OptiFlash存儲器技術如何利用外部閃存應對軟件定義系統中的挑戰

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用程序對智能鎖進行控制，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，許多設計人員產生了“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 與閃存技術分開，可創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字互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 工藝一樣減少工藝節點。因為難以減少工藝節點，嵌入式閃存 MCU 會產生附加成本，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實現成本節約和可擴展性優勢并攻克工程挑戰，德州儀器 (TI) 開發了 OptiFlash 存儲器技術。圖 1 展示了 TI AM263P4-Q1 MCU 上 OptiFlash 技術架構的簡圖。

圖1 AM263P4-Q1 MCU上的OptiFlash存儲器技術展示

什么是 OptiFlash 技術？

OptiFlash 技術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。該接口具有八個數據通道，運行速率可以高達 133MHz 雙倍數據速率，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行 (XIP) 性能提高達 80%，具體取決于代碼結構。

外部閃存另一個常見的性能挑戰是響應時間。借助硬件加速器，OptiFlash 技術可并行處理響應過程的多個部分，從而使初始控制器局域網報文最快可達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 技術還包含了靜態代碼分析工具，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?

為幫助實現高達 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用 (EVITA) 硬件安全模塊 (HSM) 完整級的網絡安全，器件采用 OptiFlash 技術時需要考慮啟用外部閃存時的功能安全和信息安全特性。為確保數據傳輸中的完整性，德州儀器在硬件中實施了內聯糾錯碼，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，攻擊者會探測數據線，并通過中間人攻擊方法讀取正在執行的代碼。通常來說，因為在數據線上“監聽”的任何數據都是經過加密的，在外部閃存上對代碼和數據加密即可降低上述可能性。但由于我們通過閃存就地執行，OptiFlash 包含了一個動態身份驗證和加密塊，便可在硬件中執行安全功能，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 執行總體性能。德州儀器基準測試數據表明，借助 TI OptiFlash 技術，與片上 RAM 執行相比，XIP 性能降級的 CPU 周期低至多 10% 。

結語

隨著軟件定義架構的存儲器需求不斷提高，OptiFlash 存儲器技術轉變了存儲器架構范式，可實現外部閃存的可擴展性和成本效益。這將幫助更多系統實現豐富的功能，例如，通過無線更新對汽車進行關鍵軟件更新，或通過聯網使需要更多空間用于較大通信棧的系統更加互聯。通過實現更具可擴展性和成本效益的存儲器存儲，OptiFlash 存儲器技術可為汽車行業向諸多新興趨勢的發展清理障礙。