嵌入式非易失性存儲(chǔ)器在汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：

隨著汽車逐漸發(fā)展成為高度集成的交通、信息和娛樂(lè)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(chǔ)。

關(guān)鍵字：非易失性存儲(chǔ)；汽車系統(tǒng)

車載系統(tǒng)的存儲(chǔ)器有多種不同形式，其容量少則只有數(shù)百位，用于存儲(chǔ)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(duì)非易失性存儲(chǔ)器（NVM）的要求不同，但無(wú)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(jiàn)應(yīng)用，闡述了它們所需要的存儲(chǔ)器要求和特性。

固件存儲(chǔ)

如今的汽車可謂是真正的個(gè)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(dòng)系統(tǒng)、電子穩(wěn)定裝置、巡航控制、發(fā)動(dòng)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(wàn)行的軟件代碼，而所有代碼都必須存儲(chǔ)在NVM中。目前存儲(chǔ)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(chǔ)器，如用掩膜可配置ROM來(lái)存儲(chǔ)代碼。不過(guò)，這種方法缺乏現(xiàn)場(chǎng)可編程能力，此后就不可能對(duì)代碼進(jìn)行升級(jí)以修正問(wèn)題或是增強(qiáng)系統(tǒng)的功能組合?，F(xiàn)場(chǎng)可編程能力還讓MCU制造商得以延長(zhǎng)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(lái)進(jìn)行固件存儲(chǔ)，因?yàn)榍度胧介W存現(xiàn)場(chǎng)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(guò)電壓對(duì)比或其它掃描技術(shù)就可以讀取代表著MCU廠商知識(shí)產(chǎn)權(quán)的閃存內(nèi)容，閃存在固件存儲(chǔ)方面還存在著安全隱患。

如果現(xiàn)場(chǎng)可編程O(píng)TP存儲(chǔ)器外型小巧的話，通過(guò)在系統(tǒng)級(jí)將其設(shè)計(jì)為“數(shù)次可編程”，可以利用它來(lái)代替閃存以存儲(chǔ)程序。MCU供應(yīng)商能做的，就是除了存儲(chǔ)現(xiàn)有程序代碼的扇區(qū)外，還在OTP存儲(chǔ)器中留出一個(gè)或多個(gè)未指定扇區(qū)。若需對(duì)某個(gè)程序代碼模塊進(jìn)行升級(jí)，就把被升級(jí)的模塊編程入一個(gè)未用存儲(chǔ)扇區(qū)，讓控制邏輯轉(zhuǎn)而指向升級(jí)后的模塊（見(jiàn)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(duì)此進(jìn)行探討。

對(duì)于價(jià)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(chǔ)是一個(gè)理想的應(yīng)用領(lǐng)域。這種存儲(chǔ)器價(jià)格必須非常低廉，不會(huì)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(chǔ)器中預(yù)留未編程扇區(qū)，使得汽車制造商能夠通過(guò)把升級(jí)內(nèi)容下載到初始未編程扇區(qū)中來(lái)對(duì)MCU的程序模塊進(jìn)行升級(jí)

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(dòng)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?hào)，以此測(cè)量壓力、溫度或濕度等模擬參數(shù)。

用于電子信號(hào)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(hào)調(diào)節(jié)工作，以此放大和校準(zhǔn)傳感器信號(hào)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(gè)線性而精確的信號(hào)。在傳感器校準(zhǔn)方面，另一個(gè)問(wèn)題是偏移或靈敏度這類參數(shù)因系統(tǒng)而異，需要對(duì)每個(gè)傳感器和調(diào)節(jié)電路分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(gè)微控制器來(lái)數(shù)字式控制1個(gè)或多個(gè)DAC，把一組傳感器校準(zhǔn)系數(shù)編程到一個(gè)EEPROM（嵌入式或外部皆可）中，創(chuàng)建一個(gè)查找表（見(jiàn)圖2）。

圖2、采用EEPROM存儲(chǔ)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

不過(guò)，EEPOM這類存儲(chǔ)器不太適合于汽車環(huán)境，因?yàn)楣ぷ鳒囟冗^(guò)高會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失或崩潰，這可能造成傳感器模塊不能被校準(zhǔn)，而系統(tǒng)誤認(rèn)為信號(hào)是正確的。對(duì)于那些用于制動(dòng)或轉(zhuǎn)向的安規(guī)系統(tǒng)而言，這種校準(zhǔn)=的缺失是無(wú)法接受的。雖然這些系統(tǒng)可采用某種EEPROM誤差檢查以及校準(zhǔn)機(jī)制，但這又增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

因此，傳感器校準(zhǔn)可謂嵌入式NVM的又一個(gè)理想應(yīng)用領(lǐng)域。嵌入式NVM帶有信號(hào)放大和調(diào)節(jié)芯片，可對(duì)模擬傳感器（MCU使用其輸入）信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整。為了降低系統(tǒng)成本，這種存儲(chǔ)器價(jià)格必須非常價(jià)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(hào)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(lè)系統(tǒng)的發(fā)展，在汽車娛樂(lè)系統(tǒng)與外部信息源交換音頻視頻內(nèi)容時(shí)，非易失性存儲(chǔ)器需要支持?jǐn)?shù)字版權(quán)管理（DRM）。這里使用的存儲(chǔ)器必須價(jià)格不貴，更重要的是，必須高度安全，因?yàn)閮?nèi)容代表著其開(kāi)發(fā)商寶貴的知識(shí)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(chǔ)的成本必須價(jià)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(chǔ)一節(jié)中所述，故娛樂(lè)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(kāi)發(fā)一種機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的短距離無(wú)線傳輸。無(wú)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(kāi)始應(yīng)用在設(shè)備領(lǐng)域。無(wú)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(gè)無(wú)線設(shè)備之間建立可靠聯(lián)系的一次性過(guò)程。這個(gè)過(guò)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(gè)不相關(guān)設(shè)備間的意外連接。無(wú)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(wú)線發(fā)射器和接收器需要安全的低成本嵌入式NVM來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)與安全操作電路。

車輛和零部件ID檢測(cè)

最后，電子識(shí)別存儲(chǔ)，如車輛ID（VID） 號(hào)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(gè)領(lǐng)域。這些應(yīng)用需要價(jià)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(lái)，汽車無(wú)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(wú)線檢測(cè)。

非易失性車載存儲(chǔ)器的未來(lái)

上述例子表明了多種車載系統(tǒng)對(duì)價(jià)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(jià)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(chǔ)。