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，我们来谈谈一种特殊类型的非易失性存储器 (NVM)——相变存储器 (PCM)——在 MCU 的一个关键特性和优势中的作用和影响：无线 (OTA) 固件升级，也称为固件无线 (FOTA) 升级。
    在汽车市场发展速度比以往任何时候都快的时候，OTA 固件升级是基于区域和域的应用程序的一项重要功能。需要为现场车辆快速推出新功能和升级，而在这里，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 OTA 固件升级功能，该功能快速且无需应用程序停机即可运行。
    OTA固件升级架构

    常见的OTA固件升级方式有两种，区别在于是优化成本还是优化性能、可靠性和效率。基于应用程序图像的单一实现（图 1-a）是更经济的方法，因为它使用的非易失性内存大约是实现基于应用程序图像或基于 A/B 交换的双重系统（图 1-b）所需的一半).

    图 1-a：单个基于图像的实现更经济。资料：意法半导体

    图 1-b：基于双图像的实现大约需要 2 倍的非易失性存储器。资料：意法半导体
    双应用映像方法使用大约 2 倍的必要非易失性内存，“保护”原始固件，使车辆/ECU 可以不断迁移到新固件，并在版本之间运行而不会停机。此外，如果出现问题，早期版本在 NVM 中仍然可用，并提供回滚选项。它是汽车应用中更常用的架构——与应用程序大小相比，闪存的大小增加了一倍。
    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花费多长时间将更新到车辆中。用新映像更新闪存是一个两步过程：擦除和写入。此外，擦除时间可能比写入操作长四到五倍。因此，快速升级需要优化写入和擦除时间。
    OTA固件随PCM升级

    PCM 内存，如Stellar SR6 MCU 中的内存，通过解决上述挑战改变了 OTA 固件升级的实现方式。PCM 每个逻辑位有两个物理单元，它们协同工作以提供高可靠性和高温下的长保留时间，这符合汽车应用的要求。在正常程序执行期间，第二个物理位是个位的倒数，也称为差模。图 2 说明了 PCM 在正常操作中的工作原理。

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

    当实现 OTA 固件升级时，第二个物理单元不需要存储反向数据，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：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，第二个物理单元的可用性实质上使 OTA 固件升级期间的可用内存大小翻倍。例如，如果 MCU 具有 20 MB 的总 PCM 内存，则它可以支持 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 可以存储两个图像，每个图像 20 MB。此功能解决了将内存大小加倍以支持 OTA 升级的需要。
    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。同样有价值的是，由于在升级过程中保留了现有固件，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。这些功能相结合，使 PCM 既具有单映像 OTA 固件升级架构的成本优势，又具有双映像 A/B 交换架构的所有功能优势。
    PCM 也有其他优势。无需在写入前进行擦除操作，PCM 提供比 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。这些功能还降低了固件升级的功耗。因此，如果在车辆运行时更新，则固件升级会消耗较少的车辆电池电量。
    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 交换或基于双图像的实现也会存储新旧图像。理想情况下，只需要两个镜像来确保 OTA 升级期间不停机，并提供在出现错误时将升级回滚到以前版本的可能性。如前所述，PCM 在支持这种灵活性方面是的，而不会像其他内存类型那样浪费内存容量。
    如果即使在 OTA 升级过程后仍需要维护两个图像，PCM 也可以支持传统的 A/B 交换/双图像实施。在这种情况下，虽然应用程序大小将是总 PCM 的一半，就像使用嵌入式闪存的实现一样；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限度地减少等待状态。NVM 中的数据也应该很快，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的性能。低功率运行也至关重要，因为它直接影响电动汽车的单次充电续航里程。此外，无论是在工厂还是无线升级的快速编程对于管理成本都至关重要。
    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，提供占地面积小且具有成本效益的芯片需要可扩展的新 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、单位可变性、低功耗操作和内置 OTA 升级功能来应对这些挑战。这就是 PCM 如何为汽车应用的新一代区域和域 ECU 架构铺平道路。