汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜，因?yàn)橐粩嗟募尤胄碌墓δ?，如高級駕駛輔助，圖形儀表，車身控制和車輛信息娛樂系統(tǒng)。為了確?？煽?、安全的操作，每個子系統(tǒng)均需要使用特定的非易失性存儲器，以便在復(fù)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(zhí)行代碼或常量數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、安全性能和防護(hù)安全相關(guān)信息等重要數(shù)據(jù)，以作將來檢索用途。

　　目前市場上主要包含這幾種不同類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。每種類型存儲器在不同性能指標(biāo)下具有各自的優(yōu)勢和劣勢：存儲器密度、讀寫帶寬、接口頻率、耐久性、數(shù)據(jù)保存、不同電源模式下的電流消耗(開機(jī)、待機(jī)/睡眠、休眠)、預(yù)備時間、對外部電磁干擾的敏感度等。

　　為了了解最新汽車系統(tǒng)對非易失性存儲器的真正需求，工程師需要考慮現(xiàn)實(shí)生活中的使用實(shí)例：

　　? 啟動汽車后，駕駛員是否愿意花幾分鐘等待儀表盤、里程表以及燃油量圖形都正常顯示?

　　? 駕駛員調(diào)節(jié)了座椅位置、方向盤位置、溫度設(shè)置以及收音機(jī)頻道，但由于某些原因不得不馬上關(guān)掉發(fā)動機(jī)。如果上述子系統(tǒng)未能保存汽車熄火前的設(shè)置，那么駕駛員需要重新再來一遍，豈不是非常麻煩?

　　? 盡管汽車安裝了 ADAS 安全系統(tǒng)，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(diào)研團(tuán)隊(duì)提供所需的數(shù)據(jù)，例如事故發(fā)生前幾秒不同傳感器的狀態(tài)?

　　舉例ADAS系統(tǒng)來說，從特定的傳感器采集并存儲實(shí)時數(shù)據(jù)到非易失性存儲器是非常重要的。同樣地對于汽車娛樂系統(tǒng)，在系統(tǒng)掉電的同時能存儲系統(tǒng)設(shè)置信息也是非常重要。GIS和信息娛樂系統(tǒng)都有高清圖形顯示不僅需要存儲與讀取啟動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。

　　除了滿足應(yīng)用的需求，非易失性存儲器還需確保足夠的讀寫次數(shù)來記錄至少 20 年數(shù)據(jù)。此外，為了達(dá)到汽車級認(rèn)證和資格，所有子系統(tǒng)應(yīng)采用符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的存儲器組件。同時，功能性安全性能符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)是另外一個要求在這種高安全性要求的系統(tǒng)。

　　ADAS 存儲器要求

　　ADAS 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)自動操作/自動調(diào)整/增強(qiáng)汽車系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)更安全、舒適的駕駛體驗(yàn)。安全性功能主要用于避免事故發(fā)生通過提醒駕駛員潛在的問題，或通過實(shí)施保護(hù)措施和接管控制汽車來避免碰撞。自適應(yīng)功能包括可以自動照明、提供自適應(yīng)巡航控制、自動剎車、結(jié)合 GPS/交通警告、連接到智能手機(jī)、提醒駕駛者有其他車輛或者危險狀況、保持司機(jī)在正確的車道行駛以及顯示駕駛員的盲點(diǎn)。

　　圖 1. ADAS 系統(tǒng)框圖(來源：賽普拉斯)

　　圖 1 為 ADAS 系統(tǒng)如何利用 FRAM 和 NOR 閃存的簡化框圖。外部 NOR 閃存通常用于存儲啟動代碼。然而，ADAS 系統(tǒng)中的各種傳感器通過 CAN(控制器局域網(wǎng))接口定期向 MCU 發(fā)送數(shù)據(jù)。MCU 運(yùn)行自適應(yīng)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(yùn)行時間變量和傳感器的當(dāng)前狀態(tài)則存儲在 MCU 的存儲器中。

