Brevet FR2815737A1 — publié le 20020426

DISPOSITIF ET PROCEDE DE CODAGE POUR UN SOUS-ENSEMBLE DE DETECTION ET CORRECTION D'ERREURS MEMOIRE DANS UN SYSTEME ELECTRONIQUE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un dispositif et un procédé de codage pour un sousensemble de détection et correction d'erreurs mémoire dans un système électronique. Etat de la technique antérieure Les circuits électroniques intégrés à bord des véhicules spatiaux peuvent être sensibles à certaines particules générées par le soleil ou à certaines particules existant dans l'espace interstellaire. Ces particules, en traversant ces circuits, y déposent des charges électriques qui peuvent faire changer un bit d'état. De tels événements sont appelés"single event upset" (ou"événements singuliers") ou"soft-error" ; Ils sont transitoires et ne dégradent en rien le composant électronique : une cellule mémoire victime d'un événement singulier subit une erreur de lecture, mais peut être réécrite normalement par la suite. Plusieurs effets tels que : - la réduction de la lithographie des technologies des circuits intégrés (0, 25 um aujourd'hui et 0, 18 um prochainement), - la baisse des tensions d'alimentation (2,2 V aujourd'hui), peuvent avoir pour conséquence que de telles erreurs se produisent également dans les circuits intégrés utilisés au sol. En effet, l'énergie par cellule élémentaire diminuant régulièrement (cellules mémoire, registres, etc. ), celles-ci peuvent donc être perturbées par des énergies parasites faibles qui étaient sans incidence sur les circuits intégrés de précédentes générations. L'informatique industrielle se trouve donc confrontée à des phénomènes d'erreurs transitoires engendrées : - soit par des neutrons d'origine solaire non filtrés par l'atmosphère, - soit par des particules alpha provenant de la désintégration d'isotopes radioactifs contenus dans les matériaux des boîtiers d'encapsulation des circuits intégrés. L'élément le plus critique vis-à-vis de ce problème est la logique combinatoire : les erreurs mémoire peuvent être détectées via des codages (parité ou Hamming par exemple) mais, en ce qui concerne la logique combinatoire, il est impossible de détecter un événement singulier aléatoire sur un nceud quelconque à l'intérieur d'un circuit. Le problème des événements singuliers devient donc prépondérant pour les fabricants de composants et de systèmes électroniques. Ceux-ci sont donc amenés à intégrer soit dans les circuits intégrés, soit dans les architectures, des mécanismes de protection contre les erreurs dues à ces événements. Une solution envisageable consiste à concevoir des circuits tolérants aux événements singuliers. Comme illustré sur la figure 1, un système électronique peut être constitué d'un microprocesseur 10 et de sa mémoire 11 reliés par un bus de données 12 et un bus Adresses+Contrôle 13. Un module de décodage 14 permet d'effectuer la sélection 15 des boîtiers mémoire. La mémoire 11 peut être protégée par un composant couramment noté EDAC ("Error Detection And Correction"), voire EDC, ECC ou EDCC ("Error Detection/Correction Code"), qui permet de détecter puis de corriger des erreurs engendrées par les événements singuliers dans les cellules de mémorisation, comme décrit dans les documents référencés [1] à [5] en fin de description. Comme illustré sur la figure 2, l'EDAC 20, ou composant de détection et correction d'erreurs mémoire, dans une architecture série, est un composant connecté au bus de données 12, par exemple de M bits de large, mais pas au bus d'adresses 13. L'EDAC 20 est relié à la mémoire 11 par un bus 55 de M bits de large sur lequel transitent les données stockées dans la partie 16 de la mémoire 11, et par un bus 54 de N bits de large sur lequel transitent les codes stockés dans la partie 17 de la mémoire 11 (à toute donnée est associé un code). Lors d'une écriture en mémoire 11 par le microprocesseur 10, l'EDAC 20 ajoute aux M bits de la donnée un code de N bits de largeur. La largeur de la mémoire 11 est donc de M+N bits afin de conserver le code associé à chacune des données mémorisées. Lors d'une lecture en mémoire 11 par le microprocesseur 10, l'EDAC 20 reçoit M+N bits. Il calcule le code correspondant à la donnée de M bits (zone données 16) et le compare au code de N bits (zone codes 17) qui est stocké en mémoire avec la donnée. Si les deux codes ne sont pas identiques, une erreur est alors décrétée. Dans ce cas, et dans l'hypothèse de l'utilisation d'un code de Hamming qui permet de corriger un bit, l'EDAC 20 inverse le bit fautif pour le corriger, présente le mot corrigé sur son bus, et génère une interruption IT au microprocesseur pour que celui-ci réécrive la donnée correcte en