CN105406940A - 一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法，主要包括奇偶校验+反向码的编码、奇偶校验+反向码的解码和奇偶校验+反向码的码字刷新三个过程：通过冗余编码，可以纠正变量在生存周期内因为单粒子效应而产生的错误，保证了变量的可靠性。编码是基于重复码和奇偶校验码，编码及解码过程简单，运算量小，不会占用系统过多的资源；在变量生存周期内，对传输变量进行刷新，缩短变量的生存周期，对生存周期较长、粒子辐射严重的环境下，可以很好的保证关键变量的可靠性。

Description

一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法

技术领域

本发明属于通信编码技术领域，具体涉及一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法，用于在程序中对关键变量进行检错和纠错，保证传输变量的正确性。

背景技术

DSP系统在太空运行的过程中，易发生单粒子效应，在DSP工程代码中，有些代码模块执行频率低，发生单粒子效应的概率相对较小，我们将这些模块称为非敏感区域；有些代码模块执行频率高，发生单粒子效应的概率相对较大，我们称这些模块为敏感区域。容易理解，执行频率越高，意味着数据读写次数较多，对程序执行过程影响较大，所以在对DSP系统进行软防护的过程中，敏感区域的防护至关重要。

关键变量主要是指程序的大循环控制变量、有限状态机控制变量、重要的全局指针、重要的全局标志等。

关键变量对信号处理流程起至关重要的控制作用，其正确性关系到DSP程序运行的总体进程，可能导致信号处理结果的大范围错误。这些关键变量，诸如循环变量、全局标志等，生存周期一般较长，而且读写的频率也比较高，其发生单粒子效应的概率相对较大。

发明内容

本发明针对DSP工程代码中的关键变量进行冗余纠错码防护，其主要目的是保证关键变量在生存周期内的正确性，提高系统的可靠性。

为达上述目的，本发明提供了一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法，其执行主要包括奇偶校验+反向码的编码、奇偶校验+反向码的解码和奇偶校验+反向码的解码的码字刷新三个步骤：

(1)所述的奇偶校验+反向码的编码，其操作方法是，

对于关键变量I，如果关键变量I的数据长度为二进制的m位，将其记为(a_ma_m-1La₁)，对变量I进行奇偶校验，这里可以采用奇校验或者偶校验方式，在进行后续的校验中，保持一致即可满足，得到校验后的变量(a_ma_m-1La₁C₁)，其中C₁为校验位；

对关键变量I按位取反，得到变量将其记为(b_mb_m-1Lb₁)，对变量进行奇偶校验，这里可以采用奇校验或者偶校验方式，在进行后续的校验中，保持一致即可满足，得到奇偶校验后的变量(b_mb_m-1Lb₁C₂)，其中C₂为校验位；

将添加奇偶校验后的变量插入到添加奇校验后的变量I之后，构成传输变量，记作(a_ma_m-1La₁C₁b_mb_m-1Lb₁C₂)；

(2)所述的奇偶校验+反向码的解码，主要包含以下几个步骤：

步骤1，检错，对于长度为L的传输变量，将其高L/2位和低L/2位分别取出；将高L/2位和低L/2位按位作同或运算，得到检错参量S，若检错参量S等于0或者1，则表明传输变量没有出现错误，通过编码取出变量；如果检错参量S不等于0且不等于1，则表明传输结果出错，执行步骤2；

步骤2，纠错，逐位检测S，S中除最末位外不为0的位则对应为出错的位；

步骤3，对高L/2位进行奇偶校验，如果校验出错，则说明高L/2位出错，通过步骤2中确定的出错位数纠正该位的错误，获取关键变量；如果高L/2位校验结果正确，则校验低L/2位，纠正错误位，获取关键变量；

(3)所述的奇偶校验+反向码的解码的码字刷新，定时执行上述(1)(2)，直至变量不再有效。

上述一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法，所述的步骤(1)奇偶校验+反向码的编码中，对关键变量I的奇偶校验可以是奇校验，也可以是偶校验。

上述一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法，所述的步骤(1)奇偶校验+反向码的编码中，对变量的奇偶校验可以是奇校验，也可以是偶校验。

上述一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法，所述的步骤(1)奇偶校验+反向码的编码中，也可以将进行奇偶校验之后的变量I插入到变量之后，构成传输变量。

