靈活更新固件——IoT設(shè)備的關(guān)鍵

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備正迅速引入各大市場(chǎng)，從家用電器到醫(yī)療設(shè)備、再到汽車，應(yīng)用范圍十分廣泛;制造商必須通過(guò)不斷創(chuàng)新和靈活地采用或集成新技術(shù)來(lái)領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。為了滿足新功能的需求和新法規(guī)的要求，設(shè)計(jì)人員必須將靈活性納入其產(chǎn)品中，以適應(yīng)不斷發(fā)展的IoT生態(tài)系統(tǒng)。固件更新不僅能夠在客戶現(xiàn)場(chǎng)的初始部署期間進(jìn)行定制，還可以在產(chǎn)品部署到現(xiàn)場(chǎng)后添加新功能/特性，并且支持在使用過(guò)程中修復(fù)任何固件問(wèn)題。NOR閃存等非易失性存儲(chǔ)器件具有可重復(fù)編程能力且可靠性極高，通?？捎米鞴碳a存儲(chǔ)介質(zhì)。通過(guò)重新編寫器件固件代碼(位于器件使用的非易失性存儲(chǔ)器中)的一部分，制造商可輕松更新器件功能。想要更新固件時(shí)，有三件事情需要考慮：更新哪些/多少代碼、更新頻率以及執(zhí)行更新所需的時(shí)間(速度)。

更新哪些/多少固件代碼

在IoT設(shè)備的初始設(shè)計(jì)階段，必須考慮更新哪些/多少固件代碼。相對(duì)于不可更新部分，固件的可更新部分必須存儲(chǔ)在NOR閃存器件的獨(dú)立區(qū)域中。更新NOR閃存的任何片段都需要先擦除存儲(chǔ)器的這一部分，然后將新信息編程到該部分中。NOR閃存分為稱為扇區(qū)和塊的多個(gè)部分，它們的大小各有不同。NOR閃存器件(如采用SST SuperFlash?技術(shù)的器件(部件編號(hào)SST26VF064B(64Mb)))分為多個(gè)均一的4KB扇區(qū)，各個(gè)扇區(qū)可單獨(dú)擦除和重新編程(4KB=4*1024*8位=32,762位)。它還可分為更大的8KB、32KB和64KB塊，這些塊也可單獨(dú)擦除。因此，一個(gè)8KB塊有2個(gè)扇區(qū)，一個(gè)32KB塊有8個(gè)扇區(qū)，一個(gè)64KB塊有16個(gè)扇區(qū)。圖1給出了采用8KB/32KB/64KB塊的SST26VF064B的存儲(chǔ)器構(gòu)成。各個(gè)塊也可以單獨(dú)進(jìn)行保護(hù)。在對(duì)閃存的任何部分執(zhí)行任何更新前，必須取消保護(hù)該部分中的塊，以允許擦除和編程操作。完成更新后，謹(jǐn)慎地再次對(duì)這些塊進(jìn)行保護(hù)，以避免意外寫入或擦除這些區(qū)域。固件的可更新部分必須以足夠靈活的方式劃分為扇區(qū)和塊，以便同時(shí)支持有限數(shù)量和最大數(shù)量的特性/功能更新。由于執(zhí)行更新的速度由需要擦除和重新編程的扇區(qū)和塊數(shù)決定，因此在組織固件的可更新部分時(shí)，最好同時(shí)考慮速度和靈活性。圖2給出了將存儲(chǔ)器組織為可更新和不可更新部分的示例。引導(dǎo)代碼等不可更新部分存儲(chǔ)在受保護(hù)區(qū)域中。固件的可更新部分(如特性/功能)根據(jù)靈活性要求分為較小的塊或較大的塊?？筛碌溺R像文件存儲(chǔ)在較大的塊中，可更新的變量/參數(shù)存儲(chǔ)在較小的塊中。

圖1：SST26VF064B的存儲(chǔ)器構(gòu)成(映射)——由8個(gè)8KB塊、2個(gè)32KB塊和126個(gè)64 KB塊組成

圖2：將存儲(chǔ)器組織為多個(gè)不可更新部分(例如：引導(dǎo)代碼)和可更新部分(例如：功能/特性代碼、鏡像文件代碼和參數(shù)變量代碼)

更新頻率

固件更新頻率的主要限制是應(yīng)用中所使用存儲(chǔ)器的耐擦寫次數(shù)限制。SuperFlash技術(shù)存儲(chǔ)器(如SST26VF064B)的耐擦寫次數(shù)可達(dá)100,000次，這意味著每個(gè)扇區(qū)可編程和擦除100,000次。固件可以更新100,000次聽(tīng)起來(lái)很多;然而，許多IoT設(shè)備會(huì)在使用期間收集數(shù)據(jù)并將信息存儲(chǔ)在NOR閃存中，因此在計(jì)算最大耐擦寫次數(shù)限制時(shí)必須考慮這一點(diǎn)?？紤]到耐擦寫次數(shù)，必須在存儲(chǔ)器中分配足夠多的扇區(qū)。下面將舉例說(shuō)明：假設(shè)IoT設(shè)備正在收集和存儲(chǔ)16個(gè)字節(jié)的信息，并且信息預(yù)計(jì)在產(chǎn)品的使用壽命期間收集和存儲(chǔ)1億次。可以按如下方式計(jì)算應(yīng)當(dāng)分配的扇區(qū)數(shù)：

