如何給汽車系統(tǒng)選擇合適的非易失性存儲(chǔ)器

　　汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜，因?yàn)橐粩嗟募尤胄碌墓δ?，如高?jí)駕駛輔助，圖形儀表，車身控制和車輛信息娛樂系統(tǒng)。為了確?？煽?、安全的操作，每個(gè)子系統(tǒng)均需要使用特定的非易失性存儲(chǔ)器，以便在復(fù)位操作和電源切換期間存儲(chǔ)信息。非易失性存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)可執(zhí)行代碼或常量數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、安全性能和防護(hù)安全相關(guān)信息等重要數(shù)據(jù)，以作將來檢索用途。

　　目前市場上主要包含這幾種不同類型的非易失性存儲(chǔ)器，如NOR 閃存、NAND 閃存、EEPROM(可擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器)、FRAM(鐵電存儲(chǔ)器)，MRAM(磁性 RAM)和 NVSRAM(非易失性靜態(tài)存儲(chǔ)器)等。每種類型存儲(chǔ)器在不同性能指標(biāo)下具有各自的優(yōu)勢和劣勢：存儲(chǔ)器密度、讀寫帶寬、接口頻率、耐久性、數(shù)據(jù)保存、不同電源模式下的電流消耗(開機(jī)、待機(jī)/睡眠、休眠)、預(yù)備時(shí)間、對(duì)外部電磁干擾的敏感度等。

　　為了了解最新汽車系統(tǒng)對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的真正需求，工程師需要考慮現(xiàn)實(shí)生活中的使用實(shí)例：

　　? 啟動(dòng)汽車后，駕駛員是否愿意花幾分鐘等待儀表盤、里程表以及燃油量圖形都正常顯示?

　　? 駕駛員調(diào)節(jié)了座椅位置、方向盤位置、溫度設(shè)置以及收音機(jī)頻道，但由于某些原因不得不馬上關(guān)掉發(fā)動(dòng)機(jī)。如果上述子系統(tǒng)未能保存汽車熄火前的設(shè)置，那么駕駛員需要重新再來一遍，豈不是非常麻煩?

　　? 盡管汽車安裝了 ADAS 安全系統(tǒng)，但作為一輛交通工具，事故仍有可能發(fā)生。你能否向保險(xiǎn)調(diào)研團(tuán)隊(duì)提供所需的數(shù)據(jù)，例如事故發(fā)生前幾秒不同傳感器的狀態(tài)?

　　舉例ADAS系統(tǒng)來說，從特定的傳感器采集并存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到非易失性存儲(chǔ)器是非常重要的。同樣地對(duì)于汽車娛樂系統(tǒng)，在系統(tǒng)掉電的同時(shí)能存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)置信息也是非常重要。GIS和信息娛樂系統(tǒng)都有高清圖形顯示不僅需要存儲(chǔ)與讀取啟動(dòng)程序還需要存儲(chǔ)與讀取非常大的配置從外部的非易失性存儲(chǔ)器。

　　除了滿足應(yīng)用的需求，非易失性存儲(chǔ)器還需確保足夠的讀寫次數(shù)來記錄至少 20 年數(shù)據(jù)。此外，為了達(dá)到汽車級(jí)認(rèn)證和資格，所有子系統(tǒng)應(yīng)采用符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)器組件。同時(shí)，功能性安全性能符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)是另外一個(gè)要求在這種高安全性要求的系統(tǒng)。

　　ADAS 存儲(chǔ)器要求

　　ADAS 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)自動(dòng)操作/自動(dòng)調(diào)整/增強(qiáng)汽車系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)更安全、舒適的駕駛體驗(yàn)。安全性功能主要用于避免事故發(fā)生通過提醒駕駛員潛在的問題，或通過實(shí)施保護(hù)措施和接管控制汽車來避免碰撞。自適應(yīng)功能包括可以自動(dòng)照明、提供自適應(yīng)巡航控制、自動(dòng)剎車、結(jié)合 GPS/交通警告、連接到智能手機(jī)、提醒駕駛者有其他車輛或者危險(xiǎn)狀況、保持司機(jī)在正確的車道行駛以及顯示駕駛員的盲點(diǎn)。

　　圖 1. ADAS 系統(tǒng)框圖(來源：賽普拉斯)

　　圖 1 為 ADAS 系統(tǒng)如何利用 FRAM 和 NOR 閃存的簡化框圖。外部 NOR 閃存通常用于存儲(chǔ)啟動(dòng)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，檢查是否可能碰撞或已經(jīng)發(fā)生碰撞。處理算法的運(yùn)行時(shí)間變量和傳感器的當(dāng)前狀態(tài)則存儲(chǔ)在 MCU 的存儲(chǔ)器中。

