相变存储器在汽车OTA固件升级中的作用

本系列文章的第1 部分解释了内存如何影响汽车中区域和域系统的计算性能、功耗、可靠性和成本。现在，让我们谈谈一种特定类型的非易失性存储器 (NVM) — 相变存储器 (PCM) — 在 MCU 的关键特性和好处中的作用和影响：无线 (OTA) 固件升级，也称为固件无线 (FOTA) 升级。

在汽车市场以前所未有的速度发展之际，OTA 固件升级是基于区域和域的应用程序的一项重要功能。现场车辆需要快速推出新功能和升级，而OTA固件升级确保了低成本的升级机制。

区域和域 ECU 架构需要快速的 OTA 固件升级功能，并且无需应用程序停机即可工作。

OTA固件升级架构

常见的两种OTA固件升级方式，在优化成本还是性能、可靠性和效率方面存在差异。单个基于应用程序映像的实现（图 1-a）是更经济的方法，因为它使用的非易失性存储器大约是实现基于应用程序映像或基于 A/B 交换的双系统所需的一半（图 1-b） ）。

图 1-a：基于单个图像的实现更经济。资料来源：意法半导体

图 1-b：基于双映像的实现需要大约 2 倍的非易失性存储器。资料来源：意法半导体

凭借大约 2 倍的必要非易失性内存，双应用程序映像方法“保护”了原始固件，以便车辆/ECU 可以持续迁移到新固件并在版本之间运行而无需任何停机时间。此外，如果出现问题，早期版本仍可在 NVM 中使用，并提供回滚选项。它是汽车应用中更常用的架构——其代价是闪存大小是应用程序大小的两倍。

除了内存成本之外，OTA 升级实施的另一个重要方面是更新应用程序的时间。时间直接影响用户以及经销商将更新下载到车辆上的时间。使用新映像更新闪存是一个两步过程：擦除和写入。此外，擦除时间可能比写操作长四到五倍。因此，快速升级需要优化写入和擦除时间。

使用 PCM 进行 OTA 固件升级

PCM 内存，就像Stellar SR6 MCU 中的内存一样，通过解决上述挑战改变了 OTA 固件升级的实施方式。PCM 每个逻辑位有两个物理单元，它们一起工作以在高温下提供高可靠性和长保留时间，这在汽车应用中是必需的。在正常程序执行期间，第二个物理位是第一位的倒数，也称为差分模式。图 2 说明了 PCM 在正常操作中是如何工作的。

图 2：这是相变存储器 (PCM) 在正常操作期间的工作方式。资料来源：意法半导体

在执行 OTA 固件升级时，第二个物理单元不需要存储反向数据，并且可以存储新数据，如图 3 所示。这种配置也称为单端模式。

图 3：这是 PCM 在 OTA 固件升级期间的工作方式。资料来源：意法半导体

与其他嵌入式非易失性存储器技术相比，PCM 单元尺寸要小得多。因此，与其他架构相比，两个物理单元不需要双倍的物理空间。

因此，在 OTA 固件升级期间，第二个物理单元的可用性实质上是可用内存大小的两倍。例如，如果一个 MCU 有 20 MB 的总 PCM 内存，它可以支持 20 MB 的应用程序大小。然后，在 OTA 升级期间，MCU 的可用内存翻倍至 40 MB。因此，MCU 可以存储两个 20 MB 的图像。此功能解决了将内存大小加倍以支持 OTA 升级的需求。

此外，现有固件可以在OTA升级期间继续执行，从而消除停机时间。同样重要的是，由于在升级过程中保留了现有固件，因此系统可以在出现任何错误时回滚固件。OTA固件升级过程完成后，PCM将返回差分模式。综合起来，这些功能使PCM具有单映像OTA固件升级架构的成本优势，以及双映像a/B交换架构的所有功能优势。

PCM还有其他优点。在写入之前不需要擦除操作，PCM提供了比NOR闪存更快的写入操作。因此，PCM缩短了OTA固件升级时间，改善了用户体验并降低了服务成本。这些功能还可以降低固件升级的功耗。因此，如果在车辆运行时下载更新，则固件升级会减少车辆电池的电量。

在这里，值得一提的是，即使在 OTA 升级过程完成后，传统的 A/B 交换或基于双映像的实现也会同时存储新旧映像。理想情况下，仅需要这两个映像以确保在 OTA 升级期间不会停机，并在出现错误时提供将升级回滚到先前版本的可能性。如前所述，PCM 的独特之处在于它支持这种灵活性，而不会像其他内存类型那样浪费内存容量。

如果即使在 OTA 升级过程之后也需要维护两个映像，PCM 也可以支持传统的 A/B 交换/双映像实现。在这种情况下，虽然应用程序的大小将是总 PCM 的一半，就像嵌入闪存的实现一样；PCM 仍然具有写入速度更快的优势，因为它不需要预写入擦除。

为什么 PCM 在区域和域 MCU 中很重要

区域和域架构通过提高系统性能和降低系统复杂性和车辆重量提供了巨大的优势。它们主要通过减少线束的数量来影响重量。另一方面，与传统ECU相比，这些架构中功能和能力的集成需要更高的计算能力。

为了充分利用这些架构，NVM 中的代码必须足够快以最小化等待状态。NVM 中的数据也应该快速以提高系统性能。为避免需要外部 EEPROM，NVM 中的数据应模拟快速 EEPROM，而不会降低耐用性和相邻存储单元。低功率运行也很重要，因为它直接影响电动汽车的单次充电范围。此外，在工厂和无线升级的快速编程对于管理成本至关重要。

不幸的是，现有的 NOR 闪存架构在大多数这些方面都不够理想。制造商已经能够提高某些 NOR 闪存类型的速度，但这些改进在 40 纳米以下的技术节点上逐渐消失。

现在，随着基于 28 纳米技术的区域和域 MCU 进入市场，提供小尺寸和具有成本效益的硅需要可扩展的新 NVM 技术。相变存储器通过提供更快的访问时间、无需擦除的写入、单位可更改性、低功耗操作和内置的 OTA 升级功能来解决这些挑战。这就是 PCM 如何为用于汽车应用的新一代区域和域 ECU 架构铺平道路。

审核编辑 黄昊宇