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在线纠错码：它的作用以及如何实现

在线纠错码 (Inline ECC) 是一种能够实时检测并纠正内存或存储设备中发生的位错误的机制。在i.MX 8M Plus等 DDR 控制器上启用在线纠错码功能会降低 DDR 访问性能，但由于 ECC 区域仅占用大约八分之一的 DDR 容量，因此无需额外添加专用内存来存储 ECC 码（从而降低了物料清单成本）。

本文解释了内联 ECC 的功能，并介绍了如何实现它。

1. i.MX 8M Plus 在线 ECC 功能

i.MX 8M Plus DDR 控制器支持在线 ECC，可保护系统免受软错误（例如由 α 射线、中子等引起的 DRAM 位翻转）的影响。它为每 64 位数据存储 8 位 ECC（纠错码），从而能够纠正单比特错误并检测双比特错误。

由于没有专门用于存储 ECC 的内存，因此大约 1/8 的 DDR 容量被用作 ECC 区域。

由于 32 位数据总线在数据和 ECC 之间共享，启用内联 ECC 功能会降低 DDR 访问性能。

1.1.单比特纠错 (SEC)

SEC 是 DDR 控制器的一项功能，用于检测单比特错误并将其纠正为正确的值。

图1 SEC示意图

1.2.双比特错误检测 (DED)

DED 是 DDR 控制器的一项功能，用于检测双比特错误。

图2 DED概念图

笔记：

实际上，SEC 和 DED 是在 64 字节对齐的数据区（加上 8 字节的 ECC）中检测的，而不是在 8 字节中检测的。

2.内联 ECC 内存映射（概要）

根据 DDR 容量的不同，设置内联 ECC 内存映射的方法也会有所不同。

2.1.DDR密度是2的幂（二进制对齐密度）

例如，对于 1、2、4、8、16GB 的情况，

DDR的低地址7/8用作数据区，高地址1/8用作ECC区。ECC区通常不可访问。
数据区域最多分为八个区域：区域 0 至 6 和其他区域。每个区域都可以启用或禁用 ECC 功能。
区域 0 至 6 的容量相同，分别设置为 DDR 容量的 1/8、1/16、1/32 或 1/64。其余区域均为其他区域。

以下是当区域 0 到 6 的容量设置为 1/8 时的内存映射。在这种情况下，没有其他区域。

图 3内存映射示例 (1/8)

下面显示的是当区域 0 到 6 的容量设置为 1/16 时的内存映射。

图 4内存映射示例 (1/16)

2.2.非 2 的幂次方的 DDR 密度（非二进制对齐密度）

例如，对于 3、6 或 12 GB 的情况（i.MX 8M Plus LPDDR4 EVK 为 6 GB，因此这适用于这种情况）。

将整个 DDR 分成三份，每份的容量是 2 的幂。
- 3GB内存，1GB x 3
- 6GB内存，2GB x 3
- 12GB版本，4GB x 3
对于分为三部分的低地址区域，进行如下设置：2.1. 当 DDR 容量为 2 的幂时。
三段式地址划分中，上两个地址区域的设置与下地址区域的设置相同。

下面显示的是设置为 1/8 时的内存映射。

3.使用 DDR 寄存器编程辅助工具进行设置

使用DDR 寄存器编程辅助工具(DDR RPA) 配置内联 ECC。

笔记：

请准备一个 DDR RPA，该 RPA 可以运行禁用内联 ECC 的 DDR 压力测试（并且还可以验证其是否可以运行 u-boot）。

由于存在漏洞，i.MX8MP LPDDR4/DDR4 RPA v6 或更早版本无法正常工作内联 ECC。请使用 v7 或更高版本。除非有特殊情况，否则请使用最新版本的 DDR RPA。（截至 2024 年 9 月，最新版本为 v9。）

Linux BSP 的 U-Boot 中包含的 i.MX 8M Plus EVK 的lpddr4_timing.c 文件。以及ddr4_timing.c虽然乍一看似乎可以正常工作，因为它包含了定义CONFIG_IMX8M_DRAM_INLINE_ECC ，但内联 ECC 设置存在问题，无法正常工作。即使您使用的是 EVK 进行测试，也请使用 DDR RPA 和 DDR Tool 生成 lpddr4_timing.c/ddr4_timing.c 文件。

