基于FRAM的MCU為低功耗應用提高安全性

使用支持快速信號及偏振狀態(tài)的 FRAM 與使用閃存和 EEPROM 相比，可為敏感代碼及數(shù)據(jù)提供強大保護。FRAM 存儲器塊可采用不同類型的訪問權限進行配置，進一步保護系統(tǒng)。只讀針對諸如 LCD 使用的字體等常量，讀寫僅支持變量，而讀取與執(zhí)行僅適用于應用代碼。訪問權限的使用不僅可提高應用穩(wěn)定性，防止存儲器的無意識濫用，而且還可針對系統(tǒng)蓄意攻擊提供保護。

此外，FRAM 存儲器管理還可通過 IP 包絡提供另一層存儲器安全，使開發(fā)人員不但可定義受保護的存儲器分段，而且還可針對應用進行功能拆分。只有通過代碼執(zhí)行在相同包絡分段內(nèi)才能對受保護分段進行直接讀寫訪問。這樣，來自未保護分段的代碼要訪問包絡分段的唯一途徑就是調(diào)用受保護分段內(nèi)的函數(shù)。具體而言，處理安全密鑰及數(shù)據(jù)的代碼可通過打包與其它應用隔離。這樣，即便應用代碼遭到某種毀壞，也不會暴露系統(tǒng)的安全部分。此外，外部 JTAG 訪問不允許進入受保護分段。不過要特別注意的是，任何設計都必須包含安全門入口和多重檢查等軟件設置，以便傳遞這種安全標準。該實用硬件特性可產(chǎn)生更深遠的意義，但不是萬無一失的“傻瓜式”方案。

電源

采用無線連接的便攜式應用在設計時需要考慮電源效率問題。例如，加密通道會由所使用的握手與認證過程大幅提升事務處理開銷。例如該過程不但可延長無線電的工作時間，而且還可延長 CPU 的工作時間。在使用閃存或 EEPROM 等慢速存儲器技術時，無線更新在超過 10 mA 的恒定電流下可以按秒計，這對電池的負面影響非常大。

集成型 AES 256 加密引擎的高效率有助于工程師推出功耗僅為此前所需能源十分之一的加密功能。此外，F(xiàn)RAM 更快的訪問速度與更低的電源需求所消耗的功耗可比傳輸前加密格式記錄數(shù)據(jù)的單位功耗減少約 250 倍。

更好地理解這些數(shù)字，需要考慮執(zhí)行無線更新的低功耗器件。由于這些器件所需電源極少，因此要采用 EEPROM 或閃存的話，一次更新的功耗可能就高達電池使用壽命的一個月。而采用 FRAM 的同等系統(tǒng)將使用不足四分之一天的電池使用壽命。

圖 4：TI MSP430FR59xx MCU 采用 FRAM 存儲器管理提供存儲器保護及 IP 包絡

此外，F(xiàn)RAM 的高效率還可影響到標準工作期間的電源與存儲器使用效率。閃存和 EEPROM 必須在某一時刻為存儲器擦除一個數(shù)據(jù)塊并對其進行編程。因此，要改變單比特系統(tǒng)標識，就必須從閃存讀取 256 字節(jié)的整個塊，擦除該塊并重新為其寫回數(shù)據(jù)。利用 FRAM，開發(fā)人員可對全部存儲器進行比特級訪問。

最后，由于 EEPROM 與閃存的讀取、擦除和寫入序列，開發(fā)人員必須使用冗余存儲器塊對數(shù)據(jù)進行鏡像，以確保潛在電源損耗過程中的數(shù)據(jù)完整性?？赏ㄟ^使用片上電容器，用 FRAM 提供寫入操作擔保，來確保有足夠的電源完成當前寫入工作。由于 FRAM 寫入的極快速度與更低電流，電容器可以非常小，小得無需鏡像便可集成在 MCU 上。

圖 5：TI MSP430FR59xx MCU 中的 FRAM 為無線固件升級提供電源管理優(yōu)勢

FRAM 更高的電源效率可用于支持更長的電池使用壽命?；蛘吲c EEPROM 或閃存的使用相比，這些設備能夠以更低的功耗存儲更多的數(shù)據(jù)，因此開發(fā)人員可選擇采用較大數(shù)據(jù)緩沖或事件日志。這可幫助設備在更低頻率下進行檢查，從而減少無線電或其它大功耗通信通道必須使用的頻次。

結論

鑒于設備互聯(lián)趨勢的不斷發(fā)展，在 MCU 中集成安全性正在成為一種常見需求。OEM 廠商可通過對器件預期工作范圍以外的惡意行為進行阻止、檢查并采取相應措施，防止數(shù)據(jù)暴露，避免應用代碼被覆蓋，為敏感數(shù)據(jù)的交換提供安全的通信通道等措施，來保護客戶信息以及其自己的知識產(chǎn)權。

FRAM MCU 的高效率架構集成的硬件可在既不影響數(shù)據(jù)完整性或可靠性，又可降低功耗的情況下降低軟件復雜性，簡化安全系統(tǒng)設計。這樣，我們就可在低成本下將低功耗應用的安全性提升到全新的高度。

作者簡介

Jacob Borgeson 現(xiàn)任德州儀器 MSP430™ MCU 產(chǎn)品部 FRAM 產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理，擁有5 年的微控制器和功耗優(yōu)化經(jīng)驗。他此前撰寫出版的文章涉及能量采集、低功耗趨勢以及無線傳感及個人醫(yī)療監(jiān)護應用。Borgeson 畢業(yè)于德州理工大學 (Texas Tech University)，先后獲電氣工程學士學位與工商管理碩士學位。