根據(jù)汽車系統(tǒng)要求選擇非易失性存儲(chǔ)器

隨著汽車系統(tǒng)不斷集成新功能，例如駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、圖形儀表盤 (GIC)、HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)，設(shè)計(jì)車輛變得更加復(fù)雜。為了確?？煽亢桶踩牟僮?，這些子系統(tǒng)中的每一個(gè)都需要某種形式的非易失性存儲(chǔ)器，用于在復(fù)位和電源切換期間存儲(chǔ)一些信息。非易失性存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)可執(zhí)行代碼或其他重要數(shù)據(jù)，如常量、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、安全和保密相關(guān)信息，以供將來檢索。

市場(chǎng)上有幾種不同類型的非易失性存儲(chǔ)器，包括 NOR Flash、NAND Flash、EEPROM（電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）、FRAM（鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）、MRAM（磁性 RAM）和 NVSRAM（非-易失性同步 RAM)，等等。每種內(nèi)存類型在不同的性能指標(biāo)方面都比其他內(nèi)存有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)：內(nèi)存密度、讀/寫帶寬、接口頻率、耐用性、數(shù)據(jù)保留、不同電源模式（活動(dòng)、待機(jī)/睡眠、休眠）下的電流消耗、浸泡時(shí)間、對(duì)外界電磁干擾的敏感性等。

要了解這些新興汽車系統(tǒng)對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的真正要求，工程師需要考慮以下真實(shí)用例：

啟動(dòng)汽車后，駕駛者是否愿意等待幾分鐘，然后才能駕駛儀表盤啟動(dòng)并顯示與速度表、油量等相關(guān)的圖形？

一位司機(jī)剛剛對(duì)座椅位置、方向盤位置、溫度設(shè)置和喜歡的廣播頻道進(jìn)行了個(gè)人調(diào)整，然后必須迅速關(guān)閉引擎。如果汽車在這些子系統(tǒng)的電源被切斷之前不記得這些設(shè)置，司機(jī)會(huì)有多生氣？

盡管有 ADAS 安全系統(tǒng)，車輛還是發(fā)生了事故。您能否為調(diào)查團(tuán)隊(duì)提供他們需要的數(shù)據(jù)，例如事故發(fā)生前幾秒不同傳感器的狀態(tài)？

對(duì)于 ADAS 系統(tǒng)，即時(shí)捕獲某些傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中極為重要。同樣，信息娛樂系統(tǒng)設(shè)置需要即時(shí)存儲(chǔ)，以便能夠在斷電時(shí)檢索它們。GIS 和信息娛樂系統(tǒng)都使用高端圖形，因此需要相對(duì)大量的覆蓋數(shù)據(jù)作為引導(dǎo)代碼序列的一部分，需要從外部非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)和檢索。

除了滿足應(yīng)用級(jí)要求外，非易失性存儲(chǔ)器還需要確保足夠的寫入周期耐久性，以記錄至少 20 年的數(shù)據(jù)。此外，要獲得汽車級(jí)和資格，子系統(tǒng)還應(yīng)具有符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)存組件。功能安全 (ISO 26262) 是這些安全關(guān)鍵型應(yīng)用的另一個(gè)重要方面。

ADAS 內(nèi)存要求

開發(fā) ADAS 系統(tǒng)是為了自動(dòng)化/調(diào)整/增強(qiáng)車輛系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更安全和更好的駕駛。安全功能旨在通過提供提醒駕駛員注意潛在問題或通過實(shí)施安全措施和接管車輛控制來避免碰撞的技術(shù)來避免事故。自適應(yīng)功能可以自動(dòng)照明、提供自適應(yīng)巡航控制、自動(dòng)制動(dòng)、結(jié)合 GPS/交通警告、連接到智能手機(jī)、提醒駕駛員注意其他車輛或危險(xiǎn)、使駕駛員保持在正確的車道上或顯示駕駛員盲點(diǎn)中的內(nèi)容。

圖 1. ADAS 系統(tǒng)框圖（：賽普拉斯）

圖 1 顯示了使用 FRAM 和 NOR 閃存的 ADAS 系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。外部 NOR 閃存通常用于存儲(chǔ)引導(dǎo)代碼。然而，ADAS 系統(tǒng)中的各種傳感器通過 CAN（控制器局域網(wǎng)）接口定期向 MCU 發(fā)送數(shù)據(jù)。MCU 運(yùn)行自適應(yīng)算法來檢查是否有可能發(fā)生碰撞或是否已經(jīng)發(fā)生碰撞。處理算法的運(yùn)行時(shí)變量和傳感器的當(dāng)前狀態(tài)存儲(chǔ)在 MCU 的 RAM 中。