3.1.启用在线 ECC

在 DDR RPA 寄存器配置表中，将内联 ECC 项设置为启用。

3.2.内存映射

3.2.1.DDR密度是2的幂（二进制对齐密度）

如果 DDR 容量是 2 的幂，请使用 ECC_Config_BinaryAligned 表。

指定区域 0 至 6 的容量。（1/8、1/16、1/32 或 1/64）
启用或禁用 0 至 6 区及其他区域的 ECC（受保护或未受保护）。

这是区域 0 到 6 的容量设置为 1/8 时的示例。

这是一个将 0 到 6 区的容量设置为 1/16 的示例。

3.2.2.非 2 的幂次方的 DDR 密度（非二进制对齐密度）

如果 DDR 容量不是 2 的幂，请使用 ECC_Config_nonBinaryAligned 表（i.MX 8M Plus LPDDR4 EVK 就是这种情况，容量为 6GB）。

指定区域 0 至 6 的容量。（1/8、1/16、1/32 或 1/64）
ECC 启用或禁用内存区域 0 中的区域 0 到 6 以及其他区域（受保护或未受保护）的 ECC。

ECC 内存区域 1/2 将自动设置为与 ECC 内存区域 0 相同的设置。

这是区域 0 到 6 的容量设置为 1/8 时的示例。

这是一个将 0 到 6 区的容量设置为 1/32 的示例。

4.使用 DDR 工具进行测试并生成 lpddr4_timing.c/ddr4_timing.c 文件

您可以使用 DDR 工具来检查 DDR RPA 中所做的设置的运行情况。

如果 DDR 压力测试通过，则生成 lpddr4_timing.c/ddr4_timing.c 以合并到 U-Boot 中。

5. U-Boot 中的内联 ECC 实现

5.1.替换 lpddr4_timing.c/ddr4_timing.c

lpddr4_timing.c 或者将ddr4_timing.c替换为 DDR RPA 和 DDR Tool 生成的文件。

5.2.添加配置

将CONFIG_IMX8M_DRAM_INLINE_ECC=y添加到您的 U-Boot 配置文件中。

将清单 1添加到 uboot-imx/configs/imx8mp_evk_defconfig

CONFIG_IMX8M_DRAM_INLINE_ECC=y

笔记：

U-Boot 配置文件imx8mp_evk_inline_ecc_defconfig是在 Linux BSP 5.4 中添加的，但由于维护不当，已被弃用。使用 EVK 进行测试时，更安全的做法是将配置添加到imx8mp_evk_defconfig中并使用它。

5.3.更改Linux保留区域¶

软件禁止访问 ECC 区域。因此，设备树会动态修改，以便 Linux 内核（以及其他系统软件）将 ECC 区域视为保留区域。默认值硬编码为与 EVK 的 DDR 容量相匹配（LPDDR4 为 6GB，DDR4 为 4GB），因此如果 DDR 容量与 EVK 的容量不同，则必须修改代码。

使用uboot-imx/board/freescale/imx8mp_evk/imx8mp_evk.c中的函数ft_board_setup来更改 ECC 区域，使其与实际 DDR 容量相匹配。例如，对于 DDR4，ECC 区域的起始地址和大小是硬编码的，假定 DDR 容量为 4GB。

列表 2： DDR4 容量硬编码为 4GB

phys_addr_t ecc_start = 0x120000000;
size_t ecc_size = 0x20000000;

如果实际 DDR 容量为 2GB，则从物理地址 0x40000000 到 0xc0000000 的 1/8 (256MB) 高地址保留为 ECC 区域。

示例 3 ：将 DDR 内存容量更改为 2GB

phys_addr_t ecc_start = 0xb0000000;
size_t ecc_size = 0x10000000;

imx8mp_evk.c 如果您不使用它，则需要添加与ft_board_setup函数等效的处理。

5.4.搬迁支持

如果 DDR 容量为 2GB 或更小，且未安装 OPTEE，U-Boot 会尝试重定位到 DDR 的最高地址，但由于该地址与 ECC 区域重叠，因此会在重定位过程中卡住。为避免这种情况，请添加 imx8mp_evk.h 文件。将 ECC 区域容量从 DDR 容量定义PHYS_SDRAM_SIZE中减少 (1/8)。

清单 4 uboot-imx/include/configs/imx8mp_evk.h

-#define PHYS_SDRAM_SIZE         0x80000000
+#define PHYS_SDRAM_SIZE         0x70000000

5.5.排除对 ECC 区域的访问处理

如果 U-Boot 中还有其他代码访问了 ECC 区域，则需要排除对 ECC 区域的访问。例如，如果内存测试访问了整个 DDR 区域，则需要修改该测试，使其不再访问 ECC 区域。