　　當(dāng)算法檢測到事故時(shí)，安全氣囊控制模塊即時(shí)啟動(dòng)備用電源并打開安全氣囊，確保在事故期間斷電也能部署應(yīng)對(duì)。事故發(fā)生時(shí)的傳感器狀態(tài)也應(yīng)立即存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器以作數(shù)據(jù)記錄。這些數(shù)據(jù)可以有效地幫助了解事故原因，促使汽車制造商生產(chǎn)更加先進(jìn)的安全系統(tǒng)，同時(shí)輔助保險(xiǎn)公司判斷索賠是否有效。

　　行車記錄儀 (EDR) 是用于記錄事故發(fā)生前各個(gè)重要子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。可以安裝在 ADAS 主控單元，或者安裝在另一個(gè)接收重要傳感器數(shù)據(jù)并與 ADAS MCU 進(jìn)行通信的 MCU 中。如今，工程師可以使用多核設(shè)備為 EDR 功能提供一個(gè)專用的完整 CPU 核，例如賽普拉斯的 Traveo? 汽車用微控制器。

　　EDR 通過測量汽車前部壓力傳感器的撞擊力、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向輸入、油門位置、制動(dòng)狀態(tài)、安全帶狀態(tài)(檢測乘客)、輪胎氣壓、警告信號(hào)以及安全氣囊打開狀態(tài)，從而判斷碰撞嚴(yán)重程度。并且在汽車碰撞前和碰撞期間記錄以上數(shù)據(jù)。顯然，微控制器不能等到事故發(fā)生才開始記錄數(shù)據(jù)。因此，微控制器需要連續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。所以，EDR 需要一個(gè)具有幾乎無限寫次數(shù)的非易失性存儲(chǔ)器。

　　FRAM 存儲(chǔ)器比 ADAS 的傳統(tǒng) EEPROM 擁有更多優(yōu)勢。無需寫等待時(shí)，幾乎可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)重要數(shù)據(jù)(實(shí)際10us 存儲(chǔ)時(shí)間)，這一點(diǎn)對(duì) ADAS 來說至關(guān)重要。EEPROM 通常需要超過 10 毫秒的寫等待時(shí)間，因此不適用于高安全性應(yīng)用。FRAM 同時(shí)具備無寫延遲和高速時(shí)鐘速度，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)師可以自由決定 FRAM 的寫入字節(jié)數(shù)。把一個(gè)或兩個(gè)字節(jié)寫入 FRAM 的隨機(jī)位置時(shí)，寫入周期約為 1 微秒。反觀 EEPROM 或閃存，則需要 5 - 10 毫秒的寫入周期。

　　與 EEPROM 或閃存不一樣的是，F(xiàn)RAM 無需頁面緩沖區(qū)。在接收每個(gè)字節(jié)的第 8 位之后，F(xiàn)RAM 立即寫入每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。這意味著，系統(tǒng)存儲(chǔ)器密度增長時(shí)，工程師不必?fù)?dān)心頁面緩沖區(qū)大小的變化。

　　就寫入耐久性而言，F(xiàn)RAM 可以支持100億次寫操作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 EEPROM 的 100萬次以及閃存 的10萬次。因此，F(xiàn)RAM 可以用作追蹤數(shù)據(jù)記錄器，可以不斷寫入數(shù)據(jù)。此外，F(xiàn)RAM 的寫入和讀取的消耗功率非常低(例如，1 Mhz 時(shí)為 300 微安)，因此非常適用于事故引起斷電時(shí)需要使用低功率備用電源或通過電容寫入數(shù)據(jù)的 ADAS。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(通常為 100 微安)。

　　汽車儀表盤對(duì)存儲(chǔ)器的要求

　　儀表盤系統(tǒng)以數(shù)字形式在圖形顯示器上顯示速度、轉(zhuǎn)速、燃油油位和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度等重要信息，或者使用步進(jìn)電機(jī)控制的模擬形式顯示。此外，儀表盤系統(tǒng)還可以顯示電池警告、溫度警告、低油壓警告、制動(dòng)警告、安全帶狀態(tài)標(biāo)識(shí)、低胎壓標(biāo)識(shí)、門鎖標(biāo)識(shí)、車頭燈標(biāo)識(shí)、換檔指示、手剎狀態(tài)指示，以及車內(nèi)和室外溫度、里程表讀數(shù)等。

　　最新的儀表盤系統(tǒng)還包括平視顯示器 (HUD)。平視顯示器是一種光學(xué)系統(tǒng)，可以將駕駛信息投射在汽車的擋風(fēng)玻璃上。使用平視顯示器，駕駛員可以方便地查看重要的駕駛信息，同時(shí)讓目光保持關(guān)注前方的交通狀況。由此可以降低因目光離開道路而帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并為駕駛員提供額外時(shí)間以識(shí)別危險(xiǎn)因素并作出反應(yīng)。平視顯示器可以顯示速度、導(dǎo)航和其他重要警示符號(hào)。

