如下：

实际的出错地址= SRAM的起始地址 + FAR寄存器的值 * N（N=4或者8）。

FDR寄存器有两个，对于64位总线的SRAM数据，FDRL寄存器保存低4字节的数据，FDRH保存高4字节的数据。对于32位总线的SRAM数据，数据保存在FDRL寄存器中，FDRH的值为0。

我们可以看下面两个例子：

例子1：使能AXI-SRAM对应的Monitor功能（如何使能请参考STM32H7CUBE库中的RAMECC_ErrorCount例程）。上电后AXI-SRAM先不初始化，然后直接进行读操作就会触发ECC错误。这时候我们在调试状态下查看FAR和FDR的值，见下图。

这里因为AXI-SRAM是64位总线接口，所以计算实际出错地址时，N的值是8。

例子2：使能SRAM1(0X30000000)对应的Monitor功能。上电后不进行初始，然后直接进行读操作就会触发ECC错误。这时候我们在调试状态下查看FAR和FDR的值，如下图。

因为SRAM1是32位总线接口，所以这时N的值是4。

在应用中如何正确使用RAM ECC
在使用支持ECC的RAM时，一定要注意的是要对RAM进行初始化，否则就可能会报ECC错误。就像我们在上一节的实验中做的那样，通过不初始化的做法，我们可以模拟出ECC错误。在AN5342中给出了建议的初始化步骤。

对于单比特的ECC错误可以在读出的过程中自动纠正，但仅仅只是读出的数据是正确的，为了防止错误累积，导致从单比特的错误变成双比特的错误，可以在检测到单比特错误后，将正确的值写回到SRAM中去。这里有两种方式，一种如果原本SRAM中保存的值在Flash有备份，那么直接将Flash中的值再次写到SRAM中去；或者利用前面提到的FAR和FDR寄存器将正确的值写回SRAM中。

通过周期性的ECC检测来主动发现SRAM的故障也是提高系统可靠性的方法。ECC检测可以通过读SRAM的值来进行。检测不需要一次性完成，可以在系统空闲时，分段的对SRAM进行检测。请参考AN5342了解更多的细节。