本发明的优点是：通过冗余编码，可以纠正变量在生存周期内因为单粒子效应而产生的错误，保证了变量的可靠性。编码是基于重复码和奇偶校验码，编码及解码过程简单，运算量小，不会占用系统过多的资源；在变量生存周期内，对传输变量进行刷新，缩短变量的生存周期，对生存周期较长、粒子辐射严重的环境下，可以很好的保证关键变量的可靠性。

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

附图说明

图1是编码函数伪代码设计示意图。

图2是解码函数伪代码设计示意图。

图3是码字刷新函数伪代码设计示意图。

图4a是不插入任何防护的循环流程图。

图4b是插入了冗余纠错码及码字刷新的循环流程图。

具体实施方式

本实施例针对DSP工程代码中关键变量进行冗余纠错码设计，即对关键变量进行编码，在关键变量的整个生存周期内，如果有数据位出现错误，可以对其进行纠正，保证了关键变量的正确性。

关键变量主要是指程序的大循环控制变量、有限状态机控制变量、重要的全局指针、重要的全局标志等，它的生存周期一般都比较长，操作也比较频繁，对这些变量进行编码解码的要求就相对较高。主要有以下几点：

(1)编解码尽可能简单；由于关键变量操作频率高，如果编解码过程过于复杂，系统需要耗费太多的资源进行编解码的额外计算，将严重干扰程序的执行流程；

(2)插入次数尽可能少；DSP以其流水线操作实现程序的并行，好的编程结构有利于DSP的流水线操作，如果在程序中过多插入其他代码，将可能破坏流水线操作，系统性能降低；

重复码是一种简单的信道编码方法，其实质是将每个要发送的字符重复发送。

我们知道，两次重复码具有检错功能，可以检测到哪一位出现错误，但是不具备纠错功能，其主要原因在于两次重复码间的编码距离为0，在码字出现错误时，不能区分是哪一次码字出错，从而无法纠错。

三次以上的重复码具有检错纠错能力，其实际是一种多模冗余的编码机制。

奇偶校验码是一种检错码，分为奇校验和偶检验，它是一种检错码，不具备纠错能力。

虽然重复码和奇偶校验码都不具备纠错能力，但是它们突出的优点就是编解码过程都非常简单，易于操作。

最常用的纠错码是汉明码，其相关的技术研究已经很成熟，它具有检错纠错能力，但是其主要的问题就是编解码过程较为复杂，涉及矩阵的相关运算，对于处理器而言，资源开销比较大。

针对这种情况，本发明提出了一种奇偶校验+反向码的编码方式(一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法)，其实质是奇偶校验码与重复码的组合。

奇偶校验+反向码的编码是一种简单、快速的编码方式，可根据变量的类型及纠正错误位数，确定冗余编码位的长度；纠正位数越高，编码冗余越长，编码效率越低。

奇偶校验+反向码的防护应用主要包括奇偶校验+反向码的编码、奇偶校验+反向码的解码和奇偶校验+反向码的码字刷新三个过程：

(1)奇偶校验+反向码的编码

对于关键变量I，如果关键变量I的数据长度为m位(二进制)，我们将其记为(a_ma_m-1La₁)，对变量I进行奇校验(或者偶检验)，得到奇校验后(或者偶检验)变量(a_ma_m-1La₁C₁)，其中C₁为校验位。对变量m取反，得到变量我们将其记为(b_mb_m-1Lb₁)，对变量进行奇校验(或者偶检验)，得到奇校验(或者偶检验)后变量(b_mb_m-1Lb₁C₂)，其中C₂为校验位。将奇校验(或者偶检验)后的变量I插入到奇校验(或者偶检验)后的变量I之后，或者将奇校验(或者偶检验)后的变量I插入到奇校验(或者偶检验)后的变量之后，构成传输变量，记作(a_ma_m-1La₁C₁b_mb_m-1Lb₁C₂)。这样，传输变量实际是由原变量的奇校验(或者偶检验)和原变量的反码的奇校验(或者偶检验)构成。其执行主要包括三部分：