mémoire. L'EDAC 20 n'ayant pas connaissance de l'adresse de la donnée, il ne peut effectuer lui-même la correction en mémoire 11. Le code de parité (N=1) ne permettant que de détecter mais pas de corriger une erreur, on utilise généralement un code de Hamming qui a la capacité de détecter et corriger une erreur dans un mot, et de détecter (sans pouvoir alors les corriger) deux erreurs dans le même mot. La largeur du code de Hamming, et donc l'augmentation de la capacité mémoire nécessaire, dépend de la valeur de M. Par exemple, pour M=16, on a couramment N=6. Comme décrit dans le document référencé [5], l'EDAC 20 travaille sur le bus de données, et fonctionne en parallèle avec le module de décodage 14 qui travaille sur le bus d'adresses 13. La fonction réalisée par l'EDAC étant plus complexe, le temps de propagation de celui-ci 20 est supérieur à celui du module de décodage 14 et ralentit donc les accès mémoire d'un coeur unité centrale protégé par un tel composant. La capacité des boîtiers mémoires augmentant, le nombre de boîtiers se réduit (notamment dans le domaine embarqué, tels que automobile, aéronautique ou spatial par exemple, qui utilise des petites capacités mémoire). Par conséquent, le module de décodage 14 se simplifie et devient de façon inhérente de plus en plus rapide. Le ralentissement dû à l'EDAC 20 devient donc de plus en plus pénalisant. Deux types d'architectures d'EDAC existent : - L'EDAC dans une architecture série, illustrée sur la figure 2 (ou"flow-through"voire "feed-through"), est un composant inséré sur le bus de données 12 entre le microprocesseur 10 et sa mémoire 11 comme décrit dans les documents référencés [1], [3] et [4]. - L'EDAC, dans une architecture parallèle illustrée sur la figure 3 (ou"bus-watch") est un composant connecté au bus de données 12 comme un périphérique. Il capture les données et les traite avant de valider l'accès mémoire, comme décrit dans le document référencé [2]. L'EDAC 20 est relié à la mémoire 11 par un bus 54. L'EDAC 20, qui est un composant très souvent employé dans le domaine spatial, devient de plus en plus pénalisant au fur et à mesure de l'augmentation des fréquences d'horloge des microprocesseurs. Ce composant est d'autant plus critique avec des microprocesseurs à architecture RISC ("Reduced Instruction Set Computer"ou microprocesseur à jeu d'instructions réduit) qui accèdent à la mémoire presque à chaque cycle : Il est nécessaire d'ajouter des cycles d'attente ("wait-states") pour laisser le temps à l'EDAC 20 de fonctionner, sinon il faut ralentir la fréquence de fonctionnement du microprocesseur. Dans le domaine spatial, les fréquences des microprocesseurs sont actuellement de l'ordre de quelques dizaines de MHz. Dans le domaine de l'informatique industrielle, ces fréquences sont actuellement d'un ordre de grandeur ou deux plus élevé : Ainsi, des microprocesseurs fonctionnant à 1 GHz commencent à apparaître. La recherche d'un mode de fonctionnement plus performant de l'EDAC n'introduisant aucun ralentissement est, par conséquent, devenu une nécessité dans le domaine de l'informatique industrielle. Comme décrit dans le document référencé [6], il est également connu d'utiliser une mémoire cache de 8 mots, associée à un générateur de vecteurs de test, qui permet de traiter de façon plus efficace qu'un EDAC, d'un point de vue temps de propagation, le problème d'adresses mémoire défaillantes suite à une panne définitive de bits isolés. Un tel système ne fonctionne cependant que pour les pannes définitives de quelques bits, ce qui est une configuration peu fréquente. Il n'est pas adapté au traitement des erreurs temporaires de type événements singuliers. Le document référencé [6] précise que ce système doit être associé à un EDAC pour pouvoir les prendre en compte. L'objet de l'invention est de fournir un dispositif et un procédé de codage pour un sousensemble de détection et correction d'erreurs mémoire qui permettent de protéger la mémoire sans pénalité en performance sur les temps d'accès, contrairement aux dispositifs de l'art connu. Exposé de l'invention La présente invention concerne un dispositif de codage pour un sous-ensemble de détection et correction d'erreurs mémoire dans un système électronique comprenant un composant électronique et une mémoire, caractérisé en ce que ce dispositif comprend des moyens de codage des données mis en série sur les accès mémoire, et structurés en étages pipeline de façon à avoir le même débit que le composant électronique lorsque celui-ci écrit en mémoire, en particulier pendant les transferts de blocs. Avantageusement ledit dispositif dispose alors d'une connexion au bus d'adresses, et de moyens de cheminement des adresses