　　當(dāng)算法檢測到事故時，安全氣囊控制模塊即時啟動備用電源并打開安全氣囊，確保在事故期間斷電也能部署應(yīng)對。事故發(fā)生時的傳感器狀態(tài)也應(yīng)立即存儲到非易失性存儲器以作數(shù)據(jù)記錄。這些數(shù)據(jù)可以有效地幫助了解事故原因，促使汽車制造商生產(chǎn)更加先進(jìn)的安全系統(tǒng)，同時輔助保險公司判斷索賠是否有效。

　　行車記錄儀 (EDR) 是用于記錄事故發(fā)生前各個重要子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)?？梢园惭b在 ADAS 主控單元，或者安裝在另一個接收重要傳感器數(shù)據(jù)并與 ADAS MCU 進(jìn)行通信的 MCU 中。如今，工程師可以使用多核設(shè)備為 EDR 功能提供一個專用的完整 CPU 核，例如賽普拉斯的 Traveo? 汽車用微控制器。

　　EDR 通過測量汽車前部壓力傳感器的撞擊力、車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向輸入、油門位置、制動狀態(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狀態(tài)，從而判斷碰撞嚴(yán)重程度。并且在汽車碰撞前和碰撞期間記錄以上數(shù)據(jù)。顯然，微控制器不能等到事故發(fā)生才開始記錄數(shù)據(jù)。因此，微控制器需要連續(xù)存儲數(shù)據(jù)。所以，EDR 需要一個具有幾乎無限寫次數(shù)的非易失性存儲器。

　　FRAM 存儲器比 ADAS 的傳統(tǒng) EEPROM 擁有更多優(yōu)勢。無需寫等待時，幾乎可以實(shí)時存儲重要數(shù)據(jù)(實(shí)際10us 存儲時間)，這一點(diǎn)對 ADAS 來說至關(guān)重要。EEPROM 通常需要超過 10 毫秒的寫等待時間，因此不適用于高安全性應(yīng)用。FRAM 同時具備無寫延遲和高速時鐘速度，非常適合需要快速寫入大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用。使用 SPI 時，設(shè)計(jì)師可以自由決定 FRAM 的寫入字節(jié)數(shù)。把一個或兩個字節(jié)寫入 FRAM 的隨機(jī)位置時，寫入周期約為 1 微秒。反觀 EEPROM 或閃存，則需要 5 - 10 毫秒的寫入周期。

　　與 EEPROM 或閃存不一樣的是，F(xiàn)RAM 無需頁面緩沖區(qū)。在接收每個字節(jié)的第 8 位之后，F(xiàn)RAM 立即寫入每個數(shù)據(jù)字節(jié)。這意味著，系統(tǒng)存儲器密度增長時，工程師不必?fù)?dān)心頁面緩沖區(qū)大小的變化。

　　就寫入耐久性而言，F(xiàn)RAM 可以支持100億次寫操作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 EEPROM 的 100萬次以及閃存 的10萬次。因此，F(xiàn)RAM 可以用作追蹤數(shù)據(jù)記錄器，可以不斷寫入數(shù)據(jù)。此外，F(xiàn)RAM 的寫入和讀取的消耗功率非常低(例如，1 Mhz 時為 300 微安)，因此非常適用于事故引起斷電時需要使用低功率備用電源或通過電容寫入數(shù)據(jù)的 ADAS。與其他非易失性存儲器相比，F(xiàn)RAM 的待機(jī)電流也低得多(通常為 100 微安)。

　　汽車儀表盤對存儲器的要求

　　儀表盤系統(tǒng)以數(shù)字形式在圖形顯示器上顯示速度、轉(zhuǎn)速、燃油油位和發(fā)動機(jī)溫度等重要信息，或者使用步進(jìn)電機(jī)控制的模擬形式顯示。此外，儀表盤系統(tǒng)還可以顯示電池警告、溫度警告、低油壓警告、制動警告、安全帶狀態(tài)標(biāo)識、低胎壓標(biāo)識、門鎖標(biāo)識、車頭燈標(biāo)識、換檔指示、手剎狀態(tài)指示，以及車內(nèi)和室外溫度、里程表讀數(shù)等。

　　最新的儀表盤系統(tǒng)還包括平視顯示器 (HUD)。平視顯示器是一種光學(xué)系統(tǒng)，可以將駕駛信息投射在汽車的擋風(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道路而帶來的潛在風(fēng)險，并為駕駛員提供額外時間以識別危險因素并作出反應(yīng)。平視顯示器可以顯示速度、導(dǎo)航和其他重要警示符號。

