相變存儲器在汽車OTA固件升級中的作用

    本系列文章的第1 部分解釋了內(nèi)存如何影響汽車中區(qū)域和域系統(tǒng)的計算性能、功耗、可靠性和成本?，F(xiàn)在，我們來談?wù)勔环N特殊類型的非易失性存儲器 (NVM)——相變存儲器 (PCM)——在 MCU 的一個關(guān)鍵特性和優(yōu)勢中的作用和影響：無線 (OTA) 固件升級，也稱為固件無線 (FOTA) 升級。
    在汽車市場發(fā)展速度比以往任何時候都快的時候，OTA 固件升級是基于區(qū)域和域的應用程序的一項重要功能。需要為現(xiàn)場車輛快速推出新功能和升級，而在這里，OTA 固件升級確保了低成本的升級機制。
    區(qū)域和域 ECU 架構(gòu)需要 OTA 固件升級功能，該功能快速且無需應用程序停機即可運行。
    OTA固件升級架構(gòu)

    常見的OTA固件升級方式有兩種，區(qū)別在于是優(yōu)化成本還是優(yōu)化性能、可靠性和效率?；趹贸绦驁D像的單一實現(xiàn)（圖 1-a）是更經(jīng)濟的方法，因為它使用的非易失性內(nèi)存大約是實現(xiàn)基于應用程序圖像或基于 A/B 交換的雙重系統(tǒng)（圖 1-b）所需的一半).

    圖 1-a：單個基于圖像的實現(xiàn)更經(jīng)濟。資料：意法半導體

    圖 1-b：基于雙圖像的實現(xiàn)大約需要 2 倍的非易失性存儲器。資料：意法半導體
    雙應用映像方法使用大約 2 倍的必要非易失性內(nèi)存，“保護”原始固件，使車輛/ECU 可以不斷遷移到新固件，并在版本之間運行而不會停機。此外，如果出現(xiàn)問題，早期版本在 NVM 中仍然可用，并提供回滾選項。它是汽車應用中更常用的架構(gòu)——與應用程序大小相比，閃存的大小增加了一倍。
    除了內(nèi)存成本之外，OTA 升級實施的另一個重要方面是更新應用程序的時間。時間直接影響用戶以及經(jīng)銷商花費多長時間將更新到車輛中。用新映像更新閃存是一個兩步過程：擦除和寫入。此外，擦除時間可能比寫入操作長四到五倍。因此，快速升級需要優(yōu)化寫入和擦除時間。
    OTA固件隨PCM升級

    PCM 內(nèi)存，如Stellar SR6 MCU 中的內(nèi)存，通過解決上述挑戰(zhàn)改變了 OTA 固件升級的實現(xiàn)方式。PCM 每個邏輯位有兩個物理單元，它們協(xié)同工作以提供高可靠性和高溫下的長保留時間，這符合汽車應用的要求。在正常程序執(zhí)行期間，第二個物理位是個位的倒數(shù)，也稱為差模。圖 2 說明了 PCM 在正常操作中的工作原理。

    圖 2：這是相變存儲器 (PCM) 在正常操作期間的工作方式。資料：意法半導體

    當實現(xiàn) OTA 固件升級時，第二個物理單元不需要存儲反向數(shù)據(jù)，可以存儲新數(shù)據(jù)，如圖 3 所示。這種配置也稱為單端模式。

