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

在寫(xiě)字樓、工廠(chǎng)車(chē)間和汽車(chē)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(hù)可以通過(guò)手機應用程序對智能鎖進(jìn)行控制，同時(shí)制造商可通過(guò)軟件更新、改進(jìn)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(guān)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。當出現無(wú)線(xiàn)更新的需求時(shí)，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(huì )加倍。

面對存儲器容量增加的壓力，許多設計人員產(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(cháng)都是不可持續的。

解決上述問(wèn)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(kāi)，可創(chuàng )建更具可擴展性和成本效益的系統。在可擴展性方面，嵌入式閃存 MCU 需要轉換到完全不同的器件來(lái)升級到更大容量的存儲器。在成本方面，隨著(zhù)性能要求提高和 MCU 制造的工藝節點(diǎn)減少，由于閃存具有電荷泵等模擬器件，閃存根本無(wú)法像典型的數字互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 工藝一樣減少工藝節點(diǎn)。因為難以減少工藝節點(diǎn)，嵌入式閃存 MCU 會(huì )產(chǎn)生附加成本，存儲器容量較大時(shí)尤為如此。然而，從 MCU 中移除閃存存儲器也會(huì )帶來(lái)設計挑戰，尤其是在性能、信息安全和功能安全方面。為了設計外部閃存存儲器來(lái)實(shí)現成本節約和可擴展性?xún)?yōu)勢并攻克工程挑戰，德州儀器 (TI) 開(kāi)發(fā)了 OptiFlash 存儲器技術(shù)。圖 1 展示了 TI AM263P4-Q1 MCU 上 OptiFlash 技術(shù)架構的簡(jiǎn)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。為應對性能挑戰，AM263P4-Q1 MCU 針對外部閃存集成電路采用了高帶寬、低引腳數、八通道串行外設接口。該接口具有八個(gè)數據通道，運行速率可以高達 133MHz 雙倍數據速率，同時(shí)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行 (XIP) 性能提高達 80%，具體取決于代碼結構。

外部閃存另一個(gè)常見(jiàn)的性能挑戰是響應時(shí)間。借助硬件加速器，OptiFlash 技術(shù)可并行處理響應過(guò)程的多個(gè)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，具體取決于執行頻率）。in-line CTA to product folder? App note?

為幫助實(shí)現高達 ASIL D 的汽車(chē)安全完整性等級 (ASIL) 和高達電子安全車(chē)輛入侵保護應用 (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(shí)需要考慮啟用外部閃存時(shí)的功能安全和信息安全特性。為確保數據傳輸中的完整性，德州儀器在硬件中實(shí)施了內聯(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(lái)講，攻擊者會(huì )探測數據線(xiàn)，并通過(guò)中間人攻擊方法讀取正在執行的代碼。通常來(lái)說(shuō)，因為在數據線(xiàn)上“監聽(tīng)”的任何數據都是經(jīng)過(guò)加密的，在外部閃存上對代碼和數據加密即可降低上述可能性。但由于我們通過(guò)閃存就地執行，OptiFlash 包含了一個(gè)動(dòng)態(tài)身份驗證和加密塊，便可在硬件中執行安全功能，無(wú)需用戶(hù)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(shí)，幾乎可直接通過(guò)片上 RAM 執行總體性能。德州儀器基準測試數據表明，借助 TI OptiFlash 技術(shù)，與片上 RAM 執行相比，XIP 性能降級的 CPU 周期低至多 10% 。

結語(yǔ)

隨著(zhù)軟件定義架構的存儲器需求不斷提高，OptiFlash 存儲器技術(shù)轉變了存儲器架構范式，可實(shí)現外部閃存的可擴展性和成本效益。這將幫助更多系統實(shí)現豐富的功能，例如，通過(guò)無(wú)線(xiàn)更新對汽車(chē)進(jìn)行關(guān)鍵軟件更新，或通過(guò)聯(lián)網(wǎng)使需要更多空間用于較大通信棧的系統更加互聯(lián)。通過(guò)實(shí)現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(chē)行業(yè)向諸多新興趨勢的發(fā)展清理障礙。