comprenant un ensemble de registres pipeline connectés en série dans lesquels est réalisé le transport des adresses capturées, le nombre de ces registres pipeline étant identique au nombre d'étages pipeline des moyens de codage afin que ces adresses se propagent dans le dispositif au même rythme que les mots à coder. Il comprend un comparateur câblé sur chaque registre pipeline des moyens de cheminement des adresses, ces comparateurs permettant une comparaison temps réel entre toutes les adresses qui se trouvent à l'intérieur du dispositif à un moment donné et l'adresse du mot que le composant électronique souhaite lire en mémoire à ce moment là. Dans un mode de réalisation avantageux, il peut comprendre des moyens introduisant des cycles mémoire d'attente au composant électronique lorsque l'un des comparateurs détecte la présence de l'adresse du mot que le composant souhaite lire en mémoire, ces moyens permettant de laisser le temps au mot de se propager dans les derniers étages pipeline du dispositif afin que celui-ci puisse écrire en mémoire ce mot et son code associé avant que le composant ne les lise. Ou alors, dans un autre mode de réalisation avantageux, il peut comprendre, des moyens de multiplexage permettant lorsque l'un des comparateurs détecte la présence de l'adresse du mot que le composant souhaite lire en mémoire, de fournir ce mot au composant quel que soit l'étage pipeline où il se trouve et d'inhiber les moyens de détection d'erreurs du dispositif sur ce mot puisque son code associé n'a pas eu le temps d'être complètement calculé. L'invention concerne également un procédé de codage pour un sous-ensemble de détection et correction d'erreurs mémoire dans un système électronique'comprenant un composant électronique et une mémoire, caractérisé en ce que les mots que doit écrire le composant électronique en mémoire sont capturés, puis codés avec un code quelconque de détection/correction d'erreur, puis écrits en mémoire ; le codage étant structuré en étages pipeline de façon à avoir le même débit que le composant lorsque celui-ci écrit en mémoire et, ainsi, ne pas le ralentir, en particulier pendant les transferts de blocs. Avantageusement les adresses sont capturées en même temps que les mots à coder, et ces adresses se propagent à l'intérieur d'étages pipeline au même rythme que les mots à coder. Toutes les adresses présents dans les étages pipeline sont comparées en temps réel à l'adresse du mot que le composant électronique souhaite lire, ceci afin de détecter si le mot recherché par le composant n'a pas été écrit très récemment et ne se trouve pas encore dans ces étages pipeline. Si un mot que le composant électronique souhaite lire en mémoire se trouve encore dans les étages pipeline, on peut introduire des cycles mémoire d'attente au composant électronique pour attendre que se finalise le calcul de code et l'écriture en mémoire de ce mot et de son code associé avant que le composant ne les lise, ou le mot peut être directement fourni au composant en inhibant alors la détection d'erreur sur ce mot puisque son code associé n'a pas eu le temps d'être complètement calculé. Le procédé de l'invention peut être utilisé dans un système électronique embarqué. Il peut également être utilisé dans le domaine spatial. Le dispositif de l'invention est indépendant du code utilisé pour détecter/corriger les erreurs (parité, Hamming, etc..). Les réalisations classiques d'EDAC série ou parallèle réduisent la performance du système électronique en augmentant les temps d'accès à la mémoire. Le dispositif de l'invention permet de profiter pleinement des performances du composant électronique (par exemple un microprocesseur) puisque la fonction codage est pipelinée pour offrir le même débit que le composant électronique lui-même, une structure en"mémoire associative"permettant de résoudre les problèmes de non cohérence de la mémoire lors d'accès rapprochés en écriture puis en lecture sur le même mot. Brève description des dessins - La figure 1 illustre un système électronique de l'art connu avec une mémoire non protégée. - Les figures 2 et 3 illustrent ce système électronique de l'art connu avec une mémoire protégée par un EDAC classique, respectivement dans une architecture série et dans une architecture parallèle. - La figure 4 illustre ce système électronique, la mémoire étant protégée par un dispositif incluant une fonction de codage de données selon l'invention, seules les phases d'écriture mémoire étant représentées. - La figure 5 illustre l'architecture interne du dispositif de l'invention (exemple à trois étages pipeline). Exposé détaillé de modes de réalisation La présente invention concerne un dispositif de codage pour un