嵌入式非易失性存儲器在汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用
隨著汽車逐漸發(fā)展成為高度集成的交通、信息和娛樂系統(tǒng)，其半導(dǎo)體成分不斷增多。如今的汽車包含了數(shù)以十計(jì)的處理器、大量的傳感器和各類控制、安全、舒適及通信系統(tǒng)。所有這些系統(tǒng)都需要非易失性存儲。
車載系統(tǒng)的存儲器有多種不同形式，其容量少則只有數(shù)百位，用于存儲ID和傳感器數(shù)據(jù)，多則高達(dá)數(shù)兆字節(jié)，用于保存復(fù)雜的固件程序。不同系統(tǒng)對非易失性存儲器(NVM)的要求不同，但無一例外都希望它便宜、可靠、安全并易于在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。本文深入探討了一些常見應(yīng)用，闡述了它們所需要的存儲器要求和特性。
固件存儲
如今的汽車可謂是真正的個人汽車系統(tǒng)，其中包含了眾多依賴MCU工作的電子子系統(tǒng)，如制動系統(tǒng)、電子穩(wěn)定裝置、巡航控制、發(fā)動機(jī)控制、電源管理和儀表板等。這些處理器需要總計(jì)數(shù)百萬行的軟件代碼，而所有代碼都必須存儲在NVM中。目前存儲這些代碼的技術(shù)是與MCU相嵌在一起的閃存。
除了閃存，也可以選用一次性可編程(OTP）存儲器，如用掩膜可配置ROM來存儲代碼。不過，這種方法缺乏現(xiàn)場可編程能力，此后就不可能對代碼進(jìn)行升級以修正問題或是增強(qiáng)系統(tǒng)的功能組合?，F(xiàn)場可編程能力還讓MCU制造商得以延長其車載產(chǎn)品的壽命，支持新的汽車款式。
MCU供應(yīng)商已經(jīng)轉(zhuǎn)向采用嵌入式閃存來進(jìn)行固件存儲，因?yàn)榍度胧介W存現(xiàn)場可編程。但嵌入式閃存需要浮柵技術(shù)，這使得MCU芯片的制造成本增加了30-50%。此外，由于通過電壓對比或其它掃描技術(shù)就可以讀取代表著MCU廠商知識產(chǎn)權(quán)的閃存內(nèi)容，閃存在固件存儲方面還存在著安全隱患。
如果現(xiàn)場可編程OTP存儲器外型小巧的話，通過在系統(tǒng)級將其設(shè)計(jì)為“數(shù)次可編程”，可以利用它來代替閃存以存儲程序。MCU供應(yīng)商能做的，就是除了存儲現(xiàn)有程序代碼的扇區(qū)外，還在OTP存儲器中留出一個或多個未指定扇區(qū)。若需對某個程序代碼模塊進(jìn)行升級，就把被升級的模塊編程入一個未用存儲扇區(qū)，讓控制邏輯轉(zhuǎn)而指向升級后的模塊(見圖1)。這種技術(shù)還可用于其它車載系統(tǒng)，如傳感器校準(zhǔn)和數(shù)字版權(quán)管理(DRM)密鑰，本文稍后將對此進(jìn)行探討。
對于價格不貴而又性能可靠的嵌入式NVM而言，在嵌入式MCU中進(jìn)行可編程固件存儲是一個理想的應(yīng)用領(lǐng)域。這種存儲器價格必須非常低廉，不會增加任何額外的芯片制造成本。此外，它必須高度可靠，必須能夠在汽車的高溫工作環(huán)境中正常運(yùn)行。
圖1、MCU供應(yīng)商在OTP存儲器中預(yù)留未編程扇區(qū)，使得汽車制造商能夠通過把升級內(nèi)容下載到初始未編程扇區(qū)中來對MCU的程序模塊進(jìn)行升級。
傳感器校準(zhǔn)
如今汽車使用了許多并不昂貴的傳感器，這些傳感器可用于引擎控制、駕駛員輔助及安全裝置和舒適性子系統(tǒng)，能夠監(jiān)控許多關(guān)鍵參數(shù)，如安全氣囊準(zhǔn)備就緒情況、輪胎氣壓、引擎溫度、進(jìn)氣歧管壓力、光亮度、電池和電氣子系統(tǒng)電壓、用于制動和轉(zhuǎn)向控制的汽車定位，以及各種溫度控制及其它舒適性配置。很多情況下，這些模擬傳感器都被配置成壓阻式橋網(wǎng)絡(luò)，供汽車系統(tǒng)將物理參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎庑盘?，以此測量壓力、溫度或濕度等模擬參數(shù)。
用于電子信號轉(zhuǎn)換的物理參數(shù)通常是低電平、非線性的，且與溫度密切相關(guān)。設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行一些信號調(diào)節(jié)工作，以此放大和校準(zhǔn)傳感器信號在靈敏度、偏移和非線性度等方面的器件間隨機(jī)變化，并讓它不再受溫度影響，從而為系統(tǒng)構(gòu)建一個線性而精確的信號。在傳感器校準(zhǔn)方面，另一個問題是偏移或靈敏度這類參數(shù)因系統(tǒng)而異，需要對每個傳感器和調(diào)節(jié)電路分別進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。
