OptiFlash存儲器技術(shù)如何利用外部閃存應(yīng)對軟件定義系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)

來源：德州儀器

在寫字樓、工廠車間和汽車中，軟件正逐步取代機械部件和固定電路。例如，使用智能鎖取代機械鎖后，用戶可以通過手機應(yīng)用程序?qū)χ悄苕i進行控制，同時制造商可通過軟件更新、改進或校正智能鎖的功能。在這種趨勢下，人們對存儲器的要求不斷提高，這一挑戰(zhàn)不容忽視。

在常嵌入閃存存儲器的微控制器 (MCU) 中，存儲器的容量也在快速增加。除了宏觀趨勢外，MCU 中的一些特定發(fā)展趨勢（包括更高的計算帶寬、功能集成以及包含額外的大型通信棧）也決定了需要更大容量的閃存。當出現(xiàn)無線更新的需求時，由于原始圖像和備份圖像都需要存儲，上述的這些需求自然會加倍。

面對存儲器容量增加的壓力，許多設(shè)計人員產(chǎn)生了“存儲器焦慮”：擔心片上存儲器不夠用。而且從可擴展性和成本而言，人們對存儲器需求的快速增長都是不可持續(xù)的。

解決上述問題的一種方法是，使用外部閃存 MCU 解決方案。

將 MCU 與閃存技術(shù)分開，可創(chuàng)建更具可擴展性和成本效益的系統(tǒng)。在可擴展性方面，嵌入式閃存 MCU 需要轉(zhuǎn)換到完全不同的器件來升級到更大容量的存儲器。在成本方面，隨著性能要求提高和 MCU 制造的工藝節(jié)點減少，由于閃存具有電荷泵等模擬器件，閃存根本無法像典型的數(shù)字互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 工藝一樣減少工藝節(jié)點。因為難以減少工藝節(jié)點，嵌入式閃存 MCU 會產(chǎn)生附加成本，存儲器容量較大時尤為如此。然而，從 MCU 中移除閃存存儲器也會帶來設(shè)計挑戰(zhàn)，尤其是在性能、信息安全和功能安全方面。為了設(shè)計外部閃存存儲器來實現(xiàn)成本節(jié)約和可擴展性優(yōu)勢并攻克工程挑戰(zhàn)，德州儀器 (TI) 開發(fā)了 OptiFlash 存儲器技術(shù)。圖 1 展示了 TI AM263P4-Q1 MCU 上 OptiFlash 技術(shù)架構(gòu)的簡圖。

圖 1：AM263P4-Q1 MCU 上的 OptiFlash 存儲器技術(shù)展示

什么是 OptiFlash 技術(shù)？

OptiFlash 技術(shù)是硬件存儲器控制器加速器和軟件工具的組合。為應(yīng)對性能挑戰(zhàn)，AM263P4-Q1 MCU 針對外部閃存集成電路采用了高帶寬、低引腳數(shù)、八通道串行外設(shè)接口。該接口具有八個數(shù)據(jù)通道，運行速率可以高達 133MHz 雙倍數(shù)據(jù)速率，同時還添加了閃存高速緩存作為閃存指令控制器，將高速緩存的指令放置于片上 RAM。僅閃存快速緩存功能便可將就地執(zhí)行 (XIP) 性能提高達 80%，具體取決于代碼結(jié)構(gòu)。

外部閃存另一個常見的性能挑戰(zhàn)是響應(yīng)時間。借助硬件加速器，OptiFlash 技術(shù)可并行處理響應(yīng)過程的多個部分，從而使初始控制器局域網(wǎng)報文最快可達56ms或118ms（直至完全正常運行），具體取決于映像大小。除了硬件加速器，OptiFlash 技術(shù)還包含了靜態(tài)代碼分析工具，如智能分配工具（可分析應(yīng)用程序代碼，并推薦在緊耦合存儲器、RAM 或閃存中的代碼分配，具體取決于執(zhí)行頻率）。

為幫助實現(xiàn)高達 ASIL D 的汽車安全完整性等級 (ASIL) 和高達電子安全車輛入侵保護應(yīng)用 (EVITA) 硬件安全模塊 (HSM) 完整級的網(wǎng)絡(luò)安全，器件采用 OptiFlash 技術(shù)時需要考慮啟用外部閃存時的功能安全和信息安全特性。為確保數(shù)據(jù)傳輸中的完整性，德州儀器在硬件中實施了內(nèi)聯(lián)糾錯碼，用于檢測和校正傳輸錯誤。在安全性方面，由于采用的是外部閃存，從理論上來講，攻擊者會探測數(shù)據(jù)線，并通過中間人攻擊方法讀取正在執(zhí)行的代碼。通常來說，因為在數(shù)據(jù)線上“監(jiān)聽”的任何數(shù)據(jù)都是經(jīng)過加密的，在外部閃存上對代碼和數(shù)據(jù)加密即可降低上述可能性。但由于我們通過閃存就地執(zhí)行，OptiFlash 包含了一個動態(tài)身份驗證和加密塊，便可在硬件中執(zhí)行安全功能，無需用戶任何操作。

將這些性能加速器與大容量片上 RAM（AM263P4-Q1 中為 3.5MB）組合使用時，幾乎可直接通過片上 RAM 執(zhí)行總體性能。德州儀器基準測試數(shù)據(jù)表明，借助 TI OptiFlash 技術(shù)，與片上 RAM 執(zhí)行相比，XIP 性能降級的 CPU 周期低至多 10% 。

結(jié)語

隨著軟件定義架構(gòu)的存儲器需求不斷提高，OptiFlash 存儲器技術(shù)轉(zhuǎn)變了存儲器架構(gòu)范式，可實現(xiàn)外部閃存的可擴展性和成本效益。這將幫助更多系統(tǒng)實現(xiàn)豐富的功能，例如，通過無線更新對汽車進行關(guān)鍵軟件更新，或通過聯(lián)網(wǎng)使需要更多空間用于較大通信棧的系統(tǒng)更加互聯(lián)。通過實現(xiàn)更具可擴展性和成本效益的存儲器存儲，OptiFlash 存儲器技術(shù)可為汽車行業(yè)向諸多新興趨勢的發(fā)展清理障礙。

審核編輯：湯梓紅