CN112582010B - 单调计数器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单调计数器，包括控制器以及多个存储块，且每个存储块包括特殊位以及用于存储计数数据的数据位，其中，控制器包括：用于判断特殊位的有效性，以从多个存储块中确定当前存储块的当前存储块判断模块；以及用于在多个存储块的特殊位均无效时，比较多个存储块中各特殊位中的被擦除位的数量，并对数量多的存储块进行擦除修补的擦除修补模块，从而在有异常情况发生而导致单调计数器出现过度擦除的情况时，单调计数器可以对其存储块进行修补，并找到当前时刻进行存储计数的当前存储块。

Description

单调计数器及其操作方法

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种单调计数器及其操作方法。

背景技术

应答保护单调计数器(Replay Protection Monotonic Counter，RPMC)是指具有单调计数功能的计数器，在应答保护单调计数器中计入的数据后，应答保护单调计数器只会随着计数值的变化单调递增。通常应答保护单调计数器是与FLASH(快闪存储器)相结合，用于在数据存储过程中来保证读写数据的机密性和完整性。例如，应答保护单调计数器与FLASH结合用于确定存储器存储次数，当FLASH每进行一次数据的读写，就在单调计数器中增加一个计数值，因此为FLASH提供读写数据次数提供一个完整的数据记录；又如，在数据发送过程中，数据单调计数，保证数据的不重复性，进而可以提升数据发送的机密性。

但是，现有技术下的应答保护单调计数器，当有异常情况发生时(比如异常掉电、复位以及电压不稳定等)，单调计数器会出现过度擦除(over-erase)的现象，从而使得单调计数器中所有存储块的校验位均无效，最终会导致单调计数器找不到当前存储块。

发明内容

本发明提供了一种单调计数器及其操作方法，有效地解决了因为出现异常情况而使单调计数器被过度擦除，导致单调计数器中所有存储块的校验位均无效，使得单调计数器找不到当前存储块的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种单调计数器，所述单调计数器包括控制器以及多个存储块，所述存储块包括特殊位以及用于存储计数数据的数据位，其中，所述控制器包括：

当前存储块判断模块，用于判断所述特殊位的有效性，以从所述多个存储块中确定当前存储块；

擦除修补模块，用于在所述多个存储块的特殊位均无效时，比较所述多个存储块中各所述特殊位中的被擦除位的数量，并对被擦除位数量多的所述存储块进行擦除修补。

进一步优选的，所述当前存储块判断模块还包括重新判断子模块，用于在所述擦除修补后，重新判断所述多个存储块的所述特殊位的有效性。

进一步优选的，当所述重新判断子模块判断未进行所述擦除修补的所述存储块的特殊位有效时，所述重新判断子模块还用于确定未进行所述擦除修补的所述存储块为当前存储块。

进一步优选的，在确定当前存储块后，所述控制器还用于在所述当前存储块中第一个未存储计数数据的数据位中写入数据进行计数。

进一步优选的，当所述控制器在所述当前存储块中第一个未存储计数数据的数据位中写入数据进行计数后，所述控制器还用于读取所述当前存储块的计数值，所述计数值为所述当前存储块的数据位以及计数基位记录的数据之和。

进一步优选的，用于被判断有效性的为所述特殊位中的校验位。

进一步优选的，所述特殊位包括所述存储块的计数基位、标识位以及校验位至少其中之一。

进一步优选的，所述多个存储块在同一个P型掺杂阱中。

进一步优选的，所述存储块的数量为两个或四个。

另一方面，本发明还提供了一种单调计数器的操作方法，应用于单调计数器，所述单调计数器包括多个存储块，所述存储块包括特殊位以及用于存储计数数据的数据位，所述操作方法包括：

