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汽車(chē)系統的設計變得越來(lái)越復雜，因為要不斷的加入新的功能，如高級駕駛輔助，圖形儀表，車(chē)身控制和車(chē)輛信息娛樂(lè )系統。為了確�？煽�、安全的操作，每個(gè)子系統均需要使用特定的非易失性存儲器，以便在復位操作和電源切換期間存儲信息。非易失性存儲器用于存儲可執行代碼或常量數據、校準數據、安全性能和防護安全相關(guān)信息等重要數據，以作將來(lái)檢索用途。 目前市場(chǎng)上主要包含這幾種不同類(lèi)型的非易失性存儲器，如NOR 閃存、NAND 閃存、EEPROM（可擦除的可編程只讀存儲器）、FRAM（鐵電存儲器），MRAM（磁性 RAM）和 NVSRAM（非易失性靜態(tài)存儲器）等。每種類(lèi)型存儲器在不同性能指標下具有各自的優(yōu)勢和劣勢：存儲器密度、讀寫(xiě)帶寬、接口頻率、耐久性、數據保存、不同電源模式下的電流消耗（開(kāi)機、待機/睡眠、休眠）、預備時(shí)間、對外部電磁干擾的敏感度等。 為了了解最新汽車(chē)系統對非易失性存儲器的真正需求，工程師需要考慮現實(shí)生活中的使用實(shí)例： 啟動(dòng)汽車(chē)后，駕駛員是否愿意花幾分鐘等待儀表盤(pán)、里程表以及燃油量圖形都正常顯示？ 駕駛員調節了座椅位置、方向盤(pán)位置、溫度設置以及收音機頻道，但由于某些原因不得不馬上關(guān)掉發(fā)動(dòng)機。如果上述子系統未能保存汽車(chē)熄火前的設置，那么駕駛員需要重新再來(lái)一遍，豈不是非常麻煩？ 盡管汽車(chē)安裝了 ADAS 安全系統，但作為一輛交通工具，事故仍有可能發(fā)生。你能否向保險調研團隊提供所需的數據，例如事故發(fā)生前幾秒不同傳感器的狀態(tài)？ 舉例ADAS系統來(lái)說(shuō)，從特定的傳感器采集并存儲實(shí)時(shí)數據到非易失性存儲器是非常重要的。同樣地對于汽車(chē)娛樂(lè )系統，在系統掉電的同時(shí)能存儲系統設置信息也是非常重要。GIS和信息娛樂(lè )系統都有高清圖形顯示不僅需要存儲與讀取啟動(dòng)程序還需要存儲與讀取非常大的配置從外部的非易失性存儲器。 除了滿(mǎn)足應用的需求，非易失性存儲器還需確保足夠的讀寫(xiě)次數來(lái)記錄至少 20 年數據。此外，為了達到汽車(chē)級認證和資格，所有子系統應采用符合 AEC-Q100 標準的存儲器組件。同時(shí)，功能性安全性能符合ISO 26262標準是另外一個(gè)要求在這種高安全性要求的系統。 ADAS 存儲器要求 ADAS 系統主要設計自動(dòng)操作/自動(dòng)調整/增強汽車(chē)系統以實(shí)現更安全、舒適的駕駛體驗。安全性功能主要用于避免事故發(fā)生通過(guò)提醒駕駛員潛在的問(wèn)題，或通過(guò)實(shí)施保護措施和接管控制汽車(chē)來(lái)避免碰撞。自適應功能包括可以自動(dòng)照明、提供自適應巡航控制、自動(dòng)剎車(chē)、結合 GPS/交通警告、連接到智能手機、提醒駕駛者有其他車(chē)輛或者危險狀況、保持司機在正確的車(chē)道行駛以及顯示駕駛員的盲點(diǎn)。 
圖 1. ADAS 系統框圖（來(lái)源：賽普拉斯） 圖 1 為 ADAS 系統如何利用 FRAM 和 NOR 閃存的簡(jiǎn)化框圖。外部 NOR 閃存通常用于存儲啟動(dòng)代碼。然而，ADAS 系統中的各種傳感器通過(guò) CAN（控制器局域網(wǎng)）接口定期向 MCU 發(fā)送數據。MCU 運行自適應算法，檢查是否可能碰撞或已經(jīng)發(fā)生碰撞。處理算法的運行時(shí)間變量和傳感器的當前狀態(tài)則存儲在 MCU 的存儲器中。 當算法檢測到事故時(shí)，安全氣囊控制模塊即時(shí)啟動(dòng)備用電源并打開(kāi)安全氣囊，確保在事故期間斷電也能部署應對。