<1>对关键变量进行取按位反运算，得到反码；

<2>对关键变量及其反码进行奇校验(或者偶校验)；

<3>合并得到传输变量；

反码计算及奇校验(或者偶校验)对于处理器而言，都是非常容易实现的，所以对于奇偶校验+反向码，其编码非常简单。

(2)奇偶校验+反向码的解码

由于传输变量是对关键变量进行了编码，其值已经不同于原变量，所以在每次使用之前，需要对传输变量进行解码，还原出关键变量。还原关键变量主要包含以下几步：

<1>检错

对于长度为L的传输变量，将其高L/2位和低L/2位分别取出；将高L/2位和低L/2位按位作同或运算，得到检错参量S。如果检错参量S等于0或者1，S等于0即高L/2位和低L/2数据位和校验位全部相反，此时则表明传输变量没有出现错误，而校验位有可能出错，但此时并不影响数据；如果S等于1即高L/2位和低L/2数据位相反，而校验位相同，此时则表明传输变量没有出现错误，而校验位有可能出错，但同样并不影响数据；如果检错参量S不等于0且不等于1，则表明高L/2位和低L/2的数据位中有位相同，存在传输错误；那么执行步骤<2>纠错。

<2>纠错

如果检错参量S不等于0且不等于，则表明传输变量出现错误，而S中除最后一位外不为0的位则对应为出错的位。但是，此时并不能判断是高L/2位出错还是低L/2位出错。

对高L/2位进行奇校验(或者偶校验，与编码保持一致)，如果校验出错，则说明高L/2位出错，通过检错已经得到出错的位，从而可以纠正该位的错误。如果高L/2位校验结果正确，则校验低L/2位，纠正错误位，以保证传输数据的正确性。

<3>还原

取经过检错纠错后的传输的变量的高L/2位，去掉最后一位校验位即为关键变量。当然，如果在编码时，将变量I插入到I的后面构成传输变量，那么，取经过检错纠错后的传输的变量的低L/2位，去掉最后一位校验位即为关键变量。

(3)奇偶校验+反向码的解码的码字刷新

当关键变量的生存周期过长，而环境的单粒子辐射强度较大时，容易出现一次以上的数据位翻转，如果通过增加编码长度来提高纠错位，对于数据的冗余量就过大，而且解码过程就相对复杂。考虑到这种情况，我们在关键变量的生存周期内插入刷新函数，对编码码字进行刷新。

刷新的过程包括校验和纠错两个部分，即在一定的时间内，对传输变量进行一次检错与纠错(如果有错误)操作，其本质是通过人工干预，缩短编解码的周期，从而消除传输过程中可能出现的错误积累，以较小的代价换取关键变量更高的可靠性。

在工程应用中，实施本发明所提供的方法主要包括以下几个步骤：

(1)根据关键变量类型及需要的纠错位数，进行编码长度的计算；

对于关键变量I，根据其定义的数据类型确定其长度，比如对于一般的32位DSP而言，其数据类型长度位数对应如下表1-1所示：

表1-1数据类型及数据长度关系表

数据类型	数据长度
		char	8
int	16/32
		Long int	32
float	32

double

64

在进行奇偶校验+反向码的编码运算中，我们需要传输原码、原码的反码、原码的校验位、反码的校验位，所以长度会增加原码长度的一倍以上。即对于长度为L的关键变量而言，编码之后的传输变量的长度为(2L+2)。

变量类型值可以根据设计者进行修改，例如，对于int型变量，如果处理器分配的是32位存储空间，那么理论上，编码之后长度将到达66位，即使是double型数据，也只有64位，是不够存储的。在这种情况下，用户可以选择以下方法来处理；

<1>将传输数据打包，构成一个数据序列，这种传输方式可以不用担心数据的长度，但是编解码的复杂度会变大；

<2>根据实际数据的大小进行位操作，也就是将数据的空闲位在编码的时候剔除掉，比如对于无符号的int型变量而言，如果系统是用32位数据空间对其进行存储，那么该变量最大值为4294967295。而实际上，除数值计算外，很少有变量会达到这个值，类似循环次数之类的变量，在几百到几千，所以存储位有很大的空间是浪费掉的，这些位没有用来存储有效数据，所以编码是没有意义的。用户可以在编码时将这些位剔除，从而保证编码的数据长度，减小编解码的运算量。

<3>将关键变量加校验的码字与反码加校验的码字分开传输，即将一个变量拆分成两个变量，在解码时直接调用两个变量进行运算。

(2)对关键变量进行编码；

对关键变量进行编码运算主要包括取反运算和校验运算，首先，需要获取关键变量的数据位，在设计时，用户可以进行实际位计算；然后对该变量进行取反运算；然后调用奇校验(或者偶校验)函数，对变量及其反码进行校验运算；最后将校验后的反码插入到原码的低位上。其编码的伪代码设计如图1-1所示。