　　圖 2.儀表盤系統(tǒng)框圖(來源：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)安裝的儀表盤簡化框圖。儀表盤 MCU 可以通過 CAN-FD、CXPI(時鐘擴(kuò)展外設(shè)接口)、以太網(wǎng) AVB、MediaLB(媒體本地總線)/MOST(媒體定向系統(tǒng)傳輸)等不同的通信協(xié)議連接其他子系統(tǒng)，從而收集信息并顯示于儀表盤。

　　儀表盤系統(tǒng)啟動后，安全引擎立即檢驗(yàn)固件的真?zhèn)涡?。隨后，通過 HyperBus 接口從外部 HyperFlash 或通過 DDR 轉(zhuǎn)換 DDR-HSSPI 接口從 NOR 閃存執(zhí)行 XiP，MCU 軟件開始執(zhí)行。XiP 功能允許 MCU 直接從外部存儲器執(zhí)行代碼，而不需要先把外部閃存的代碼復(fù)制到內(nèi)部 RAM，從而提高了響應(yīng)速度。NOR 閃存/ HyperFlash 存儲器可配置程序代碼的初始地址位置，并在指定的時鐘延遲后以讀取模式啟動。因此，MCU 一啟動就可以直接獲取需要執(zhí)行的代碼，無需因?yàn)樘峁┑刂泛妥x取命令而延遲時間。

　　可從外部 HyperFlash 獲取靜態(tài)元素，并將其顯示為儀表盤 LCD 的基礎(chǔ)層。汽車用 MCU，例如賽普拉斯 Traveo? 系列，可以提供額外的功能支持，即時解壓縮靜態(tài) HMI 元素，無需首先通過 RAM。儀表盤針頭信息等動態(tài)內(nèi)容具備更快的更新速度，可以從外部 HyperRAM 進(jìn)行檢索。

　　HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)對存儲器的要求

　　HVAC(暖氣、通風(fēng)和空調(diào))系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制維持車內(nèi)溫度和空氣流動。信息娛樂系統(tǒng)可以運(yùn)行與智能手機(jī)類似的各種應(yīng)用程序，并提供用戶界面以更改 HVAC 系統(tǒng)配置、音樂系統(tǒng)設(shè)置、在導(dǎo)航應(yīng)用輸入目的地、調(diào)整座椅/方向盤位置/高度以及調(diào)節(jié)車內(nèi)照明等。部分最新的汽車還加入了指紋識別器來驗(yàn)證駕駛者身份。從而允許 HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的偏好快速調(diào)節(jié)車內(nèi)設(shè)置。

　　圖 3.HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)框圖(來源：賽普拉斯)

　　圖 3 顯示了 HVAC 和信息娛樂系統(tǒng)的簡化框圖，所有存儲器與主 MCU 連接。三個額外子系統(tǒng)與儀表盤系統(tǒng)比較：

　　? 觸屏控制器，用于檢測顯示器上的手指觸摸

　　? 暖氣機(jī)/空調(diào)，控制車內(nèi)溫度

　　? 連接子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)多項(xiàng)連接(藍(lán)牙、GPS、WiFi、GSM、FM 調(diào)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代碼，而 FRAM 用于存儲設(shè)置信息。因此，即使汽車熄火后再立即啟動，也可以正確地檢索并恢復(fù)汽車設(shè)置。

　　存儲器接口

　　上文已經(jīng)討論了不同汽車領(lǐng)域?qū)Ψ且资源鎯ζ鞯囊?，接下來了解這些存儲器與 MCU 之間不同的接口機(jī)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(shè)備，例如賽普拉斯的 S25FL256L，為 SPI 提供了多個 I/O 讀入選擇，可支持雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR) 以及四倍外設(shè)接口 (QPI) 連接?？梢栽谕豢偩€上連接多個閃存，并使用片選 (CS) 信號進(jìn)行單獨(dú)訪問。