事故發(fā)生時(shí)的傳感器狀態(tài)也應立即存儲到非易失性存儲器以作數據記錄。這些數據可以有效地幫助了解事故原因，促使汽車(chē)制造商生產(chǎn)更加先進(jìn)的安全系統，同時(shí)輔助保險公司判斷索賠是否有效。 行車(chē)記錄儀 (EDR) 是用于記錄事故發(fā)生前各個(gè)重要子系統數據的系統�？梢园惭b在 ADAS 主控單元，或者安裝在另一個(gè)接收重要傳感器數據并與 ADAS MCU 進(jìn)行通信的 MCU 中。如今，工程師可以使用多核設備為 EDR 功能提供一個(gè)專(zhuān)用的完整 CPU 核，例如賽普拉斯的 Traveo™ 汽車(chē)用微控制器。 EDR 通過(guò)測量汽車(chē)前部壓力傳感器的撞擊力、車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、轉向輸入、油門(mén)位置、制動(dòng)狀態(tài)、安全帶狀態(tài)（檢測乘客）、輪胎氣壓、警告信號以及安全氣囊打開(kāi)狀態(tài)，從而判斷碰撞嚴重程度。并且在汽車(chē)碰撞前和碰撞期間記錄以上數據。顯然，微控制器不能等到事故發(fā)生才開(kāi)始記錄數據。因此，微控制器需要連續存儲數據。所以，EDR 需要一個(gè)具有幾乎無(wú)限寫(xiě)次數的非易失性存儲器。 FRAM 存儲器比 ADAS 的傳統 EEPROM 擁有更多優(yōu)勢。無(wú)需寫(xiě)等待時(shí)，幾乎可以實(shí)時(shí)存儲重要數據（實(shí)際10us 存儲時(shí)間），這一點(diǎn)對 ADAS 來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。EEPROM 通常需要超過(guò) 10 毫秒的寫(xiě)等待時(shí)間，因此不適用于高安全性應用。FRAM 同時(shí)具備無(wú)寫(xiě)延遲和高速時(shí)鐘速度，非常適合需要快速寫(xiě)入大量數據的應用。使用 SPI 時(shí)，設計師可以自由決定 FRAM 的寫(xiě)入字節數。把一個(gè)或兩個(gè)字節寫(xiě)入 FRAM 的隨機位置時(shí)，寫(xiě)入周期約為 1 微秒。反觀(guān) EEPROM 或閃存，則需要 5 - 10 毫秒的寫(xiě)入周期。 與 EEPROM 或閃存不一樣的是，FRAM 無(wú)需頁(yè)面緩沖區。在接收每個(gè)字節的第 8 位之后，FRAM 立即寫(xiě)入每個(gè)數據字節。這意味著(zhù)，系統存儲器密度增長(cháng)時(shí)，工程師不必擔心頁(yè)面緩沖區大小的變化。 就寫(xiě)入耐久性而言，FRAM 可以支持100億次寫(xiě)操作，遠遠超過(guò) EEPROM 的 100萬(wàn)次以及閃存 的10萬(wàn)次。因此，FRAM 可以用作追蹤數據記錄器，可以不斷寫(xiě)入數據。此外，FRAM 的寫(xiě)入和讀取的消耗功率非常低（例如，1 Mhz 時(shí)為 300 微安），因此非常適用于事故引起斷電時(shí)需要使用低功率備用電源或通過(guò)電容寫(xiě)入數據的 ADAS。與其他非易失性存儲器相比，FRAM 的待機電流也低得多（通常為 100 微安）。 汽車(chē)儀表盤(pán)對存儲器的要求 儀表盤(pán)系統以數字形式在圖形顯示器上顯示速度、轉速、燃油油位和發(fā)動(dòng)機溫度等重要信息，或者使用步進(jìn)電機控制的模擬形式顯示。此外，儀表盤(pán)系統還可以顯示電池警告、溫度警告、低油壓警告、制動(dòng)警告、安全帶狀態(tài)標識、低胎壓標識、門(mén)鎖標識、車(chē)頭燈標識、換檔指示、手剎狀態(tài)指示，以及車(chē)內和室外溫度、里程表讀數等。 最新的儀表盤(pán)系統還包括平視顯示器 (HUD)。平視顯示器是一種光學(xué)系統，可以將駕駛信息投射在汽車(chē)的擋風(fēng)玻璃上。使用平視顯示器，駕駛員可以方便地查看重要的駕駛信息，同時(shí)讓目光保持關(guān)注前方的交通狀況。由此可以降低因目光離開(kāi)道路而帶來(lái)的潛在風(fēng)險，并為駕駛員提供額外時(shí)間以識別危險因素并作出反應。平視顯示器可以顯示速度、導航和其他重要警示符號。