判断步骤，判断所述特殊位的有效性；

比较步骤，当所述多个存储块的特殊位均无效时，比较所述多个存储块中各所述特殊位中的被擦除位的数量；

擦除修补步骤，对被擦除位数量多的所述存储块进行擦除修补。

进一步优选的，用于被判断有效性的为所述特殊位中的校验位。

进一步优选的，所述特殊位包括所述存储块的计数基位、标识位以及校验位至少其中之一。

进一步优选的，在所述擦除修补步骤之后，还包括：

重新判断步骤，返回执行所述判断步骤；

确定步骤，当未进行所述擦除修补的所述存储块的特殊位有效时，确定未进行所述擦除修补的所述存储块为当前存储块。

进一步优选的，在所述确定步骤之后，还可以包括：

计数步骤，在所述当前存储块中第一个未存储计数数据的数据位中写入数据进行计数；

读取步骤，读取所述当前存储块的计数值，所述计数值为所述当前存储块的数据位以及计数基位记录的数据之和。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种单调计数器，包括控制器以及多个存储块，且每个存储块包括特殊位以及用于存储计数数据的数据位，其中，控制器包括：用于判断特殊位的有效性，以从多个存储块中确定当前存储块的当前存储块判断模块；以及用于在多个存储块的特殊位均无效时，比较多个存储块中各特殊位中的被擦除位的数量，并对数量多的存储块进行擦除修补的擦除修补模块，从而在有异常情况发生而导致单调计数器出现过度擦除的情况时，单调计数器可以对其存储块进行修补，以便单调计数器能够正确地进行后续操作。为了能够进一步提升系统的稳定性，保证修补操作已完成错误的纠正，作为优选的方案，对未进行擦除修补的存储块的特殊位进行校验，当其有效时，确定未进行擦除修补的存储块为当前存储块。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对根据本发明而成的各实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明而成的实施例所提供的单调计数器中处于不同操作状态的存储单元与对应电压的关系示意图。

图2是根据本发明而成的实施例所提供的单调计数器中处于同一P型掺杂阱的存储块的结构示意图。

图3是根据本发明而成的实施例所提供的单调计数器的结构示意图。

图4是根据本发明而成的实施例所提供的单调计数器的另一结构示意图。

图5是根据本发明而成的实施例所提供的单调计数器的操作方法的流程示意图。

图6是根据本发明而成的实施例所提供的单调计数器的操作方法的进一步流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明而成的实施例中的附图，对本发明而成的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

快闪存储器(即Flash)是目前最常用的非挥发性存储器类型，是一种可靠的数据保持方法，其特点在于数据一次写入可支持长时间反复读取，不受芯片重置或掉电影响。应答保护单调计数器(Replay Protection Monotonic Counter，RPMC)是指具有单调计数功能的计数器。将应答保护单调计数器与Flash相结合，可以保证存储器读写数据的机密性和完整性。

请参阅图1，图1是是根据本发明而成的实施例所提供的单调计数器中处于不同操作状态的存储单元与对应电压的关系示意图。如图1所示，NOR Flash存储单元的阈值电压(Vt)是NOR Flash所处状态的特征值。NOR Flash单元结构决定了对Flash写入数据的操作包括擦除(Erase)和编程(Program)两步，其中擦除是将存储单元的电压降低到一定的正电压阈值范围，而编程是在擦除的电压的基础上，根据写入值将存储单元的电压升高到一较高的正电压阈值范围。根据操作状态，NOR Flash的电压阈值范围可以分为2种：(1)写入1状态，具体表现为存储单元的电压处于某个正电压阈值范围内，读值为“1”；(2)写入0状态，具体表现为存储单元的电压处于比“写入1状态”较高的一电压阈值范围内，读值为“0”。

存储单元被过度擦除(over erase)，表现为NOR Flash存储单元的电压被擦除到某个过低的电压范围，具体地，如图2所示，表征存储单元处于“被过度擦除状态”的电压阈值范围低于表征存储单元处于“写入1状态”的电压阈值范围。

通常情况下，在Flash中，会有多个存储块(每个存储块分别具有多个存储单元)被配置在同一个P型掺杂阱中，示例性地，如图2所示，同一个P型掺杂阱中配置有两个存储块：存储块1以及存储块2，当Flash执行擦除操作时，需要将电压提供给P型掺杂阱，所以，若存储块1中的存储单元出现过度擦除现象时，比如，该存储单元的阈值电压被拉低到一过低的负值，从而使该存储单元所在的位线(Bit Line，BL)产生漏电流，造成该位线BL上的其它存储单元的读取出现错误。由于同一P型掺杂阱中配置有多个存储块，在同一位线BL上且在不同字线(Word Line，WL)上的存储单元，会分属于不同的存储块，所以，当存储块1的存储单元出现过度擦除的现象时，会对存储块2中的存储单元的读取造成干扰。而如果同一P型掺杂阱中用以判断各存储块(即存储块1以及存储块2)有效的存储单元均受到干扰，则会使应答保护单调计数器找不到正进行计数操作的当前存储块。

本发明针对现有技术下的单调计数器，因为出现异常情况而使单调计数器被过度擦除，导致单调计数器中所有存储块的校验位均无效，使得单调计数器找不到当前存储块的问题，根据本发明而成的实施例用以解决该问题。

