PCM存储器如何支持汽车的OTA固件升级

谈思实验室 2024-06-25 17:56

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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。

来源：虚拟原型 Virtual Prototyping

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