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在寫字樓、工廠車間和汽車中，軟件正逐步取代機(jī)械部件和固定電路。例如，使用智能鎖取代機(jī)械鎖后，用戶可以通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序對(duì)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(shì)下，人們對(duì)存儲(chǔ)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(chǔ)器的微控制器 (MCU) 中，存儲(chǔ)器的容量也在快速增加。除了宏觀趨勢(shì)外，MCU 中的一些特定發(fā)展趨勢(shì)（包括更高的計(jì)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(dāng)出現(xiàn)無(wú)線更新的需求時(shí)，由于原始圖像和備份圖像都需要存儲(chǔ)，上述的這些需求自然會(huì)加倍。
面對(duì)存儲(chǔ)器容量增加的壓力，許多設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生了“存儲(chǔ)器焦慮”：擔(dān)心片上存儲(chǔ)器不夠用。而且從可擴(kuò)展性和成本而言，人們對(duì)存儲(chǔ)器需求的快速增長(zhǎng)都是不可持續(xù)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，可創(chuàng)建更具可擴(kuò)展性和成本效益的系統(tǒng)。在可擴(kuò)展性方面，嵌入式閃存 MCU 需要轉(zhuǎn)換到完全不同的器件來(lái)升級(jí)到更大容量的存儲(chǔ)器。在成本方面，隨著性能要求提高和 MCU 制造的工藝節(jié)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(shù)字互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 工藝一樣減少工藝節(jié)點(diǎn)。因?yàn)殡y以減少工藝節(jié)點(diǎn)，嵌入式閃存 MCU 會(huì)產(chǎn)生附加成本，存儲(chǔ)器容量較大時(shí)尤為如此。然而，從 MCU 中移除閃存存儲(chǔ)器也會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)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(jì)外部閃存存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約和可擴(kuò)展性優(yōu)勢(shì)并攻克工程挑戰(zhàn)，德州儀器 (TI) 開發(fā)了 OptiFlash 存儲(chǔ)器技術(shù)。圖 1 展示了 TI AM263P4-Q1 MCU 上 OptiFlash 技術(shù)架構(gòu)的簡(jiǎn)圖。
圖 1：AM263P4-Q1 MCU 上的 OptiFlash 存儲(chǔ)器技術(shù)展示
什么是 OptiFlash 技術(shù)？
OptiFlash 技術(shù)是硬件存儲(chǔ)器控制器加速器和軟件工具的組合。為應(yīng)對(duì)性能挑戰(zhàn)，AM263P4-Q1 MCU 針對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)通道，運(yùn)行速率可以高達(dá) 133MHz 雙倍數(shù)據(jù)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(zhí)行 (XIP) 性能提高達(dá) 80%，具體取決于代碼結(jié)構(gòu)。
外部閃存另一個(gè)常見(jiàn)的性能挑戰(zhàn)是響應(yīng)時(shí)間。借助硬件加速器，OptiFlash 技術(shù)可并行處理響應(yīng)過(guò)程的多個(gè)部分，從而使初始控制器局域網(wǎng)報(bào)文最快可達(dá)56ms或118ms（直至完全正常運(yùn)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)高達(dá) ASIL D 的汽車安全完整性等級(jí) (ASIL) 和高達(dá)電子安全車輛入侵保護(hù)應(yīng)用 (EVITA) 硬件安全模塊 (HSM) 完整級(jí)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(shù)據(jù)傳輸中的完整性，德州儀器在硬件中實(shí)施了內(nèi)聯(lián)糾錯(cuò)碼，用于檢測(cè)和校正傳輸錯(cuò)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(cè)數(shù)據(jù)線，并通過(guò)中間人攻擊方法讀取正在執(zhí)行的代碼。通常來(lái)說(shuō)，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)線上“監(jiān)聽”的任何數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)加密的，在外部閃存上對(duì)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(guò)閃存就地執(zhí)行，OptiFlash 包含了一個(gè)動(dòng)態(tài)身份驗(yàn)證和加密塊，便可在硬件中執(zhí)行安全功能，無(wú)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(shí)，幾乎可直接通過(guò)片上 RAM 執(zhí)行總體性能。德州儀器基準(zhǔn)測(cè)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(jí)的 CPU 周期低至多 10% 。
結(jié)語(yǔ)
隨著軟件定義架構(gòu)的存儲(chǔ)器需求不斷提高，OptiFlash 存儲(chǔ)器技術(shù)轉(zhuǎn)變了存儲(chǔ)器架構(gòu)范式，可實(shí)現(xiàn)外部閃存的可擴(kuò)展性和成本效益。這將幫助更多系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)豐富的功能，例如，通過(guò)無(wú)線更新對(duì)汽車進(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(tǒng)更加互聯(lián)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)更具可擴(kuò)展性和成本效益的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，OptiFlash 存儲(chǔ)器技術(shù)可為汽車行業(yè)向諸多新興趨勢(shì)的發(fā)展清理障礙。
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