當(dāng)算法檢測(cè)到發(fā)生事故時(shí)，安全氣囊控制模塊應(yīng)使用備用電源即時(shí)展開安全氣囊，以確保即使在事故期間斷電的情況下也能展開。事故過程中傳感器的狀態(tài)也應(yīng)立即存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中以供數(shù)據(jù)記錄。這些信息對(duì)于了解事故原因非常有用，這樣汽車制造商就可以部署更先進(jìn)的安全系統(tǒng)，保險(xiǎn)公司可以確定特定索賠是否有效。

事件數(shù)據(jù)記錄器 (EDR) 是在事故發(fā)生前捕獲不同關(guān)鍵子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。EDR 可以是同一 ADAS MCU 的一部分，也可以是接收關(guān)鍵傳感器數(shù)據(jù)并與 ADAS MCU 通信的不同 MCU。如今，賽普拉斯 Traveo MCU 等多核器件使整個(gè) CPU 內(nèi)核專用于 EDR 功能。

EDR 捕獲的數(shù)據(jù)包括通過測(cè)量汽車前側(cè)壓力傳感器的沖擊力、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向輸入、節(jié)氣門位置、制動(dòng)狀態(tài)、安全帶狀態(tài)（用于乘客檢測(cè)）的碰撞嚴(yán)重程度，輪胎氣壓，警告信號(hào)，是安全氣囊展開。這些數(shù)據(jù)應(yīng)在碰撞前和碰撞過程中記錄幾秒鐘。顯然，MCU 不能等到事故發(fā)生才開始存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。因此，MCU 需要不斷地存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。因此，EDR 需要支持幾乎無限耐用性的非易失性存儲(chǔ)器。

與用于 ADAS 的傳統(tǒng) EEPROM 相比，F(xiàn)RAM 存儲(chǔ)器具有許多優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)幾乎是瞬時(shí)的，大約 10 微秒，沒有浸泡時(shí)間要求，這對(duì) ADAS 至關(guān)重要。EEPROM 通常需要數(shù)十毫秒的保持時(shí)間，因此不適合安全關(guān)鍵型應(yīng)用。無寫入延遲和高時(shí)鐘速度的結(jié)合使 FRAM 非常適合需要快速寫入大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用。使用 SPI 時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以完全自由地決定要寫入 FRAM 的字節(jié)數(shù)。當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)字節(jié)寫入 FRAM 中的隨機(jī)位置時(shí)，寫入周期時(shí)間約為 1 μs。將此與強(qiáng)加 5 到 10 毫秒寫入周期的 EEPROM 或閃存進(jìn)行比較。

與 EEPROM 或閃存不同，F(xiàn)RAM 不使用頁面緩沖區(qū)。FRAM 在接收到的每個(gè)字節(jié)的第八位之后立即寫入每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。這意味著工程師不必?fù)?dān)心當(dāng)系統(tǒng)增長(zhǎng)到下一個(gè)內(nèi)存密度時(shí)頁面緩沖區(qū)大小會(huì)發(fā)生變化。

在寫入耐久性方面，F(xiàn)RAM可以支持10 14 次寫入，比EEPROM的10 6 和FLASH的10 5 高出很多數(shù)量級(jí)。因此，F(xiàn)RAM 可以用作數(shù)據(jù)不斷寫入的尾部數(shù)據(jù)記錄器。此外，F(xiàn)RAM 的寫入和讀取操作需要非常低的有功功率（例如，1 MHz 時(shí)為 300 μA），使其適用于需要使用低功率備用電源或在斷電時(shí)通過電容器寫入數(shù)據(jù)的 ADAS由于事故。與其他非易失性存儲(chǔ)器相比，F(xiàn)RAM 的待機(jī)電流也低得多（即典型值 100 μA）。

儀表盤內(nèi)存要求

儀表組系統(tǒng)以圖形顯示器上的數(shù)字形式或使用步進(jìn)電機(jī)控制以模擬形式顯示速度、RPM、燃油油位和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度水平等重要信息。還顯示電池警告、溫度警告、低油壓警告、剎車警告等警告符號(hào)，安全帶指示、低胎壓指示、門鎖指示、頭燈指示、換檔指示、手剎指示等安全符號(hào)，和非關(guān)鍵信息，例如機(jī)艙和外部溫度、行程表/里程表讀數(shù)等。

近的集群系統(tǒng)還包括平視顯示器 (HUD)。HUD 是一種光學(xué)系統(tǒng)，可將駕駛信息投射到車輛的擋風(fēng)玻璃上。借助 HUD，駕駛員無需將目光從前方交通中移開即可獲取重要信息。這降低了與道路失去視線接觸的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并為駕駛員提供了更多時(shí)間來識(shí)別危險(xiǎn)并做出反應(yīng)。該顯示可以包括重要信息的集合，例如速度、導(dǎo)航和其他高優(yōu)先級(jí)警告符號(hào)。