sous-ensemble de détection et correction d'erreurs mémoire dans un système électronique comprenant un composant électronique et une mémoire. Par"composant électronique", on entend un circuit ou un ensemble de circuits intégrés, qui réalise une fonction nécessitant une mémoire, cette fonction pouvant être conçue à partir d'un opérateur ou processeur câblé (voir le document référencé [7] page 20 et page 106), d'un processeur en tranches ("bit slices", voir le document référencé [7] pages 106 à 109), ou d'un microprocesseur par exemple. Dans la suite de la description, on utilise le mot "microprocesseur"car celui-ci est le plus représentatif. Moyens de codage La fonction de codage de données du dispositif de l'invention est basée sur le fait que, pour améliorer la performance des microprocesseurs modernes, ceux-ci intègrent des mémoires caches internes, et les écritures en mémoire externes se font alors la plupart du temps par des transferts de blocs ("flush"ou mode rafale, i. e., une donnée à chaque cycle et ceci de façon continue pour tout le bloc). Comme illustré sur la figure 4, le dispositif de l'invention incluant la fonction de codage est mis en série sur les accès mémoire du microprocesseur. Son temps de propagation reste en série vis-à-vis du microprocesseur mais ne le ralentit pas grâce à un fonctionnement pipeline. Ce fonctionnement nécessite de connecter le dispositif au bus d'adresses contrairement aux EDACs classiques. Les moyens de codage du dispositif sont partagés en étages pipeline 41, 42, 43, et utilisent un fonctionnement de type"mémoire associative"comme illustré sur la figure 5. Si la durée des accès mémoire du microprocesseur est de T, et si le temps de codage du dispositif est inférieur à P fois T, alors la fonction codage est partagée en P étages pipeline 41,42, 43, chacun ayant un temps de propagation T. Les mots de données sont chargés dans le premier étage 41 du dispositif au rythme des écritures du microprocesseur, puis ils sont écrits en mémoire par le dispositif avec P cycles de retard mais au même rythme (donc, sans ralentir le microprocesseur). En parallèle, les adresses associées à chaque donnée sont chargées dans le dispositif et retardées par P simples registres pipeline 44 connectés en série pour rester en phase avec leur donnée. Si une donnée écrite doit être relue avec un délai inférieur à P cycles mémoire, la mémoire n'est plus en cohérence. Il faut donc que la fonction de codage du dispositif soit structurée comme une mémoire associative, un comparateur 45 câblé sur chaque étage du pipeline des adresses permet de comparer en temps réel ces P adresses à l'adresse du mot que le microprocesseur souhaite lire. Si l'un des comparateurs détecte que la donnée est dans le pipeline du dispositif (signal"adresse présente"activé, ou "adress-hit"), on peut : - soit introduire, grâce à un générateur de cycles d'attente 46, des cycles mémoire d'attente ("wait-states") au microprocesseur pour laisser le dispositif finaliser son calcul de code, et laisser le microprocesseur accéder à ce mot uniquement une fois qu'il a été écrit en mémoire avec son code associé. L'avantage est alors de banaliser sa nouvelle lecture ; - soit directement fournir la donnée au microprocesseur grâce à un multiplexage (multiplexeur 47) sur la sortie"donnée"de tous les étages pipeline 41,42, 43, mais en inhibant alors la détection d'erreur du dispositif sur ce mot puisque le code n'a pas eu le temps d'être complètement calculé. L'avantage est alors le gain en performance. Etant donné la faible densité des événements singuliers, donc la perte négligeable en performance, la première solution (introduction de cycles d'attente) est préférable. Le fonctionnement de ces deux solutions (en logique positive) est illustré dans les tableaux 1 et 2 en fin de description. Tableau 1 Tableau de fonctionnement du générateur de cycles d'attente 46 Validation Commande Attente ABC 0 0 0 0 0 cycle 1 0 0 1 1 cycle 1 0 1 0 2 cycles 1 1 0 0 3 cycles Tableau 2 Tableau de fonctionnement du multiplexeur 47 Validation Sélection Sortie ABC 0 0 0 0 Isolée 1 0 0 1 E3 1 0 1 0 E2 1 100 El REFERENCES [1]"29C516E-16 bits flow-through EDAC unit" (document TEMIC Semiconductors, rév. D, 09/12/97). [2]"29C532E-32 bits bus-watch EDAC unit" (document TEMIC Semiconductors, rév. B, 26/02/97). [3]"MA31752-16 bits feed-through EDAC unit" (document GEC Plessey Semiconductors, réf. DS3569-2. 4). [4]"MA31755-16 bits feed-through EDAC unit" (document GEC Plessey Semiconductors, réf. DS3572-2. 