　　圖 2.儀表盤系統(tǒng)框圖(來源：賽普拉斯)

　　圖 2 顯示了圍繞 HyperRAM 和 HyperFlash(連接 HyperBus 接口)以及 NOR 閃存(連接 DDR-HSSPI 接口)安裝的儀表盤簡化框圖。儀表盤 MCU 可以通過 CAN-FD、CXPI(時(shí)鐘擴(kuò)展外設(shè)接口)、以太網(wǎng) AVB、MediaLB(媒體本地總線)/MOST(媒體定向系統(tǒng)傳輸)等不同的通信協(xié)議連接其他子系統(tǒng)，從而收集信息并顯示于儀表盤。

　　儀表盤系統(tǒng)啟動(dòng)后，安全引擎立即檢驗(yàn)固件的真?zhèn)涡?。隨后，通過 HyperBus 接口從外部 HyperFlash 或通過 DDR 轉(zhuǎn)換 DDR-HSSPI 接口從 NOR 閃存執(zhí)行 XiP，MCU 軟件開始執(zhí)行。XiP 功能允許 MCU 直接從外部存儲(chǔ)器執(zhí)行代碼，而不需要先把外部閃存的代碼復(fù)制到內(nèi)部 RAM，從而提高了響應(yīng)速度。NOR 閃存/ HyperFlash 存儲(chǔ)器可配置程序代碼的初始地址位置，并在指定的時(shí)鐘延遲后以讀取模式啟動(dòng)。因此，MCU 一啟動(dòng)就可以直接獲取需要執(zhí)行的代碼，無需因?yàn)樘峁┑刂泛妥x取命令而延遲時(shí)間。

　　可從外部 HyperFlash 獲取靜態(tài)元素，并將其顯示為儀表盤 LCD 的基礎(chǔ)層。汽車用 MCU，例如賽普拉斯 Traveo? 系列，可以提供額外的功能支持，即時(shí)解壓縮靜態(tài) HMI 元素，無需首先通過 RAM。儀表盤針頭信息等動(dòng)態(tài)內(nèi)容具備更快的更新速度，可以從外部 HyperRAM 進(jìn)行檢索。

　　HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的要求

　　HVAC(暖氣、通風(fēng)和空調(diào))系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制維持車內(nèi)溫度和空氣流動(dòng)。信息娛樂系統(tǒng)可以運(yùn)行與智能手機(jī)類似的各種應(yīng)用程序，并提供用戶界面以更改 HVAC 系統(tǒng)配置、音樂系統(tǒng)設(shè)置、在導(dǎo)航應(yīng)用輸入目的地、調(diào)整座椅/方向盤位置/高度以及調(diào)節(jié)車內(nèi)照明等。部分最新的汽車還加入了指紋識(shí)別器來驗(yàn)證駕駛者身份。從而允許 HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的偏好快速調(diào)節(jié)車內(nèi)設(shè)置。

　　圖 3.HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)框圖(來源：賽普拉斯)

　　圖 3 顯示了 HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)的簡化框圖，所有存儲(chǔ)器與主 MCU 連接。三個(gè)額外子系統(tǒng)與儀表盤系統(tǒng)比較：

　　? 觸屏控制器，用于檢測顯示器上的手指觸摸

　　? 暖氣機(jī)/空調(diào)，控制車內(nèi)溫度

　　? 連接子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)多項(xiàng)連接(藍(lán)牙、GPS、WiFi、GSM、FM 調(diào)諧器等)

　　HyperFlash 和 HyperRAM 存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)高質(zhì)量圖形。NOR 閃存則用于存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼，而 FRAM 用于存儲(chǔ)設(shè)置信息。因此，即使汽車熄火后再立即啟動(dòng)，也可以正確地檢索并恢復(fù)汽車設(shè)置。

　　存儲(chǔ)器接口

　　上文已經(jīng)討論了不同汽車領(lǐng)域?qū)Ψ且资源鎯?chǔ)器的要求，接下來了解這些存儲(chǔ)器與 MCU 之間不同的接口機(jī)制。

　　所有帶有 SPI 接口的 MCU 都可以便捷地連接 NOR 閃存。NOR 閃存設(shè)備，例如賽普拉斯的 S25FL256L，為 SPI 提供了多個(gè) I/O 讀入選擇，可支持雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR) 以及四倍外設(shè)接口 (QPI) 連接?？梢栽谕豢偩€上連接多個(gè)閃存，并使用片選 (CS) 信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)訪問。