圖 2. 組合儀表系統(tǒng)框圖（：賽普拉斯）

圖 2 顯示了圍繞 HyperBus 接口上的 HyperRAM 和 HyperFlash 以及 DDR-HSSPI 接口上的 NOR 閃存構(gòu)建的儀表組系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。集群 MCU 可以通過不同的通信協(xié)議與其他子系統(tǒng)連接，例如 CAN-FD、CXPI（時(shí)鐘擴(kuò)展外設(shè)接口）、以太網(wǎng) AVB 和 MediaLB（媒體本地總線）/MOST（媒體導(dǎo)向系統(tǒng)傳輸），以收集要傳輸?shù)男畔⒂杉猴@示。

Instrument Cluster 系統(tǒng)啟動(dòng)后，安全引擎會(huì)立即驗(yàn)證固件的真實(shí)性。此后，MCU 軟件執(zhí)行通過 HyperBus 接口從外部 HyperFlash 或通過雙倍數(shù)據(jù)速率高速串行外設(shè)接口 (DDR-HSSPI) 從 NOR 閃存就地執(zhí)行 (XiP) 開始。XiP 功能允許 MCU 直接從外部存儲(chǔ)器執(zhí)行代碼，而不必先將代碼從外部閃存復(fù)制到內(nèi)部 RAM，從而提高響應(yīng)速度。NOR Flash/HyperFlash 存儲(chǔ)器可以配置有程序代碼的初始地址位置，并在指定數(shù)量的時(shí)鐘延遲后以讀取模式上電。因此，一旦 MCU 上電，

可以從外部 HyperFlash 中檢索靜態(tài)元素，并在 Cluster LCD 上顯示為基礎(chǔ)層。像 Cypress 的 Traveo 這樣的汽車 MCU 支持額外的功能來即時(shí)解壓縮這些靜態(tài) HMI 元素，而無需先通過 RAM?？梢詮耐獠?HyperRAM 中檢索具有更快更新速率的動(dòng)態(tài)內(nèi)容，例如針頭信息。

HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)內(nèi)存要求

HVAC（供暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)負(fù)責(zé)維持機(jī)艙內(nèi)的溫度和氣流。信息娛樂系統(tǒng)可以運(yùn)行類似于我們手機(jī)的不同應(yīng)用程序，并提供一個(gè)用戶界面來更改 HVAC 系統(tǒng)配置、音樂系統(tǒng)設(shè)置、在導(dǎo)航應(yīng)用程序上輸入目的地信息、更改座椅/方向盤位置/高度、調(diào)整機(jī)艙內(nèi)的氣氛照明， 等等。一些的汽車還集成了指紋讀取器，以驗(yàn)證和識(shí)別駕駛員。這使得 HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)能夠快速將駕駛室調(diào)整為駕駛員的設(shè)置。

圖 3. HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)框圖（：賽普拉斯）

圖 3 顯示了 HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖，其中所有存儲(chǔ)器元件都連接到主 MCU。在這里，與儀表盤系統(tǒng)相比，我們有 3 個(gè)額外的子系統(tǒng)：

觸摸屏控制器檢測(cè)顯示屏上的手指觸摸

用于控制機(jī)艙溫度的加熱器/空調(diào)

連接子系統(tǒng)，用于啟用車內(nèi)連接選項(xiàng)（藍(lán)牙、GPS、WiFi、GSM、FM 調(diào)諧器等）

HyperFlash 和 HyperRAM 內(nèi)存用于支持高質(zhì)量圖形。NOR Flash 用于引導(dǎo)代碼存儲(chǔ)，F(xiàn)RAM 用于存儲(chǔ)設(shè)置信息，因此即使汽車關(guān)閉并立即打開，也可以可靠地檢索機(jī)艙設(shè)置。

內(nèi)存接口

現(xiàn)在我們已經(jīng)討論了不同汽車領(lǐng)域?qū)Ψ且资源鎯?chǔ)器的要求，讓我們了解這些存儲(chǔ)器和 MCU 之間的不同接口機(jī)制。

任何具有 SPI 接口的 MCU 都可以輕松訪問 NOR Flash。賽普拉斯的 S25FL256L 等 NOR 閃存設(shè)備為 SPI 提供了支持雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR) 和四路外設(shè)接口 (QPI) 選項(xiàng)的多 I/O 選項(xiàng)。多個(gè)閃存也可以連接在同一總線上，并使用片選 (CS) 信號(hào)獨(dú)立訪問。