    圖 3：這是 PCM 在 OTA 固件升級期間的工作方式。資料：意法半導體
    與其他嵌入式非易失性存儲器技術(shù)相比，PCM 單元尺寸要小得多。因此，與其他架構(gòu)相比，兩個物理單元不需要雙倍的物理空間。
    因此，第二個物理單元的可用性實質(zhì)上使 OTA 固件升級期間的可用內(nèi)存大小翻倍。例如，如果 MCU 具有 20 MB 的總 PCM 內(nèi)存，則它可以支持 20 MB 的應用程序大小。然后，在 OTA 升級期間，MCU 的可用內(nèi)存翻倍至 40 MB。因此，MCU 可以存儲兩個圖像，每個圖像 20 MB。此功能解決了將內(nèi)存大小加倍以支持 OTA 升級的需要。
    此外，現(xiàn)有固件可以在 OTA 升級期間繼續(xù)執(zhí)行，從而消除停機時間。同樣有價值的是，由于在升級過程中保留了現(xiàn)有固件，系統(tǒng)可以在出現(xiàn)任何錯誤時回滾固件。OTA 固件升級過程完成后，PCM 將返回差分模式。這些功能相結(jié)合，使 PCM 既具有單映像 OTA 固件升級架構(gòu)的成本優(yōu)勢，又具有雙映像 A/B 交換架構(gòu)的所有功能優(yōu)勢。
    PCM 也有其他優(yōu)勢。無需在寫入前進行擦除操作，PCM 提供比 NOR 閃存更快的寫入操作。因此，PCM 縮短了 OTA 固件升級時間，改善了用戶體驗并降低了服務(wù)成本。這些功能還降低了固件升級的功耗。因此，如果在車輛運行時更新，則固件升級會消耗較少的車輛電池電量。
    在這里，值得一提的是，即使在 OTA 升級過程完成后，傳統(tǒng)的 A/B 交換或基于雙圖像的實現(xiàn)也會存儲新舊圖像。理想情況下，只需要兩個鏡像來確保 OTA 升級期間不停機，并提供在出現(xiàn)錯誤時將升級回滾到以前版本的可能性。如前所述，PCM 在支持這種靈活性方面是的，而不會像其他內(nèi)存類型那樣浪費內(nèi)存容量。
    如果即使在 OTA 升級過程后仍需要維護兩個圖像，PCM 也可以支持傳統(tǒng)的 A/B 交換/雙圖像實施。在這種情況下，雖然應用程序大小將是總 PCM 的一半，就像使用嵌入式閃存的實現(xiàn)一樣；PCM 仍然具有寫入速度更快的優(yōu)勢，因為它不需要預寫擦除。
    為什么 PCM 在區(qū)域和域 MCU 中很重要
    區(qū)域和域架構(gòu)通過提高系統(tǒng)性能和降低系統(tǒng)復雜性和車輛重量提供了巨大的優(yōu)勢。它們主要通過減少線束的數(shù)量來影響重量。另一方面，與傳統(tǒng) ECU 相比，這些架構(gòu)中功能和能力的集成需要更高的計算能力。
    為了充分利用這些架構(gòu)，NVM 中的代碼必須足夠快以限度地減少等待狀態(tài)。NVM 中的數(shù)據(jù)也應該很快，以提高系統(tǒng)性能。為避免需要外部 EEPROM，NVM 中的數(shù)據(jù)應模擬快速 EEPROM，而不會降低耐用性和相鄰存儲單元的性能。低功率運行也至關(guān)重要，因為它直接影響電動汽車的單次充電續(xù)航里程。此外，無論是在工廠還是無線升級的快速編程對于管理成本都至關(guān)重要。
    不幸的是，現(xiàn)有的 NOR 閃存架構(gòu)在大多數(shù)這些方面都不夠理想。制造商已經(jīng)能夠提高某些 NOR 閃存類型的速度，但這些改進在 40 納米以下的技術(shù)節(jié)點上逐漸消失。
    現(xiàn)在，隨著基于 28 納米技術(shù)的區(qū)域和域 MCU 進入市場，提供占地面積小且具有成本效益的芯片需要可擴展的新 NVM 技術(shù)。相變存儲器通過提供更快的訪問時間、無需擦除的寫入、單位可變性、低功耗操作和內(nèi)置 OTA 升級功能來應對這些挑戰(zhàn)。這就是 PCM 如何為汽車應用的新一代區(qū)域和域 ECU 架構(gòu)鋪平道路。