　　圖 4.連接四通道 SPI 的 NOR 閃存接口(來源：賽普拉斯)

　　圖 4 顯示了 MCU 和 NOR 閃存之間的硬件連接。MCU 可使用低層驅(qū)動(dòng)器 (LLD) 軟件讀取、編程和擦除 NOR 閃存。經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計(jì)架構(gòu)有效加快了訪問時(shí)間并提高了程序運(yùn)行速度。同時(shí)，NOR 閃存使用的內(nèi)部技術(shù)決定了存儲(chǔ)器的密度。NOR 閃存采用傳統(tǒng)浮柵技術(shù)，在導(dǎo)電層上，每個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ) 1 個(gè)數(shù)據(jù)位?；?nbsp;MirrorBit 技術(shù)絕緣層構(gòu)建的 NOR 閃存，每個(gè)存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ) 2 個(gè)數(shù)據(jù)位，從而提供更低成本的 256 Mb 或更大密度的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

　　圖 5.連接 SPI 的 F RAM 存儲(chǔ)器接口(來源：賽普拉斯)

　　圖 5 顯示如何使用簡單的 SPI 接口來訪問 FRAM。對(duì)于有高速串行數(shù)據(jù)速率需求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)鐘頻率相關(guān)。串行 FRAM 的時(shí)鐘頻率可高達(dá) 40 Mhz。不具備專用 SPI 端口的微控制器可以通過 GPIO 來實(shí)現(xiàn)“bit bang”(通過GPIO引腳，用軟件來模擬串行通信)。

　　可以通過 HyperBus 12 信號(hào)接口訪問 HyperFlash 和 HyperRAM。與 Quad-SPI (66.5 Mbps) 相比，HyperBus 可提供高達(dá) 333 Mbps 的讀取吞吐量，而所需引腳數(shù)量僅為并行 NOR 閃存的三分之一。該接口使用了差分時(shí)鐘 (CK,CK#)、 讀寫數(shù)據(jù)選通 (RWDS)、片選以及 8 位數(shù)據(jù)總線。

　　圖 6：存儲(chǔ)器與外設(shè)之間的 HyperBus 接口(來源：賽普拉斯)

　　數(shù)據(jù)的完整性和安全性

　　數(shù)據(jù)的完整性和安全性是選擇汽車應(yīng)用存儲(chǔ)器的兩個(gè)重要因素。本文介紹的存儲(chǔ)器提供了各種功能來提高數(shù)據(jù)的完整性和安全性。例如，高級(jí)扇區(qū)保護(hù) (ASP) 技術(shù)為鎖定扇區(qū)提供更高的分辨率以及不同的上電復(fù)位，并有助于運(yùn)行安全的啟動(dòng)代碼。在基礎(chǔ)層面上來看，ASP 技術(shù)的原理很簡單?？梢枣i定任一扇區(qū)，防止編程和刪除。鎖定扇區(qū)的 ASP 模式有兩種：分別為持久保護(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)，還可以一并使用以上兩種模式。

　　自動(dòng)糾錯(cuò)碼 (ECC) 功能可以在標(biāo)準(zhǔn)編程、擦除和讀取運(yùn)作時(shí)透明地運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備將每頁數(shù)據(jù)從寫入緩沖器傳送到存儲(chǔ)陣列時(shí)，內(nèi)部 ECC 邏輯將評(píng)估頁面的 ECC 代碼作為存儲(chǔ)陣列的一部分，而該存儲(chǔ)對(duì)主機(jī)系統(tǒng)是不可見的。每次訪問初始頁面時(shí)，設(shè)備將評(píng)估頁面數(shù)據(jù)和 ECC 代碼，以驗(yàn)證頁面的完整性。必要時(shí)，內(nèi)部 ECC 邏輯會(huì)在初始訪問時(shí)糾正 1 位錯(cuò)誤。

　　NOR 閃存還提供額外的閃存存儲(chǔ)區(qū)，可以進(jìn)行一次編程并受到永久保護(hù)，不能更改。以賽普拉斯的 FL-S NOR 閃存系列為例，該一次性可編程 (OTP) 擁有 1K 保護(hù)區(qū)域，包含 512 字節(jié)出廠保護(hù)鎖區(qū)和 512 字節(jié)用戶保護(hù)鎖區(qū)。

　　總結(jié)

　　如今的汽車系統(tǒng)需要多樣的存儲(chǔ)器類型，提供不同等級(jí)的可靠性、響應(yīng)能力和吞吐量，以滿足不同汽車子系統(tǒng)中的個(gè)性化需求。通過選擇合適的存儲(chǔ)器組合，工程師能夠確保汽車的可靠和安全操作，同時(shí)還能滿足駕駛員對(duì)汽車響應(yīng)能力的期望。