圖 2.儀表盤(pán)系統框圖（來(lái)源：賽普拉斯） 圖 2 顯示了圍繞 HyperRAM 和 HyperFlash（連接 HyperBus 接口）以及 NOR 閃存（連接 DDR-HSSPI 接口）安裝的儀表盤(pán)簡(jiǎn)化框圖。儀表盤(pán) MCU 可以通過(guò) CAN-FD、CXPI（時(shí)鐘擴展外設接口）、以太網(wǎng) AVB、MediaLB（媒體本地總線(xiàn)）/MOST（媒體定向系統傳輸）等不同的通信協(xié)議連接其他子系統，從而收集信息并顯示于儀表盤(pán)。 儀表盤(pán)系統啟動(dòng)后，安全引擎立即檢驗固件的真偽性。隨后，通過(guò) HyperBus 接口從外部 HyperFlash 或通過(guò) DDR 轉換 DDR-HSSPI 接口從 NOR 閃存執行 XiP，MCU 軟件開(kāi)始執行。XiP 功能允許 MCU 直接從外部存儲器執行代碼，而不需要先把外部閃存的代碼復制到內部 RAM，從而提高了響應速度。NOR 閃存/ HyperFlash 存儲器可配置程序代碼的初始地址位置，并在指定的時(shí)鐘延遲后以讀取模式啟動(dòng)。因此，MCU 一啟動(dòng)就可以直接獲取需要執行的代碼，無(wú)需因為提供地址和讀取命令而延遲時(shí)間。 可從外部 HyperFlash 獲取靜態(tài)元素，并將其顯示為儀表盤(pán) LCD 的基礎層。汽車(chē)用 MCU，例如賽普拉斯 Traveo™ 系列，可以提供額外的功能支持，即時(shí)解壓縮靜態(tài) HMI 元素，無(wú)需首先通過(guò) RAM。儀表盤(pán)針頭信息等動(dòng)態(tài)內容具備更快的更新速度，可以從外部 HyperRAM 進(jìn)行檢索。 HVAC 和信息娛樂(lè )系統對存儲器的要求 HVAC（暖氣、通風(fēng)和空調）系統負責控制維持車(chē)內溫度和空氣流動(dòng)。信息娛樂(lè )系統可以運行與智能手機類(lèi)似的各種應用程序，并提供用戶(hù)界面以更改 HVAC 系統配置、音樂(lè )系統設置、在導航應用輸入目的地、調整座椅/方向盤(pán)位置/高度以及調節車(chē)內照明等。部分最新的汽車(chē)還加入了指紋識別器來(lái)驗證駕駛者身份。從而允許 HVAC 和信息娛樂(lè )系統根據駕駛員的偏好快速調節車(chē)內設置。
圖 3.HVAC 和信息娛樂(lè )系統框圖（來(lái)源：賽普拉斯） 圖 3 顯示了 HVAC 和信息娛樂(lè )系統的簡(jiǎn)化框圖，所有存儲器與主 MCU 連接。三個(gè)額外子系統與儀表盤(pán)系統比較： 觸屏控制器，用于檢測顯示器上的手指觸摸 暖氣機/空調，控制車(chē)內溫度 連接子系統，實(shí)現車(chē)內多項連接（藍牙、GPS、WiFi、GSM、FM 調諧器等） HyperFlash 和 HyperRAM 存儲器用于存儲高質(zhì)量圖形。NOR 閃存則用于存儲啟動(dòng)代碼，而 FRAM 用于存儲設置信息。因此，即使汽車(chē)熄火后再立即啟動(dòng)，也可以正確地檢索并恢復汽車(chē)設置。 存儲器接口 上文已經(jīng)討論了不同汽車(chē)領(lǐng)域對非易失性存儲器的要求，接下來(lái)了解這些存儲器與 MCU 之間不同的接口機制。 所有帶有 SPI 接口的 MCU 都可以便捷地連接 NOR 閃存。NOR 閃存設備，例如賽普拉斯的 S25FL256L，為 SPI 提供了多個(gè) I/O 讀入選擇，可支持雙倍數據速率 (DDR) 以及四倍外設接口 (QPI) 連接�？梢栽谕豢偩�(xiàn)上連接多個(gè)閃存，并使用片選 (CS) 信號進(jìn)行單獨訪(fǎng)問(wèn)。