　　圖 4.連接四通道 SPI 的 NOR 閃存接口(來源：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(qū)動器 (LLD) 軟件讀取、編程和擦除 NOR 閃存。經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計(jì)架構(gòu)有效加快了訪問時間并提高了程序運(yùn)行速度。同時，NOR 閃存使用的內(nèi)部技術(shù)決定了存儲器的密度。NOR 閃存采用傳統(tǒng)浮柵技術(shù)，在導(dǎo)電層上，每個存儲單元可以存儲 1 個數(shù)據(jù)位?；?nbsp;MirrorBit 技術(shù)絕緣層構(gòu)建的 NOR 閃存，每個存儲單元可存儲 2 個數(shù)據(jù)位，從而提供更低成本的 256 Mb 或更大密度的存儲結(jié)構(gòu)。

　　圖 5.連接 SPI 的 F RAM 存儲器接口(來源：賽普拉斯)

　　圖 5 顯示如何使用簡單的 SPI 接口來訪問 FRAM。對于有高速串行數(shù)據(jù)速率需求的基于微控制器的系統(tǒng)，SPI 接口是理想的選擇。串行數(shù)據(jù)吞吐量與串行時鐘頻率相關(guān)。串行 FRAM 的時鐘頻率可高達(dá) 40 Mhz。不具備專用 SPI 端口的微控制器可以通過 GPIO 來實(shí)現(xiàn)“bit bang”(通過GPIO引腳，用軟件來模擬串行通信)。

　　可以通過 HyperBus 12 信號接口訪問 HyperFlash 和 HyperRAM。與 Quad-SPI (66.5 Mbps) 相比，HyperBus 可提供高達(dá) 333 Mbps 的讀取吞吐量，而所需引腳數(shù)量僅為并行 NOR 閃存的三分之一。該接口使用了差分時鐘 (CK,CK#)、 讀寫數(shù)據(jù)選通 (RWDS)、片選以及 8 位數(shù)據(jù)總線。

　　圖 6：存儲器與外設(shè)之間的 HyperBus 接口(來源：賽普拉斯)

　　數(shù)據(jù)的完整性和安全性

　　數(shù)據(jù)的完整性和安全性是選擇汽車應(yīng)用存儲器的兩個重要因素。本文介紹的存儲器提供了各種功能來提高數(shù)據(jù)的完整性和安全性。例如，高級扇區(qū)保護(hù) (ASP) 技術(shù)為鎖定扇區(qū)提供更高的分辨率以及不同的上電復(fù)位，并有助于運(yùn)行安全的啟動代碼。在基礎(chǔ)層面上來看，ASP 技術(shù)的原理很簡單?？梢枣i定任一扇區(qū)，防止編程和刪除。鎖定扇區(qū)的 ASP 模式有兩種：分別為持久保護(hù)位 (PPB) 和動態(tài)保護(hù)位 (DYB) 保護(hù)。除了塊保護(hù) (BP) 和/或 WP# 引腳硬件保護(hù)，還可以一并使用以上兩種模式。

　　自動糾錯碼 (ECC) 功能可以在標(biāo)準(zhǔn)編程、擦除和讀取運(yùn)作時透明地運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備將每頁數(shù)據(jù)從寫入緩沖器傳送到存儲陣列時，內(nèi)部 ECC 邏輯將評估頁面的 ECC 代碼作為存儲陣列的一部分，而該存儲對主機(jī)系統(tǒng)是不可見的。每次訪問初始頁面時，設(shè)備將評估頁面數(shù)據(jù)和 ECC 代碼，以驗(yàn)證頁面的完整性。必要時，內(nèi)部 ECC 邏輯會在初始訪問時糾正 1 位錯誤。

　　NOR 閃存還提供額外的閃存存儲區(qū)，可以進(jìn)行一次編程并受到永久保護(hù)，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(hù)區(qū)域，包含 512 字節(jié)出廠保護(hù)鎖區(qū)和 512 字節(jié)用戶保護(hù)鎖區(qū)。

　　總結(jié)

　　如今的汽車系統(tǒng)需要多樣的存儲器類型，提供不同等級的可靠性、響應(yīng)能力和吞吐量，以滿足不同汽車子系統(tǒng)中的個性化需求。通過選擇合適的存儲器組合，工程師能夠確保汽車的可靠和安全操作，同時還能滿足駕駛員對汽車響應(yīng)能力的期望。