圖 4. 基于 Quad SPI 的 NOR 閃存接口（：賽普拉斯）

圖 4 顯示了 MCU 和 NOR Flash 之間的硬件連接。MCU 可以使用低級(jí)驅(qū)動(dòng)程序 (LLD) 軟件來讀取、編程和擦除 NOR 閃存。設(shè)計(jì)架構(gòu)針對(duì)快速訪問時(shí)間和程序速度進(jìn)行了優(yōu)化。請(qǐng)注意，NOR 閃存中使用的內(nèi)部技術(shù)決定了存儲(chǔ)器的密度。NOR 閃存利用傳統(tǒng)的浮柵技術(shù)在導(dǎo)電層上每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ) 1 個(gè)數(shù)據(jù)位。NOR 閃存構(gòu)建在絕緣體層上，例如 MirrorBit 技術(shù)，每個(gè)單元可以存儲(chǔ) 2 個(gè)數(shù)據(jù)位，從而為大于 256 Mb 的密度提供更低成本的結(jié)構(gòu)。

圖 5. SPI 上的 FRAM 存儲(chǔ)器接口（：賽普拉斯）

圖 5 顯示了如何使用簡(jiǎn)單的 SPI 接口訪問 FRAM。對(duì)于需要高串行數(shù)據(jù)速率的基于微控制器的系統(tǒng)，SPI 接口是理想的選擇。串行數(shù)據(jù)吞吐量與串行時(shí)鐘速度相關(guān)。串行 FRAM 的時(shí)鐘頻率可高達(dá) 40 MHz。沒有專用 SPI 端口的微控制器也可以通過 GPIO 進(jìn)行“位爆炸”。

可以使用 HyperBus 12 信號(hào)接口訪問 HyperFlash 和 HyperRAM。與 Quad-SPI (66.5 MBps) 相比，HyperBus 提供了大約 4 倍的讀取吞吐量，可達(dá) 333 MBps，而并行 NOR 閃存所需的引腳數(shù)量是其三分之一。該接口使用差分時(shí)鐘（CK、CK#）、讀/寫數(shù)據(jù)選通 (RWDS)、片選和 8 位數(shù)據(jù)總線。

圖 6：內(nèi)存或外設(shè)之間的 HyperBus 接口（：賽普拉斯）

數(shù)據(jù)完整性和安全性

數(shù)據(jù)完整性和安全性是為汽車應(yīng)用選擇存儲(chǔ)器的兩個(gè)重要方面。今天的存儲(chǔ)器提供了多種功能來提高數(shù)據(jù)完整性和安全性。例如，扇區(qū)保護(hù) (ASP) 提供更高的鎖定扇區(qū)分辨率以及不同的上電重置行為，并有助于實(shí)施安全引導(dǎo)代碼。在基本層面上，ASP 很簡(jiǎn)單?？梢枣i定任何扇區(qū)以防止編程和擦除。有兩種 ASP 方法來鎖定扇區(qū)：持久保護(hù)位 (PPB) 和動(dòng)態(tài)保護(hù)位 (DYB) 保護(hù)。除了塊保護(hù) (BP) 和/或 WP# 引腳硬件保護(hù)方法之外，這兩種方法可以一起使用。

自動(dòng)糾錯(cuò)碼 (ECC) 功能以透明的方式與正常的編程、擦除和讀取操作一起運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備將每一頁數(shù)據(jù)從寫入緩沖區(qū)傳輸?shù)絻?nèi)存陣列時(shí)，內(nèi)部 ECC 邏輯會(huì)評(píng)估該頁面的 ECC 代碼，并將其放入主機(jī)系統(tǒng)不可見的內(nèi)存陣列部分。該設(shè)備在每次初始頁面訪問期間評(píng)估頁面數(shù)據(jù)和 ECC 代碼，以驗(yàn)證頁面的完整性。如果需要，內(nèi)部 ECC 邏輯會(huì)在初始訪問期間糾正一位錯(cuò)誤。

NOR 閃存還提供了一個(gè)額外的閃存區(qū)域，可以編程并保護(hù)免受進(jìn)一步更改。對(duì)于 Cypress 的 FL-S NOR 閃存系列，這個(gè)性程序 (OTP) 陣列大約為 1K，包括 512 個(gè)字節(jié)的工廠鎖定安全硅區(qū)域和 512 個(gè)字節(jié)的客戶鎖定安全硅區(qū)域。

結(jié)論

當(dāng)今的汽車系統(tǒng)需要多種內(nèi)存選項(xiàng)，這些選項(xiàng)可提供不同的可靠性、響應(yīng)能力和吞吐量，以滿足眾多車輛子系統(tǒng)中每一個(gè)子系統(tǒng)的個(gè)性化需求。通過選擇正確的存儲(chǔ)器組合，工程師可以確保車輛可靠、安全地運(yùn)行，同時(shí)滿足駕駛員對(duì)響應(yīng)速度的期望。