请参阅图3，图3是根据本发明而成的实施例所提供的单调计数器100的结构示意图，从图3可知根据本发明而成的实施例的各组成部分，以及各组成部分的相对位置关系。

如图3所示，该单调计数器100包括控制器110以及多个存储块120，且每个存储块120包括多个特殊位121以及多个用于存储计数数据的数据位122，其中，控制器110具体可以包括：

当前存储块判断模块111，该当前存储块判断模块111用于判断特殊位121的有效性，以从多个存储块120中确定当前存储块；以及，

擦除修补模块112，该擦除修补模块112用于在多个存储块120的特殊位121均无效时，比较多个存储块120中各特殊位121中的被擦除位的数量，并对被擦除位的数量多的存储块120进行擦除修补。

需要说明的是，请继续参阅图1，当存储块1因为出现异常情况而导致其某一存储单元出现过擦现象(over erase)，该存储单元的阈值电压会低于其处于擦除状态时的阈值电压，此时对存储块1进行擦除修补，会将存储块1中的存储单元的阈值电压提升到其处于擦除状态时的阈值电压。

而当存储块1进行了擦除修补后，处于同一P型掺杂阱中的存储块2，由于没有了存储块1发生过擦产生的漏电流的影响，当再次对存储块2进行读取时，读取出的数据便不会出现异常。

具体地，请参阅图4，图4是根据本发明而成的实施例所提供的单调计数器100的另一结构示意图，如图4所示：

特殊位121包括存储块120的计数基位1211、标识位1212以及校验位1213至少其中之一，其中，校验位1213用于判断特殊位121的有效性。

进一步地，因为应答保护单调计数器(Replay Protection Monotonic Counter，RPMC)的单调性，计数数据会单调性地递增，因此，在切换存储块进行计数时，必须将切换前的存储块的数据保存到切换后的存储块中，以作为切换后的存储块计数的基础，计数基位1211就是用于记录上一个当前存储块写满切换时所计入的数据；

进一步地，标识位1212中记录的数据用于表征存储块120是否需要进行擦除及编程操作，具体地，标识位1212只具有两种数据状态，一种数据状态表征存储块120需要进行擦除及编程操作(如00)，一种数据状态表征存储块120已经进行擦除及编程、不需要再进行擦除及编程操作(如FF)；

校验位1213的有效性用于表征存储块120的特殊位121中的数据是否有效。具体地，计数基位1211与标识位1212会通过某种校验运算(譬如加法运算、奇偶运算、异或运算或循环冗余校验(cyclic redundancy check)运算)生成一数值，之后，将该数值与校验位1213中的数值进行比较，若二值相等，则表征校验位1213有效，也即，该校验位1213对应的存储块120中的数据有效、未出现异常；而若这二值不等，则表征校验位1213无效，也即，该校验位1213对应的存储块120中的数据无效、发生了异常；

数据位122则是用于存储计数数据的单元，一般，为了增加存储块120的存储量、减少擦除次数，每个存储块120中会包括多个数据位122，每当单调计数器100对应的Flash进行一次数据的读写，就会将单调计数器100中的存储块120的一个数据位122写为1。

请继续参阅图4，如图4所示，当前存储块判断模块111还包括重新判断子模块1111，用于在擦除修补后，重新判断多个存储块120的特殊位121的有效性。

具体地，当重新判断子模块1111判断未进行擦除修补的存储块120的特殊位121有效时，该重新判断子模块1111即确定未进行擦除修补的存储块120为当前存储块。

进一步地，当进行一次擦除修补以及重新判断的操作之后，重新判断子模块1111仍未从未进行擦除修补的存储块120中找出特殊位121有效的存储块120，那么擦除修补模块112会接着对被擦除位的数量最多的存储块120进行擦除修补，之后，再进行重新判断的操作，直至找出特殊位121有效的存储块120作为当前存储块。

具体地，在确定当前存储块后，控制器110还用于执行单调计数器100的计数步骤，即，在当前存储块中第一个未存储计数数据的数据位122中写入数据进行计数，之后，控制器110还会用于读取单调计数器100的当前存储块的计数值，且该计数值为当前存储块的数据位122以及计数基位1211记录的数据之和。

所述计数值为当前存储块的数据位122以及计数基位1211记录的数据之和是指将前存储块的数据位122的值和所有数据位中的值求和。

在实际应用中，单调计数器100常和闪存一同使用，闪存每进行一次数据的读写，就在单调计数器100的当前存储块中的数据位写1，所以一个存储块120中所有的数据位122加上计数基位1211的值等于当前时刻的计数值。举例来说，数据位122可以用n个0代表该单调计数器100的计数值加1(n为大于等于1的整数)，当单调计数器100的计数基位是1000，n是8，数据位有3个byte的0时，则当前时刻，该单调计数器100的计数值是1003。

