本系列文章的第1 部分解釋了內存如何影響汽車中區域和域系統的計算性能、功耗、可靠性和成本。現在，讓我們談談一種特定類型的非易失性存儲器 (NVM) — 相變存儲器 (PCM) — 在 MCU 的關鍵特性和好處中的作用和影響：無線 (OTA) 固件升級，也稱為固件無線 (FOTA) 升級。

在汽車市場以前所未有的速度發展之際，OTA 固件升級是基于區域和域的應用程序的一項重要功能。現場車輛需要快速推出新功能和升級，而OTA固件升級確保了低成本的升級機制。

區域和域 ECU 架構需要快速的 OTA 固件升級功能，并且無需應用程序停機即可工作。

OTA固件升級架構

常見的兩種OTA固件升級方式，在優化成本還是性能、可靠性和效率方面存在差異。單個基于應用程序映像的實現（圖 1-a）是更經濟的方法，因為它使用的非易失性存儲器大約是實現基于應用程序映像或基于 A/B 交換的雙系統所需的一半（圖 1-b） ）。

圖 1-a：基于單個圖像的實現更經濟。資料來源：意法半導體

圖 1-b：基于雙映像的實現需要大約 2 倍的非易失性存儲器。資料來源：意法半導體

憑借大約 2 倍的必要非易失性內存，雙應用程序映像方法“保護”了原始固件，以便車輛/ECU 可以持續遷移到新固件并在版本之間運行而無需任何停機時間。此外，如果出現問題，早期版本仍可在 NVM 中使用，并提供回滾選項。它是汽車應用中更常用的架構——其代價是閃存大小是應用程序大小的兩倍。

除了內存成本之外，OTA 升級實施的另一個重要方面是更新應用程序的時間。時間直接影響用戶以及經銷商將更新下載到車輛上的時間。使用新映像更新閃存是一個兩步過程：擦除和寫入。此外，擦除時間可能比寫操作長四到五倍。因此，快速升級需要優化寫入和擦除時間。

使用 PCM 進行 OTA 固件升級

PCM 內存，就像Stellar SR6 MCU 中的內存一樣，通過解決上述挑戰改變了 OTA 固件升級的實施方式。PCM 每個邏輯位有兩個物理單元，它們一起工作以在高溫下提供高可靠性和長保留時間，這在汽車應用中是必需的。在正常程序執行期間，第二個物理位是第一位的倒數，也稱為差分模式。圖 2 說明了 PCM 在正常操作中是如何工作的。

圖 2：這是相變存儲器 (PCM) 在正常操作期間的工作方式。資料來源：意法半導體

在執行 OTA 固件升級時，第二個物理單元不需要存儲反向數據，并且可以存儲新數據，如圖 3 所示。這種配置也稱為單端模式。

圖 3：這是 PCM 在 OTA 固件升級期間的工作方式。資料來源：意法半導體

與其他嵌入式非易失性存儲器技術相比，PCM 單元尺寸要小得多。因此，與其他架構相比，兩個物理單元不需要雙倍的物理空間。

因此，在 OTA 固件升級期間，第二個物理單元的可用性實質上是可用內存大小的兩倍。例如，如果一個 MCU 有 20 MB 的總 PCM 內存，它可以支持 20 MB 的應用程序大小。然后，在 OTA 升級期間，MCU 的可用內存翻倍至 40 MB。因此，MCU 可以存儲兩個 20 MB 的圖像。此功能解決了將內存大小加倍以支持 OTA 升級的需求。

在這里，值得一提的是，即使在 OTA 升級過程完成后，傳統的 A/B 交換或基于雙映像的實現也會同時存儲新舊映像。理想情況下，僅需要這兩個映像以確保在 OTA 升級期間不會停機，并在出現錯誤時提供將升級回滾到先前版本的可能性。如前所述，PCM 的獨特之處在于它支持這種靈活性，而不會像其他內存類型那樣浪費內存容量。

如果即使在 OTA 升級過程之后也需要維護兩個映像，PCM 也可以支持傳統的 A/B 交換/雙映像實現。在這種情況下，雖然應用程序的大小將是總 PCM 的一半，就像嵌入閃存的實現一樣；PCM 仍然具有寫入速度更快的優勢，因為它不需要預寫入擦除。

為什么 PCM 在區域和域 MCU 中很重要

區域和域架構通過提高系統性能和降低系統復雜性和車輛重量提供了巨大的優勢。它們主要通過減少線束的數量來影響重量。另一方面，與傳統ECU相比，這些架構中功能和能力的集成需要更高的計算能力。

為了充分利用這些架構，NVM 中的代碼必須足夠快以最小化等待狀態。NVM 中的數據也應該快速以提高系統性能。為避免需要外部 EEPROM，NVM 中的數據應模擬快速 EEPROM，而不會降低耐用性和相鄰存儲單元。低功率運行也很重要，因為它直接影響電動汽車的單次充電范圍。此外，在工廠和無線升級的快速編程對于管理成本至關重要。

不幸的是，現有的 NOR 閃存架構在大多數這些方面都不夠理想。制造商已經能夠提高某些 NOR 閃存類型的速度，但這些改進在 40 納米以下的技術節點上逐漸消失。

現在，隨著基于 28 納米技術的區域和域 MCU 進入市場，提供小尺寸和具有成本效益的硅需要可擴展的新 NVM 技術。相變存儲器通過提供更快的訪問時間、無需擦除的寫入、單位可更改性、低功耗操作和內置的 OTA 升級功能來解決這些挑戰。這就是 PCM 如何為用于汽車應用的新一代區域和域 ECU 架構鋪平道路。

審核編輯 黃昊宇