1個(gè)扇區(qū)=4KB

假設(shè)扇區(qū)中的所有地址單元用于存儲(chǔ)信息(一次存儲(chǔ)16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù))，然后寫入到一個(gè)新的地址單元，直至達(dá)到扇區(qū)末尾(例如，0x0000-0x000F、0x0010-0x001F、0x0020-0x002F等)

由于4KB/16字節(jié)=256，這即是達(dá)到扇區(qū)容量并擦除扇區(qū)中任何數(shù)據(jù)之前可以寫入存儲(chǔ)介質(zhì)的次數(shù)

1個(gè)扇區(qū)的耐擦寫限值=100,000次

因此，如果1個(gè)扇區(qū)可以寫入256次且耐擦寫次數(shù)為100,000次，則可以收集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)2560萬(wàn)次

如果一個(gè)應(yīng)用需要收集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)1億次，則要分配的扇區(qū)數(shù)量為100,000,000/25,600,000=3.9。因此，在本例中，需要分配4個(gè)扇區(qū)以在應(yīng)用的生命周期內(nèi)存儲(chǔ)16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

IoT設(shè)備工程師需要進(jìn)行類似的計(jì)算，以便為數(shù)據(jù)記錄參數(shù)分配足夠多的扇區(qū)和塊，以免超出其NOR閃存器件的耐擦寫限值。

更新速度

可根據(jù)需要擦除和重新編程的塊和扇區(qū)數(shù)來(lái)計(jì)算更新速度。假設(shè)需要重新編程SST26VF064B的幾個(gè)64KB塊中存儲(chǔ)的1Mb、2Mb或4Mb固件代碼/數(shù)據(jù)。代碼/數(shù)據(jù)可以由固件代碼、鏡像文件或需要更新的其他代碼組成。更新過(guò)程涉及對(duì)閃存執(zhí)行一系列命令指令。序列將從取消保護(hù)存儲(chǔ)器塊開始，然后擦除這些塊、用更新的數(shù)據(jù)/代碼進(jìn)行編程，最后重新進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于SST26VF064B，更新1Mb/2Mb/4Mb存儲(chǔ)器所需的指令序列如表1所示。從表1中可以看出，兩個(gè)最重要的時(shí)間是擦除時(shí)間和編程時(shí)間。SST26VF064B采用可提供出色擦除性能的SuperFlash技術(shù)。SuperFlash技術(shù)與傳統(tǒng)閃存的擦除和編程性能的比較如表2所示。與傳統(tǒng)閃存相比，SuperFlash技術(shù)提供的優(yōu)異擦除性能對(duì)于縮短更新時(shí)間非常有用。SST26VF064B支持的最大時(shí)鐘頻率為104MHz，最大扇區(qū)擦除時(shí)間為25ms，最大塊擦除時(shí)間為25ms，最大頁(yè)編程時(shí)間為1.5ms。此外，從發(fā)出每條命令指令到閃存以104MHz時(shí)鐘頻率工作，中間還需要12ns延時(shí)(CE高電平時(shí)間)。表1所示的命令序列與編程和擦除時(shí)間的知識(shí)結(jié)合使用時(shí)，可計(jì)算更新1Mb/2Mb/4Mb SuperFlash技術(shù)存儲(chǔ)器和傳統(tǒng)閃存所需的時(shí)間，具體方法分別如表3和表4所示。這些計(jì)算必須由IoT設(shè)備工程師完成以估算執(zhí)行更新的速度，目的是最大程度縮短更新期間的IoT設(shè)備停機(jī)時(shí)間。

表1：更新1Mb/2Mb/4Mb存儲(chǔ)器的閃存命令指令序列

表2：SST26VF064B和傳統(tǒng)閃存的編程和擦除時(shí)間

表3：更新1MB/2Mb/4Mb SuperFlash技術(shù)存儲(chǔ)器所需的時(shí)間

表4：更新1MB/2Mb/4Mb傳統(tǒng)閃存所需的時(shí)間

結(jié)論

IoT設(shè)備設(shè)計(jì)工程師需要在更新應(yīng)用程序代碼和數(shù)據(jù)時(shí)提供一定的靈活性。更新哪些/多少代碼、更新頻率和更新速度是設(shè)計(jì)IoT設(shè)備時(shí)需要解決的問(wèn)題。非易失性存儲(chǔ)器的選擇會(huì)影響這些問(wèn)題，并在計(jì)算代碼更新的時(shí)間和速度方面起到關(guān)鍵作用。