圖 4.連接四通道 SPI 的 NOR 閃存接口（來(lái)源：賽普拉斯） 圖 4 顯示了 MCU 和 NOR 閃存之間的硬件連接。MCU 可使用低層驅動(dòng)器 (LLD) 軟件讀取、編程和擦除 NOR 閃存。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的設計架構有效加快了訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間并提高了程序運行速度。同時(shí)，NOR 閃存使用的內部技術(shù)決定了存儲器的密度。NOR 閃存采用傳統浮柵技術(shù)，在導電層上，每個(gè)存儲單元可以存儲 1 個(gè)數據位�；� MirrorBit 技術(shù)絕緣層構建的 NOR 閃存，每個(gè)存儲單元可存儲 2 個(gè)數據位，從而提供更低成本的 256 Mb 或更大密度的存儲結構。
圖 5.連接 SPI 的 F RAM 存儲器接口（來(lái)源：賽普拉斯） 圖 5 顯示如何使用簡(jiǎn)單的 SPI 接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn) FRAM。對于有高速串行數據速率需求的基于微控制器的系統，SPI 接口是理想的選擇。串行數據吞吐量與串行時(shí)鐘頻率相關(guān)。串行 FRAM 的時(shí)鐘頻率可高達 40 Mhz。不具備專(zhuān)用 SPI 端口的微控制器可以通過(guò) GPIO 來(lái)實(shí)現“bit bang”（通過(guò)GPIO引腳，用軟件來(lái)模擬串行通信）。 可以通過(guò) HyperBus 12 信號接口訪(fǎng)問(wèn) HyperFlash 和 HyperRAM。與 Quad-SPI (66.5 Mbps) 相比，HyperBus 可提供高達 333 Mbps 的讀取吞吐量，而所需引腳數量?jì)H為并行 NOR 閃存的三分之一。該接口使用了差分時(shí)鐘 (CK,CK＃)、 讀寫(xiě)數據選通 (RWDS)、片選以及 8 位數據總線(xiàn)。
圖 6：存儲器與外設之間的 HyperBus 接口（來(lái)源：賽普拉斯） 數據的完整性和安全性 數據的完整性和安全性是選擇汽車(chē)應用存儲器的兩個(gè)重要因素。本文介紹的存儲器提供了各種功能來(lái)提高數據的完整性和安全性。例如，高級扇區保護 (ASP) 技術(shù)為鎖定扇區提供更高的分辨率以及不同的上電復位，并有助于運行安全的啟動(dòng)代碼。在基礎層面上來(lái)看，ASP 技術(shù)的原理很簡(jiǎn)單�？梢枣i定任一扇區，防止編程和刪除。鎖定扇區的 ASP 模式有兩種：分別為持久保護位 (PPB) 和動(dòng)態(tài)保護位 (DYB) 保護。除了塊保護 (BP) 和/或 WP＃ 引腳硬件保護，還可以一并使用以上兩種模式。 自動(dòng)糾錯碼 (ECC) 功能可以在標準編程、擦除和讀取運作時(shí)透明地運行。當設備將每頁(yè)數據從寫(xiě)入緩沖器傳送到存儲陣列時(shí)，內部 ECC 邏輯將評估頁(yè)面的 ECC 代碼作為存儲陣列的一部分，而該存儲對主機系統是不可見(jiàn)的。每次訪(fǎng)問(wèn)初始頁(yè)面時(shí)，設備將評估頁(yè)面數據和 ECC 代碼，以驗證頁(yè)面的完整性。必要時(shí)，內部 ECC 邏輯會(huì )在初始訪(fǎng)問(wèn)時(shí)糾正 1 位錯誤。 NOR 閃存還提供額外的閃存存儲區，可以進(jìn)行一次編程并受到永久保護，不能更改。以賽普拉斯的 FL-S NOR 閃存系列為例，該一次性可編程 (OTP) 擁有 1K 保護區域，包含 512 字節出廠(chǎng)保護鎖區和 512 字節用戶(hù)保護鎖區。 總結 如今的汽車(chē)系統需要多樣的存儲器類(lèi)型，提供不同等級的可靠性、響應能力和吞吐量，以滿(mǎn)足不同汽車(chē)子系統中的個(gè)性化需求。通過(guò)選擇合適的存儲器組合，工程師能夠確保汽車(chē)的可靠和安全操作，同時(shí)還能滿(mǎn)足駕駛員對汽車(chē)響應能力的期望。 |