参考： https ://github.com/nxp-imx/uboot-imx/blob/lf-6.1.55-2.2.0/configs/imx8mp_evk_defconfig#L10-L11

6. Linux 系统运行检查

6.1.查看启动日志

确保在 Linux 启动时已安装 EDAC 驱动程序。（EDAC = 错误检测和纠正）i.MX 8M Plus 的 EDAC 驱动程序位于linux-imx/drivers/edac/synopsys_edac.c 。

清单 5检查启动日志

root@imx8mp-lpddr4-evk:~# dmesg | grep EDAC
[    0.116733] EDAC MC: Ver: 3.0.0
[    1.874689] EDAC MC0: Giving out device to module 1 controller synps_ddr_controller: DEV synps_edac (INTERRUPT)

6.2.检查内存映射

使用命令cat /proc/iomem确认 ECC 区域已按照5.3 节“更改 Linux 保留区域”中的配置设置为保留。以下是 i.MX 8M Plus LPDDR4 EVK（DDR 容量 6GB）的示例。

列表 6检查内存映射

root@imx8mp-lpddr4-evk:~# cat /proc/iomem | grep reserved
...
b0000000-bfffffff : reserved
...
130000000-13fffffff : reserved
...
1b0000000-1bfffffff : reserved

6.3.检查何时发生 ECC 错误

根据应用说明AN13566 - i.MX 8 系列上的 ECC ，i.MX 8M Plus 中的 DDR 控制器没有故意生成 ECC 错误的功能。

3.2.9通过软件注入ECC错误

ECC 错误注入是系统级软件验证的一个有用的可选功能。与边带 ECC 不同，它没有专门的硬件支持。但是，可以通过软件注入错误，方法是通过“ECC_REGION_PARITY_LOCK”寄存器解锁 ECC 区域并覆盖 ECC 奇偶校验位。当从受保护的内存区域读取相应的地址时，根据引入的错误类型，会产生可纠正的或不可纠正的 ECC 错误。

注意：DDR 控制器不支持 ECC 数据中毒。参考手册将进行更新，移除此功能。

因此，我们解锁ECC区域，并从内核层面修改ECC区域以模拟ECC错误并进行测试。基本思路如下：

将 8 字节值 0xffffffff_ffffffff 写入 DataAddr。DDRC 向 DDR 写入数据的同时，还会写入 1 字节的 ECC 纠错码。
解锁 ECC 区域，允许核心访问 ECC 区域。
获取与 DataAddr 对应的 ECC 字节的地址，并读取 ECC 的一个字节。
将反转后的值 0xffffffff_fffffffe 写入 DataAddr。同时更新 ECC 1 字节。
ECC 1 字节，ECC 读取于 3。将字节值写回。
锁定 ECC 区域，禁止从核心访问 ECC 区域。
读取 DataAddr 的值。此时，由于 ECC 不一致，单比特纠错被激活，并读取纠错后的 8 字节值 0xffffffff_ffffffff。同时，内核也会收到一个可纠正错误中断通知。

笔记：

由于这涉及到访问 DDR，因此必须在非缓存区域执行测试。

双比特错误检测 (DED) 调试也可以用同样的方法进行。

7.参考资料

应用说明： AN13566 - i.MX 8 系列的 ECC
应用说明：AN13616 - 验证 i.MX 8 直列式 ECC 引擎功能（请联系您的 NXP 代表以获取此文档）
i.MX 8M 系列 DDR 工具发布 - NXP 社区
i.MX 8M Plus DDR寄存器编程辅助工具 (RPA) - NXP社区

8.注意

本文档是使用恩智浦产品的参考指南。
有关正式规格，请参阅产品手册和应用说明。
实际操作可能因各种条件（例如所使用的软件版本）的不同而与所述内容有所不同。
并非所有功能都已验证，因此请务必验证和测试产品，以确保其符合您的预期用途。

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请参考“ 如何就技术问题联系 NXP （日语博客） ” 。
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在线纠错码 (Inline ECC) 是一种能够实时检测并纠正内存或存储设备中发生的位错误的机制。在i.MX 8M Plus等 DDR 控制器上启用在线纠错码功能会降低 DDR 访问性能，但由于 ECC 区域仅占用大约八分之一的 DDR 容量，因此无需额外添加专用内存来存储 ECC 码（从而降低了物料清单成本）。

本文解释了内联 ECC 的功能，并介绍了如何实现它。

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