嵌入式开发解除嵌入式闪存集成的案例

　　几十年来，无论哪个行业，创新电子系统设计的主流策略都是将更多功能和更大存储容量集成到更少的芯片中，这导致了完整的片上系统(SoC)架构的兴起，使复杂的嵌入式系统能够围绕单个芯片进行设计。在嵌入式开发中，与集成相辅相成的是日益紧密的制造工艺节点和不断缩小的芯片尺寸，结果是更小的SOC能够以更低的成本实现更高的性能。
　　芯片级集成所带来的能力提升导致了系统级特性和能力的整合。例如，在当今不断发展的自动驾驶汽车架构中，功能现在被整合到单个车辆控制平台(VCP)中，而不是在分布式架构中包含几个不同的子系统。这些平台提供了更高的效率、控制能力和可靠性，以及优化的电源管理和整体更小的系统尺寸和重量。
　　通过集成SoC架构增强的计算能力，集中式计算成为可能。而且，随着车辆变得更加智能，它们需要车内更多的处理资源。事实上，汽车将需要更多的智能和数据存储，才能进入下一个自主水平。
　　捕捉22纳米
　　在嵌入式开发中，嵌入式NOR Flash使得直接从Flash执行代码成为可能。为了达到功耗和性能要求，自动驾驶汽车等计算密集型应用需要在最小的合理工艺节点制造SOC。然而，随着制造工艺节点缩小到22纳米及以下，集成战略已经开始出现问题。具体来说，在这些较小的节点上实施嵌入式NOR闪存已经变得极其昂贵。
　　因此，使用高性能SOC的系统需要嵌入式闪存的替代方案，即重新使用外部存储设备。
　　解除嵌入式闪存的集成
　　为了使高度集成的SOC保持实时性能，外部闪存需要对数据吞吐量、代码执行、可靠性和安全性产生最小的负面影响。令人惊讶的是，将闪存移至片外也能带来显著的可扩展性和灵活性优势。
　　传统上，外部存储器总线比内部总线慢，因此移出芯片需要增强的架构，以避免引入存储器吞吐量瓶颈。具体来说，在嵌入式开发中，这种架构需要针对读取时间和系统启动进行优化。
　　快速读取时间/吞吐量支持就地执行(XiP)，即代码直接从闪存运行。再慢一点，闪存就会成为处理瓶颈。随着自动驾驶汽车等系统不断整合越来越多的功能，这些整合系统的快速系统启动也变得越来越具有挑战性。
　　认识到这一点，英飞凌的研发团队正在评估旨在从外部存储器提供内部存储器读取性能的架构(见图1)。这些新设计利用优化的LPDDR4接口实现了足够的读取性能，其极限带宽超过3200 MBps。这一性能水平提供了10倍于传统外部NOR闪存的带宽。结合不到20 ns的快速初始读取延迟，这款高级闪存的速度足以支持从外部闪存执行代码。
　　图1
　　在嵌入式开发中，新的存储器通过利用代码被写一次(即，代码的存储)和被读很多次(即，代码的执行)的事实来实现这种级别的优化。鉴于XiP性能仅基于读取操作，优化的LPDDR4接口可避免总线写入初始化造成的延迟。
　　代码更新
　　NOR Flash在保持自动驾驶汽车等复杂系统的灵活性方面发挥着重要作用，它甚至可以在系统部署后进行远程更新。借助空中下载(OTA)更新支持，即使车辆已经上路，也可以为其添加新功能。
　　提供在存储器内具有多个不同存储体的闪存设备使得该架构能够支持边写边读(RWW)功能，其中系统可以加载新代码而不必中断整个系统操作(即，零停机时间)。
　　可靠性和安全性
　　汽车应用本质上要求更高的可靠性，必须具备功能安全能力，以防止设备损坏和人员伤害。所需的基本安全级别是＂故障安全＂，当故障发生时，系统可以安全关闭。
　　然而，以60英里/小时的速度行驶的汽车，即使是安全的，也不能出故障。系统必须是＂故障运行＂，这意味着用户仍然可以使用基本功能将系统带到安全状态(即，制动以安全地降低车辆速度)。在英飞凌，正在推动处理器和内存技术超越故障操作标准，实现＂高可用性＂,即系统被设计为在零停机时间内检测、识别和减轻潜在故障。
　　在嵌入式开发中，可靠的内存对于确保这些更高级别的安全性至关重要。外部NOR闪存必须符合适当的安全标准(即ISO 26262)。它们还需要符合AEC-Q100汽车标准等应用标准。
　　闪存在确保安全操作方面发挥的作用之一是通过安全引导，即存储器从电源事件中恢复到已知的良好状态，至少可以正常工作。
　　安全性
　　随着执行OTA更新的能力而来的是以足够的安全性来保护代码和固件的需求。理想情况下，数据在其驻留的位置受到保护，而不是在处理器中。将代码存储在外部存储器中也需要保护存储器接口。
　　各公司已经在解决将高级安全性集成到外部闪存设备中的问题。例如，英飞凌SEMPER Secure实施了基于硬件的信任根，以确保系统从安全、已知安全的状态启动，并防止对外部存储器中的代码进行任何未经授权的访问或修改。
　　去一体化的好处
　　Flash的去集成实际上为开发者提供了更大的可扩展性和灵活性。在嵌入式开发中，当嵌入式闪存集成到SoC中时，闪存密度已根据整个系统的性能要求和可用芯片面积进行了优化和平衡。如果没有足够的闪存，处理器将无法用于某些应用。或者，如果闪存过多，会影响系统成本。嵌入式闪存密度会极大地限制处理器的选择，迫使开发人员从为数不多的选项中进行选择，没有一个选项是理想的。
　　当闪存位于SoC外部时，在为应用选择最佳SoC时，内存不再是一个限制因素。开发人员可以根据其性能选择一流的SoC，并独立扩展闪存密度。能够调整闪存大小还可以降低系统成本和尺寸。
　　内存密度的灵活性还有其他好处。一条生产线上的产品可以具有不同的处理和程序存储能力，以匹配生产线上不断增加的功能集。例如，ADAS系统需要不同数量的内存，具体取决于启用的功能。
　　混合动力和电动汽车的新型动力总成架构需要可持续的解决方案，以提供最佳性能、功能安全合规性(ISO 26262)、电源管理、远程更新和自我诊断能力。业界正在为汽车系统和其他高性能应用开发嵌入式闪存替代产品。
　　在将闪存集成到处理器中的所有工作完成之后，取消集成似乎有悖常理。然而，这是几乎每个使用高性能处理器的行业都必须进行的架构转型。对于原始设备制造商来说，好消息是，在嵌入式开发中，将内存集成到处理器上的所有理由——更快的吞吐量、更低的功耗、增强的安全性、更高的可靠性、易于设计——现在都可以通过外部闪存来实现。