2). [5]"Two error-detecting and correcting circuits for space applications"de R. Johansson (Proceedings of 26th IEEE Fault Tolerant Computing Symposium, 1996). [6]"Memory system reliability improvement through associative cache redundancy", de M. A. Lucente, C. H. Harris et R. M. Muir (IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 26, no 3, mars 1991). [7]"Réalisation d'un mini-processeur vectoriel travaillant en arithmétique flottante 32 bits, adapté au traitement fréquentiel d'images"de Michel Pignol (Thèse de docteur ingénieur en électronique présentée à l'université de Clermont II le 12 septembre 1986). REVENDICATIONS 1. Dispositif de codage pour un sous- ensemble de détection et correction d'erreurs mémoire dans un système électronique comprenant un composant électronique (10) et une mémoire (11), caractérisé en ce que ce dispositif comprend des moyens de codage des données (20) mis en série sur les accès mémoire, et structurés en étages pipeline de façon à avoir le même débit que le composant électronique lorsque celui-ci écrit en mémoire, en particulier pendant les transferts de blocs. 2. Dispositif selon la revendication 1 disposant d'une connexion au bus d'adresses, et de moyens de cheminement des adresses, comprenant un ensemble de registres pipeline (44) connectés en série, dans lesquels est réalisé le transport des adresses capturées, le nombre de ces registres pipeline étant identique au nombre d'étages pipeline (41,42, 43) des moyens de codage (20) afin que ces adresses se propagent dans le dispositif au même rythme que les mots à coder. 3. Dispositif selon la revendication 2 comprenant un comparateur (45) câblé sur chaque registre pipeline (44) des moyens de cheminement des adresses, ces comparateurs (45) permettant une comparaison temps réel entre toutes les adresses qui se trouvent à l'intérieur du dispositif à un moment donné et l'adresse du mot que le composant électronique (10) souhaite lire en mémoire à ce moment là. 4. Dispositif selon la revendication 3, comprenant de moyens (46) introduisant des cycles mémoire d'attente au composant électronique lorsque l'un des comparateurs détecte la présence de l'adresse du mot que le composant (10) souhaite lire en mémoire, ces moyens permettant de laisser le temps au mot de se propager dans les derniers étages pipeline du dispositif afin que celui-ci puisse écrire en mémoire ce mot et son code associé avant que le composant ne les lise. 5. Dispositif selon la revendication 3 comprenant, des moyens de multiplexage (47) permettant lorsque l'un des comparateurs détecte la présence de l'adresse du mot que le composant souhaite lire en mémoire, de fournir ce mot au composant quel que soit l'étage pipeline où il se trouve et d'inhiber les moyens de détection d'erreurs du dispositif sur ce mot puisque son code associé n'a pas eu le temps d'être complètement calculé. 6. Procédé de codage pour un sous-ensemble détection et correction d'erreurs mémoire dans un système électronique comprenant un composant électronique et une mémoire, caractérisé en ce que les mots que doit écrire le composant électronique en mémoire sont capturés, puis codés avec un code quelconque de détection/correction d'erreur, puis écrits en mémoire ; le codage étant structuré en étages pipeline de façon à avoir le même débit que le composant lorsque celui-ci écrit en mémoire et, ainsi, ne pas le ralentir, en particulier pendant les transferts de blocs. 7. Procédé selon la revendication 6, qui capture les adresses en même temps que les mots à coder, et dans lequel ces adresses se propagent à l'intérieur d'étages pipeline au même rythme que les mots à coder. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel toutes les adresses présentes dans les étages pipeline sont comparées en temps réel à l'adresse du mot que le composant électronique souhaite lire, ceci afin de détecter si le mot recherché par le composant n'a pas été écrit très récemment et ne se trouve pas encore dans ces étages pipeline. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel si un mot que le composant électronique souhaite lire en mémoire se trouve encore dans les étages pipeline, on introduit des cycles mémoire d'attente au composant électronique pour attendre que se finalise le calcul de code et l'écriture en mémoire de ce mot et de son code associé avant que le composant ne les lise. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel si un mot que le composant électronique souhaite lire en mémoire se trouve encore dans les étapes pipeline, ce mot est directement fourni au composant en inhibant alors la détection d'erreur sur ce mot puisque son code associé n'a pas eu le temps d'être complètement calculé. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, qui est utilisé dans un système électronique embarqué. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, qui est utilisé dans le domaine spatial.