NVM和PCM在 MCU關(guān)鍵特性的作用和影響

讓我們談?wù)勔环N特定類型的非易失性存儲(chǔ)器 （NVM） — 相變存儲(chǔ)器 （PCM） — 在 MCU 的關(guān)鍵特性和好處中的作用和影響：無線 （OTA） 固件升級，也稱為固件無線 （FOTA） 升級。

在汽車市場以前所未有的速度發(fā)展之際，OTA 固件升級是基于區(qū)域和域的應(yīng)用程序的一項(xiàng)重要功能。現(xiàn)場車輛需要快速推出新功能和升級，而OTA固件升級確保了低成本的升級機(jī)制。

區(qū)域和域 ECU 架構(gòu)需要快速的 OTA 固件升級功能，并且無需應(yīng)用程序停機(jī)即可工作。

OTA固件升級架構(gòu)

常見的兩種OTA固件升級方式，在優(yōu)化成本還是性能、可靠性和效率方面存在差異。單個(gè)基于應(yīng)用程序映像的實(shí)現(xiàn)（圖 1-a）是更經(jīng)濟(jì)的方法，因?yàn)樗褂玫姆且资詢?nèi)存大約是實(shí)現(xiàn)基于應(yīng)用程序映像或基于 A/B 交換的雙系統(tǒng)所需的一半（圖 1-b） ）。

圖 1-a：基于單個(gè)圖像的實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)。資料來源：意法半導(dǎo)體

圖 1-b：基于雙映像的實(shí)現(xiàn)需要大約 2 倍的非易失性存儲(chǔ)器。資料來源：意法半導(dǎo)體

憑借大約 2 倍所需的非易失性內(nèi)存，雙應(yīng)用程序映像方法“保護(hù)”了原始固件，以便車輛/ECU 可以持續(xù)遷移到新固件并在版本之間運(yùn)行而無需任何停機(jī)時(shí)間。此外，如果出現(xiàn)問題，早期版本仍可在 NVM 中使用，并提供回滾選項(xiàng)。它是汽車應(yīng)用中更常用的架構(gòu)——其代價(jià)是閃存大小是應(yīng)用程序大小的兩倍。

除了內(nèi)存成本之外，OTA 升級實(shí)施的另一個(gè)重要方面是更新應(yīng)用程序的時(shí)間。時(shí)間直接影響用戶以及經(jīng)銷商將更新下載到車輛上的時(shí)間。使用新映像更新閃存是一個(gè)兩步過程：擦除和寫入。此外，擦除時(shí)間可能比寫操作長四到五倍。因此，快速升級需要優(yōu)化寫入和擦除時(shí)間。

使用 PCM 進(jìn)行 OTA 固件升級

PCM 內(nèi)存，就像Stellar SR6 MCU 中的內(nèi)存一樣，通過解決上述挑戰(zhàn)改變了 OTA 固件升級的實(shí)施方式。PCM 每個(gè)邏輯位有兩個(gè)物理單元，它們一起工作以在高溫下提供高可靠性和長保留時(shí)間，這在汽車應(yīng)用中是必需的。在正常程序執(zhí)行期間，第二個(gè)物理位是第一位的倒數(shù)，也稱為差分模式。圖 2 說明了 PCM 在正常操作中是如何工作的。

圖 2：這是相變存儲(chǔ)器 （PCM） 在正常操作期間的工作方式。資料來源：意法半導(dǎo)體

在執(zhí)行 OTA 固件升級時(shí)，第二個(gè)物理單元不需要存儲(chǔ)反向數(shù)據(jù)，并且可以存儲(chǔ)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。資料來源：意法半導(dǎo)體

與其他嵌入式非易失性存儲(chǔ)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(gè)物理單元不需要雙倍的物理空間。

因此，在 OTA 固件升級期間，第二個(gè)物理單元的可用性實(shí)質(zhì)上是可用內(nèi)存大小的兩倍。例如，如果一個(gè) MCU 有 20 MB 的總 PCM 內(nèi)存，它可以支持 20 MB 的應(yīng)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(chǔ)兩個(gè) 20 MB 的圖像。此功能解決了將內(nèi)存大小加倍以支持 OTA 升級的需求。

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(jī)時(shí)間。同樣有價(jià)值的是，由于在升級過程中會(huì)保留現(xiàn)有固件，因此系統(tǒng)可以在出現(xiàn)任何錯(cuò)誤時(shí)回滾固件。OTA 固件升級過程完成后，PCM 將返回差分模式。綜合起來，這些功能為 PCM 提供了單映像 OTA 固件升級架構(gòu)的成本優(yōu)勢以及雙映像 A/B 交換架構(gòu)的所有功能優(yōu)勢。

PCM 還有其他優(yōu)點(diǎn)。無需在寫入前進(jìn)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(shí)間，提升了用戶體驗(yàn)，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(yùn)行時(shí)正在下載更新，則固件升級從車輛電池中消耗的電量更少。

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 交換或基于雙映像的實(shí)現(xiàn)也會(huì)同時(shí)存儲(chǔ)新舊映像。理想情況下，僅需要這兩個(gè)映像以確保在 OTA 升級期間不會(huì)停機(jī)，并在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)提供將升級回滾到先前版本的可能性。如前所述，PCM 的獨(dú)特之處在于它支持這種靈活性，而不會(huì)像其他內(nèi)存類型那樣浪費(fèi)內(nèi)存容量。

如果即使在 OTA 升級過程之后也需要維護(hù)兩個(gè)映像，PCM 也可以支持傳統(tǒng)的 A/B 交換/雙映像實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，雖然應(yīng)用程序的大小將是總 PCM 的一半，就像嵌入閃存的實(shí)現(xiàn)一樣；PCM 仍然具有寫入速度更快的優(yōu)勢，因?yàn)樗恍枰A(yù)寫入擦除。

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(fù)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(jì)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最小化等待狀態(tài)。NVM 中的數(shù)據(jù)也應(yīng)該快速以提高系統(tǒng)性能。為避免需要外部 EEPROM，NVM 中的數(shù)據(jù)應(yīng)模擬快速 EEPROM，而不會(huì)降低耐用性和相鄰存儲(chǔ)單元。低功率運(yùn)行也很重要，因?yàn)樗苯佑绊戨妱?dòng)汽車的單次充電范圍。此外，在工廠和無線升級的快速編程對于管理成本至關(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(jìn)在 40 納米以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)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(jìn)入市場，提供小尺寸和具有成本效益的硅需要可擴(kuò)展的新 NVM 技術(shù)。相變存儲(chǔ)器通過提供更快的訪問時(shí)間、無需擦除的寫入、單位可更改性、低功耗操作和內(nèi)置的 OTA 升級功能來解決這些挑戰(zhàn)。這就是 PCM 如何為用于汽車應(yīng)用的新一代區(qū)域和域 ECU 架構(gòu)鋪平道路。