有幾家車載半導(dǎo)體制造商在提供能夠?qū)蚴絺鞲衅鬟M(jìn)行放大、校準(zhǔn)并做溫度補(bǔ)償?shù)男酒?。它們通常利?個微控制器來數(shù)字式控制1個或多個DAC，把一組傳感器校準(zhǔn)系數(shù)編程到一個EEPROM(嵌入式或外部皆可)中，創(chuàng)建一個查找表(見圖2)。
圖2、采用EEPROM存儲傳感器校準(zhǔn)系數(shù)的一種典型的可編程車載傳感器調(diào)節(jié)裝置。
因此，傳感器校準(zhǔn)可謂嵌入式NVM的又一個理想應(yīng)用領(lǐng)域。嵌入式NVM帶有信號放大和調(diào)節(jié)芯片，可對模擬傳感器(MCU使用其輸入)信號進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整。為了降低系統(tǒng)成本，這種存儲器價格必須非常價廉，不增加任何額外的芯片制造成本。除了高可靠性和低成本之外，用于車載系統(tǒng)中模擬信號校準(zhǔn)的NVM還必須能夠在汽車的高溫工作環(huán)境中正常運(yùn)行。
數(shù)字版權(quán)管理
隨著車載娛樂系統(tǒng)的發(fā)展，在汽車娛樂系統(tǒng)與外部信息源交換音頻視頻內(nèi)容時，非易失性存儲器需要支持?jǐn)?shù)字版權(quán)管理(DRM)。這里使用的存儲器必須價格不貴，更重要的是，必須高度安全，因?yàn)閮?nèi)容代表著其開發(fā)商寶貴的知識產(chǎn)權(quán)。
確保數(shù)字內(nèi)容只被授權(quán)設(shè)備接收到的最常用方法是采用加密和解密密鑰，并且只有授權(quán)設(shè)備知道正確的密鑰值。密鑰存儲的成本必須價廉，而密鑰安全性能應(yīng)受到良好保護(hù)，這樣才能保障嵌入式NVM的高度安全性。密鑰可能必須予以更新，這就排除了使用ROM或嵌入式熔絲的可能性。閃存可以作為一項(xiàng)選擇，但其安全性欠佳，又增加了成本，正如本文固件存儲一節(jié)中所述，故娛樂系統(tǒng)、汽車及其它領(lǐng)先制造商轉(zhuǎn)而考慮其它類型的嵌入式NVM。
由于汽車和外界信息源(比如家中的DVD播放機(jī))之間需要進(jìn)行內(nèi)容交換，因此需要開發(fā)一種機(jī)制來實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的短距離無線傳輸。無線USB是業(yè)界倡導(dǎo)的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)今年上半年開始應(yīng)用在設(shè)備領(lǐng)域。無線USB通信需要兩項(xiàng)操作，即關(guān)聯(lián)和構(gòu)建安全性，此二項(xiàng)操作都要求安全通信密鑰。關(guān)聯(lián)是在兩個無線設(shè)備之間建立可靠聯(lián)系的一次性過程。這個過程的設(shè)計(jì)確保設(shè)備被授權(quán)進(jìn)行通信，并可防止未授權(quán)的連接，或兩個不相關(guān)設(shè)備間的意外連接。無線內(nèi)容通信的安全性是指保護(hù)所傳輸數(shù)據(jù)的加密機(jī)制。同樣是基于成本和安全目的，無線發(fā)射器和接收器需要安全的低成本嵌入式NVM來實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)與安全操作電路。
車輛和零部件ID檢測
最后，電子識別存儲，如車輛ID(VID) 號碼和手機(jī)及其它車載通信系統(tǒng)ID，是安全NVM大有用武之地的又一個領(lǐng)域。這些應(yīng)用需要價廉的低位數(shù)OTP NVM，它易于初始編程，但極難更改。在不遠(yuǎn)的將來，汽車無疑將在其許多零部件上集成RFID標(biāo)簽，從而能夠利用嵌入式OTP NVM實(shí)現(xiàn)ID的無線檢測。
非易失性車載存儲器的未來
上述例子表明了多種車載系統(tǒng)對價廉而又安全的嵌入式NVM的高度依賴?，F(xiàn)有技術(shù)“ROM、閃存和EEPROM”廣泛用于許多不同子系統(tǒng)，但它們各有其缺點(diǎn)。隨著車載半導(dǎo)體集成水平的不斷提高，新的NVM技術(shù)將為高位數(shù)和低位數(shù)應(yīng)用提供價格低廉、高度可靠、適應(yīng)汽車工作溫度、更安全更靈活的數(shù)據(jù)和代碼存儲。
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