具体地，单调计数器100中的多个存储块120在同一个P型掺杂阱(即在衬底中掺杂P型杂质(如B、Ga)的区域)中，且因为多个存储块120在同一个P型掺杂阱中，当某一存储块120因为产生中断而出现过度擦除(over-erase)的情况时，会使P型掺杂阱中的各区域产生漏电流，从而影响其它存储块120的数据读取操作的执行，譬如，当过度擦除发生在校验位1213对应的P型掺杂阱中时，会使存储块120在读取该校验位1213时出现错误，进而导致单调计数器100找不到当前存储块，在本实施例中，由于擦除修补模块112对发生过度擦除的存储块120进行了擦除修补，可以使在同一个P型掺杂阱中的存储块120恢复正常，从而对因为出现过度擦除的情况而导致单调计数器100找不到当前存储块的问题得以改善。

优选的，存储块120的数量为2或4个。

区别于现有技术，本发明提供了一种单调计数器100，包括控制器110以及多个存储块120，且每个存储块120包括多个特殊位121以及多个用于存储计数数据的数据位122，其中，控制器110包括：用于判断特殊位121的有效性，以从多个存储块120中确定当前存储块的当前存储块判断模块111；以及用于在多个存储块120的特殊位121均无效时，比较多个存储块120中各特殊位121中的被擦除位的数量，并对被擦除位数量多的存储块120进行擦除修补的擦除修补模块112，从而在有异常情况发生而导致单调计数器100出现过度擦除的情况时，单调计数器100可以对其存储块120进行修补，并找到当前时刻进行存储计数的当前存储块，以便单调计数器100能够正确地进行后续操作。为了能够进一步提升系统的稳定性，保证修补操作已完成错误的纠正，作为优选的方案，对未进行擦除修补的存储块120的特殊位121进行校验，当其有效时，确定未进行擦除修补的存储块120为当前存储块。

请参阅图5，图5是根据本发明而成的实施例所提供的单调计数器100的操作方法的流程示意图，该操作方法应用于单调计数器100，且该单调计数器100包括多个存储块，每个存储块包括多个特殊位以及多个用于存储计数数据的数据位，该操作方法的具体流程可以如下：

判断步骤S1O1.判断特殊位的有效性；

比较步骤S1O2.当多个存储块的特殊位均无效时，比较多个存储块中各特殊位中的被擦除位的数量；

擦除修补步骤S1O3.对被擦除位的数量多的存储块进行擦除修补。

具体地，上述比较步骤S1O2以及擦除修补步骤S1O3均由单调计数器100的控制器110中的擦除修补模块112执行。

请参阅图6，图6是根据本发明而成的实施例所提供的单调计数器的100操作方法的进一步流程示意图，如图6所示，在擦除修补步骤S1O3之后，还可以包括：

重新判断步骤S1O4.返回执行判断步骤；

确定步骤S1O5.当未进行擦除修补的存储块的特殊位有效时，确定未进行擦除修补的存储块为当前存储块。

具体地，当执行一次擦除修补步骤S1O3以及返回执行步骤S1O4之后，若单调计数器100仍未从未进行擦除修补的存储块中找出特殊位有效的存储块，那么单调计数器100会再次执行一次比较步骤S1O2、擦除修补步骤S1O3以及返回执行步骤S1O4，直到在确定步骤S1O5中找出特殊位有效的存储块作为当前存储块。

进一步地，特殊位包括存储块的计数基位、标识位以及校验位至少其中之一，且校验位用于判断特殊位的有效性。进一步地，计数基位是用于记录上一个当前存储块写满切换时所计入的数据，校验位用于验证存储块中的数据读取是否正确，数据位则是用于存储计数数据的单元。

请继续参阅图6，在确定步骤S1O5之后，还可以包括：

计数步骤S1O6.在当前存储块中第一个未存储计数数据的数据位中写入数据进行计数；

读取步骤S1O7.读取当前存储块的计数值，且该计数值为当前存储块的数据位以及计数基位记录的数据之和。

需要说明的是，所述计数值为当前存储块的数据位以及计数基位记录的数据之和是指将前存储块的数据位的值和所有数据位中的值求和。在实际应用中，单调计数器常和闪存一同使用，闪存每进行一次数据的读写，就在单调计数器的当前存储块中的数据位写1，所以一个存储块中所有的数据位加上计数基位的值等于当前时刻的计数值。举例来说，数据位可以用n个0代表该单调计数器100的计数值加1，当单调计数器100的计数基位是1000，n是8，数据位有3个byte的0时，则当前时刻，该单调计数器100的计数值是1003。

