在汽车市场以前所未有的速度发展的今天,OTA 固件升级是基于区域和领域的应用的一项重要功能。新功能和升级需要快速推出,以满足现场车辆的需求,而在这方面,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,而且升级时不会造成应用停机。
OTA 固件升级架构
常见的 OTA 固件升级方法有两种,它们在优化成本、性能、可靠性和效率方面各有不同。基于单一应用映像的实施(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基于双应用映像或 A/B 交换系统(图 1-b)的一半。
图 1-a 基于单一镜像的实施更为经济
来源:意法半导体
图 1-b 基于双镜像的实施需要大约 2 倍的非易失性内存
来源:意法半导体
只需大约 2 倍的必要非易失性存储器,双应用映像方法就能 "保护 "原始固件,从而使车辆/ECU 能够持续迁移到新固件,并在不同版本之间运行,而无需停机。此外,在出现问题时,早期版本仍可在非易失性存储器中使用,并提供回滚选项。这是汽车应用中更常用的架构,但代价是闪存的大小要比应用的大小大一倍。
除了内存成本,OTA 升级实施的另一个重要方面是更新应用程序的时间。时间直接影响到用户以及经销商将更新下载到车辆上所花费的时间。用新映像更新闪存需要两个步骤: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。
使用 PCM 进行 OTA 固件升级
PCM 存储器(如 Stellar SR6 MCU 中的 PCM 存储器)通过解决上述难题,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,它们协同工作,可在高温条件下提供高可靠性和长保持时间,这是汽车应用所要求的。在正常程序执行期间,第二个物理位是第一个物理位的反向,也称为差分模式。图 2 说明了 PCM 在正常运行时的工作原理。
图 2 这是相变存储器 (PCM) 在正常运行时的工作原理
资料来源:意法半导体
如图 3 所示,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,而可以存储新数据。这种配置也称为单端模式。
图 3 这是 PCM 在 OTA 固件升级过程中的工作原理
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 单元的尺寸要小得多。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 固件升级过程中,第二个物理单元的可用性基本上使可用内存大小增加了一倍。例如,如果 MCU 的 PCM 内存总量为 20 MB,那么它就可以支持 20 MB 的应用程序大小。然后,在 OTA 升级期间,MCU 的可用内存将增加一倍,达到 40 MB。因此,MCU 可以存储两个各 20 MB 的图像。这一功能满足了将内存容量增加一倍以支持 OTA 升级的需求。
此外,在 OTA 升级期间,现有固件可以继续执行,从而避免了停机时间。同样重要的是,由于在升级过程中保留了现有固件,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。这些功能结合在一起,使 PCM 既具有单镜像 OTA 固件升级架构的成本优势,又具有双镜像 A/B 交换架构的所有功能优势。
PCM 还有其他优势。写入前无需擦除操作,PCM 的写入速度比 NOR 闪存更快。因此,PCM 缩短了 OTA 固件升级时间,改善了用户体验,降低了服务成本。这些功能还降低了固件升级的功耗。因此,如果在车辆运行时下载更新,固件升级从车辆电池中消耗的电量就会减少。
这里值得一提的是,传统的 A/B 交换或基于双图像的实现方法即使在 OTA 升级过程完成后也会同时存储新旧镜像。理想情况下,只有在 OTA 升级过程中确保无停机时间,并在出现错误时提供将升级回滚到前一版本的可能性时,才需要这两个映像。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。
如果在 OTA 升级过程后仍需保留两个镜像,PCM 还可支持传统的 A/B 交换/双映像实施。在这种情况下,虽然应用程序大小将是 PCM 总大小的一半,但与采用嵌入式闪存的实施方式一样;PCM 仍然具有写入速度更快的优势,因为它不需要写入前擦除。
区域 MCU 中的 PCM 为何重要
区域和域架构通过提高系统性能、降低系统复杂性和车辆重量带来了巨大优势。它们主要通过减少线束数量来减轻重量。另一方面,与传统 ECU 相比,这些架构中的功能和能力集成需要更高的计算能力。
要充分利用这些架构,NVM 中的代码必须足够快,以尽量减少等待状态。NVM 中的数据也应快速,以提高系统性能。为避免使用外部 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。低功耗操作也非常重要,因为它直接影响电动汽车的单次充电续航时间。此外,快速编程(包括出厂编程和空中升级编程)对于管理成本也至关重要。
遗憾的是,现有的 NOR 闪存架构在这些方面大多不够理想。制造商已经提高了某些 NOR 闪存类型的速度,但在 40 纳米以下的技术节点上,这些改进正逐渐消失。
现在,由于基于 28 纳米技术的区域和领域 MCU 即将推向市场,要提供小尺寸和高性价比的芯片,就必须采用可扩展的新型 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 OTA 升级功能来应对这些挑战。PCM 就是这样为汽车应用中的新一代区域和域 ECU 架构铺平道路的。