(3)对关键变量进行解码；

对关键变量进行解码的操作主要包括检错、纠错、还原三个部分；首先将传输变量的高位和低位分开，按位进行同或操作，得到检错参量S。如果S＝0或者S＝1，则表明传输变量没有出错，如果S≠0且S≠1，则进行纠错运算。

如果S≠0且S≠1，则S中除最后一位外不为0的位则对应为出错的位。对传输的变量的高位进行奇校验，如果校验没有错误，则说明出错位在低位，纠正该位错误即可。

检错纠错完成后，取高位去掉最后一位，即可还原出关键变量。

对关键变量的解码的伪代码设计如图2所示。

(4)插入码字刷新；

对于生存周期过长、环境单粒子辐射较强的场所，在生存周期内定期插入刷新代码，对传输变量出现的错误进行纠正，可以很好的防止错误积累，保证整个防护过程的可靠性。插入码字刷新函数的伪代码设计如图3所示。

(5)插入位置；

循环变量在工程代码中就属于关键变量，我们以程序中的循环变量为例，阐述关键变量的冗余纠错码的编解码及码字刷新插入位置。相应的伪代码插入及实现流程图如图1-4所示，其中图1-4(a)是不插入任何防护的循环流程图，图1-4(b)是插入了冗余纠错码及码字刷新的循环流程图；编码插入在对循环变量进行操作之后，解码插入在对循环变量进行操作之前，即每次对变量进行更新后进行编码，使用之前进行解码，这样就保证在变量两次使用期间的可靠性。如果生存周期太长，可以将生存周期分成以T为周期的小块，每块内插入码字刷新，这样可以消除传输变量在传输过程中的错误积累，防止出现多位错误。如果变量在生存周期内出现不多于一位出错，通过解码可以纠正该位的错误。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法，其特征在于：包括奇偶校验+反向码的编码、奇偶校验+反向码的解码和奇偶校验+反向码的解码的码字刷新三个步骤：

(1)所述的奇偶校验+反向码的编码，其操作方法是，

对于关键变量I，如果关键变量I的数据长度为二进制的m位，将其记为(a_ma_m-1La₁)，对变量I进行奇偶校验，得到校验后的变量(a_ma_m-1La₁C₁)，其中C₁为校验位；

对关键变量I按位取反，得到变量将其记为(b_mb_m-1Lb₁)，对变量进行奇偶校验，得到奇偶校验后的变量(b_mb_m-1Lb₁C₂)，其中C₂为校验位；

将添加奇偶校验后的变量插入到添加奇校验后的变量I之后，构成传输变量，记作(a_ma_m-1La₁C₁b_mb_m-1Lb₁C₂)；

(2)所述的奇偶校验+反向码的解码，主要包含以下几个步骤：

步骤1，检错，对于长度为L的传输变量，将其高L/2位和低L/2位分别取出；将高L/2位和低L/2位按位作同或运算，得到检错参量S，若检错参量S等于0或者1，则表明传输变量没有出现错误，通过编码取出变量；如果检错参量S不等于0且不等于1，则表明传输结果出错，执行步骤2；

步骤2，纠错，逐位检测S，S中除最末位外不为0的位则对应为出错的位；

步骤3，对高L/2位进行奇偶校验，如果校验出错，则说明高L/2位出错，通过步骤2中确定的出错位数纠正该位的错误，获取关键变量；如果高L/2位校验结果正确，则校验低L/2位，纠正错误位，获取关键变量；

(3)所述的奇偶校验+反向码的解码的码字刷新，定时执行上述(1)(2)，直至变量不再有效。

2.根据权利要求1所述的一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法，其特征在于：所述的步骤(1)奇偶校验+反向码的编码中，对关键变量I的奇偶校验可以是奇校验，也可以是偶校验。

3.根据权利要求1所述的一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法，其特征在于：所述的步骤(1)奇偶校验+反向码的编码中，对变量的奇偶校验可以是奇校验，也可以是偶校验。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于关键变量的冗余纠错码防护方法，其特征在于：所述的步骤(1)奇偶校验+反向码的编码中，也可以将进行奇偶校验之后的变量I插入到变量之后，构成传输变量。