优选的，存储块120的数量为2或4个。

区别于现有技术，本发明提供了一种单调计数器100的操作方法，该操作方法应用于单调计数器100，且该单调计数器100包括多个存储块，每个存储块包括多个特殊位以及多个用于存储计数数据的数据位，该操作方法包括：判断特殊位的有效性，当多个存储块的特殊位均无效时，比较多个存储块中各特殊位中的被擦除位的数量，之后，对被擦除位的数量多的存储块进行擦除修补，从而在有异常情况发生而导致单调计数器100出现过度擦除的情况时，单调计数器100可以对其存储块进行修补，并找到当前时刻进行存储计数的当前存储块，以便单调计数器100能够正确地进行后续操作。为了能够进一步提升系统的稳定性，保证修补操作已完成错误的纠正，作为优选的方案，对未进行擦除修补的存储块120的特殊位121进行校验，当其有效时，确定未进行擦除修补的存储块120为当前存储块。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

综上所述，虽然本发明已将优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种单调计数器，其特征在于，所述单调计数器包括控制器以及多个存储块，所述存储块包括特殊位以及用于存储计数数据的数据位，其中，所述控制器包括：

当前存储块判断模块，用于判断所述特殊位的有效性，以从所述多个存储块中确定当前存储块；

擦除修补模块，用于在所述多个存储块的特殊位均无效时，比较所述多个存储块中各所述特殊位中的被擦除位的数量，并对被擦除位数量多的所述存储块进行擦除修补。

2.根据权利要求1所述的单调计数器，其特征在于，所述当前存储块判断模块还包括重新判断子模块，用于在所述擦除修补后，重新判断所述多个存储块的所述特殊位的有效性。

3.根据权利要求2所述的单调计数器，其特征在于，当所述重新判断子模块判断未进行所述擦除修补的所述存储块的特殊位有效时，所述重新判断子模块还用于确定未进行所述擦除修补的所述存储块为当前存储块。

4.根据权利要求3所述的单调计数器，其特征在于，在确定当前存储块后，所述控制器还用于在所述当前存储块中第一个未存储计数数据的数据位中写入数据进行计数。

5.根据权利要求4所述的单调计数器，其特征在于，当所述控制器在所述当前存储块中第一个未存储计数数据的数据位中写入数据进行计数后，所述控制器还用于读取所述当前存储块的计数值，所述计数值为所述当前存储块的数据位以及计数基位记录的数据之和。

6.根据权利要求1所述的单调计数器，其特征在于，用于被判断有效性的为所述特殊位中的校验位。

7.根据权利要求1所述的单调计数器，其特征在于，所述特殊位包括所述存储块的计数基位、标识位以及校验位至少其中之一。

8.根据权利要求1所述的单调计数器，其特征在于，所述多个存储块在同一个P型掺杂阱中。

9.根据权利要求1所述的单调计数器，其特征在于，所述存储块的数量为两个或四个。

10.一种单调计数器的操作方法，应用于单调计数器，所述单调计数器包括多个存储块，所述存储块包括特殊位以及用于存储计数数据的数据位，其特征在于，所述操作方法包括：

判断步骤，判断所述特殊位的有效性；

比较步骤，当所述多个存储块的特殊位均无效时，比较所述多个存储块中各所述特殊位中的被擦除位的数量；

擦除修补步骤，对被擦除位数量多的所述存储块进行擦除修补。

11.根据权利要求10所述的操作方法，其特征在于，用于被判断有效性的为所述特殊位中的校验位。

12.根据权利要求10所述的操作方法，其特征在于，所述特殊位包括所述存储块的计数基位、标识位以及校验位至少其中之一。

13.根据权利要求10所述的操作方法，其特征在于，在所述擦除修补步骤之后，还包括：

重新判断步骤，返回执行所述判断步骤；

确定步骤，当未进行所述擦除修补的所述存储块的特殊位有效时，确定未进行所述擦除修补的所述存储块为当前存储块。

14.根据权利要求13所述的操作方法，其特征在于，在所述确定步骤之后，还包括：

计数步骤，在所述当前存储块中第一个未存储计数数据的数据位中写入数据进行计数；

读取步骤，读取所述当前存储块的计数值，所述计数值为所述当前存储块的数据位以及计数基位记录的数据之和。

Images