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                    嵌入式開發:解除嵌入式閃存集成的案例

                    更新時間: 2022-12-13 16:37:40來源: 粵嵌教育瀏覽量:718

                      幾十年來,無論哪個行業,創新電子系統設計的主流策略都是將更多功能和更大存儲容量集成到更少的芯片中,這導致了完整的片上系統(SoC)架構的興起,使復雜的嵌入式系統能夠圍繞單個芯片進行設計。在嵌入式開發中,與集成相輔相成的是日益緊密的制造工藝節點和不斷縮小的芯片尺寸,結果是更小的SOC能夠以更低的成本實現更高的性能。

                      芯片級集成所帶來的能力提升導致了系統級特性和能力的整合。例如,在當今不斷發展的自動駕駛汽車架構中,功能現在被整合到單個車輛控制平臺(VCP)中,而不是在分布式架構中包含幾個不同的子系統。這些平臺提供了更高的效率、控制能力和可靠性,以及優化的電源管理和整體更小的系統尺寸和重量。

                      通過集成SoC架構增強的計算能力,集中式計算成為可能。而且,隨著車輛變得更加智能,它們需要車內更多的處理資源。事實上,汽車將需要更多的智能和數據存儲,才能進入下一個自主水平。

                      捕捉22納米

                      在嵌入式開發中,嵌入式NOR Flash使得直接從Flash執行代碼成為可能。為了達到功耗和性能要求,自動駕駛汽車等計算密集型應用需要在最小的合理工藝節點制造SOC。然而,隨著制造工藝節點縮小到22納米及以下,集成戰略已經開始出現問題。具體來說,在這些較小的節點上實施嵌入式NOR閃存已經變得極其昂貴。

                      因此,使用高性能SOC的系統需要嵌入式閃存的替代方案,即重新使用外部存儲設備。

                      


                      解除嵌入式閃存的集成

                      為了使高度集成的SOC保持實時性能,外部閃存需要對數據吞吐量、代碼執行、可靠性和安全性產生最小的負面影響。令人驚訝的是,將閃存移至片外也能帶來顯著的可擴展性和靈活性優勢。

                      傳統上,外部存儲器總線比內部總線慢,因此移出芯片需要增強的架構,以避免引入存儲器吞吐量瓶頸。具體來說,在嵌入式開發中,這種架構需要針對讀取時間和系統啟動進行優化。

                      快速讀取時間/吞吐量支持就地執行(XiP),即代碼直接從閃存運行。再慢一點,閃存就會成為處理瓶頸。隨著自動駕駛汽車等系統不斷整合越來越多的功能,這些整合系統的快速系統啟動也變得越來越具有挑戰性。

                      認識到這一點,英飛凌的研發團隊正在評估旨在從外部存儲器提供內部存儲器讀取性能的架構(見圖1)。這些新設計利用優化的LPDDR4接口實現了足夠的讀取性能,其極限帶寬超過3200 MBps。這一性能水平提供了10倍于傳統外部NOR閃存的帶寬。結合不到20 ns的快速初始讀取延遲,這款高級閃存的速度足以支持從外部閃存執行代碼。

                      


                      圖1

                      在嵌入式開發中,新的存儲器通過利用代碼被寫一次(即,代碼的存儲)和被讀很多次(即,代碼的執行)的事實來實現這種級別的優化。鑒于XiP性能僅基于讀取操作,優化的LPDDR4接口可避免總線寫入初始化造成的延遲。

                      代碼更新

                      NOR Flash在保持自動駕駛汽車等復雜系統的靈活性方面發揮著重要作用,它甚至可以在系統部署后進行遠程更新。借助空中下載(OTA)更新支持,即使車輛已經上路,也可以為其添加新功能。

                      提供在存儲器內具有多個不同存儲體的閃存設備使得該架構能夠支持邊寫邊讀(RWW)功能,其中系統可以加載新代碼而不必中斷整個系統操作(即,零停機時間)。

                      可靠性和安全性

                      汽車應用本質上要求更高的可靠性,必須具備功能安全能力,以防止設備損壞和人員傷害。所需的基本安全級別是“故障安全”,當故障發生時,系統可以安全關閉。

                      然而,以60英里/小時的速度行駛的汽車,即使是安全的,也不能出故障。系統必須是“故障運行”,這意味著用戶仍然可以使用基本功能將系統帶到安全狀態(即,制動以安全地降低車輛速度)。在英飛凌,正在推動處理器和內存技術超越故障操作標準,實現“高可用性”,即系統被設計為在零停機時間內檢測、識別和減輕潛在故障。

                      在嵌入式開發中,可靠的內存對于確保這些更高級別的安全性至關重要。外部NOR閃存必須符合適當的安全標準(即ISO 26262)。它們還需要符合AEC-Q100汽車標準等應用標準。

                      閃存在確保安全操作方面發揮的作用之一是通過安全引導,即存儲器從電源事件中恢復到已知的良好狀態,至少可以正常工作。

                      


                      安全性

                      隨著執行OTA更新的能力而來的是以足夠的安全性來保護代碼和固件的需求。理想情況下,數據在其駐留的位置受到保護,而不是在處理器中。將代碼存儲在外部存儲器中也需要保護存儲器接口。

                      各公司已經在解決將高級安全性集成到外部閃存設備中的問題。例如,英飛凌SEMPER Secure實施了基于硬件的信任根,以確保系統從安全、已知安全的狀態啟動,并防止對外部存儲器中的代碼進行任何未經授權的訪問或修改。

                      去一體化的好處

                      Flash的去集成實際上為開發者提供了更大的可擴展性和靈活性。在嵌入式開發中,當嵌入式閃存集成到SoC中時,閃存密度已根據整個系統的性能要求和可用芯片面積進行了優化和平衡。如果沒有足夠的閃存,處理器將無法用于某些應用?;蛘?,如果閃存過多,會影響系統成本。嵌入式閃存密度會極大地限制處理器的選擇,迫使開發人員從為數不多的選項中進行選擇,沒有一個選項是理想的。

                      當閃存位于SoC外部時,在為應用選擇最佳SoC時,內存不再是一個限制因素。開發人員可以根據其性能選擇一流的SoC,并獨立擴展閃存密度。能夠調整閃存大小還可以降低系統成本和尺寸。

                      內存密度的靈活性還有其他好處。一條生產線上的產品可以具有不同的處理和程序存儲能力,以匹配生產線上不斷增加的功能集。例如,ADAS系統需要不同數量的內存,具體取決于啟用的功能。

                      混合動力和電動汽車的新型動力總成架構需要可持續的解決方案,以提供最佳性能、功能安全合規性(ISO 26262)、電源管理、遠程更新和自我診斷能力。業界正在為汽車系統和其他高性能應用開發嵌入式閃存替代產品。

                      在將閃存集成到處理器中的所有工作完成之后,取消集成似乎有悖常理。然而,這是幾乎每個使用高性能處理器的行業都必須進行的架構轉型。對于原始設備制造商來說,好消息是,在嵌入式開發中,將內存集成到處理器上的所有理由——更快的吞吐量、更低的功耗、增強的安全性、更高的可靠性、易于設計——現在都可以通過外部閃存來實現。

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