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    汽車ADAS/儀表盤/HVAC/信息娛樂系統對非易失性存儲器的要求

    2019-02-18 16:58:02 來源:網絡
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    汽車系統的設計變得越來越復雜,因為要不斷的加入新的功能,如高級駕駛輔助,圖形儀表,車身控制和車輛信息娛樂系統。為了確保可靠、安全的操作,每個子系統均需要使用特定的非易失性存儲器,以便在復位操作和電源切換期間存儲信息。非易失性存儲器用于存儲可執行代碼或常量數據、校準數據、安全性能和防護安全相關信息等重要數據,以作將來檢索用途。

     

    目前市場上主要包含這幾種不同類型的非易失性存儲器,如NOR 閃存、NAND 閃存、EEPROM(可擦除的可編程只讀存儲器)、FRAM(鐵電存儲器),MRAM(磁性 RAM)和 NVSRAM(非易失性靜態存儲器)等。每種類型存儲器在不同性能指標下具有各自的優勢和劣勢:存儲器密度、讀寫帶寬、接口頻率、耐久性、數據保存、不同電源模式下的電流消耗(開機、待機/睡眠、休眠)、預備時間、對外部電磁干擾的敏感度等。


    為了了解最新汽車系統對非易失性存儲器的真正需求,工程師需要考慮現實生活中的使用實例:

     

    •啟動汽車后,駕駛員是否愿意花幾分鐘等待儀表盤、里程表以及燃油量圖形都正常顯示?

     

    •駕駛員調節了座椅位置、方向盤位置、溫度設置以及收音機頻道,但由于某些原因不得不馬上關掉發動機。如果上述子系統未能保存汽車熄火前的設置,那么駕駛員需要重新再來一遍,豈不是非常麻煩?

     

    •盡管汽車安裝了 ADAS 安全系統,但作為一輛交通工具,事故仍有可能發生。你能否向保險調研團隊提供所需的數據,例如事故發生前幾秒不同傳感器的狀態?

     

    舉例ADAS系統來說,從特定的傳感器采集并存儲實時數據到非易失性存儲器是非常重要的。同樣地對于汽車娛樂系統,在系統掉電的同時能存儲系統設置信息也是非常重要。GIS和信息娛樂系統都有高清圖形顯示不僅需要存儲與讀取啟動程序還需要存儲與讀取非常大的配置從外部的非易失性存儲器。

     

    除了滿足應用的需求,非易失性存儲器還需確保足夠的讀寫次數來記錄至少 20 年數據。此外,為了達到汽車級認證和資格,所有子系統應采用符合 AEC-Q100 標準的存儲器組件。同時,功能性安全性能符合ISO 26262標準是另外一個要求在這種高安全性要求的系統。

     

    ADAS 存儲器要求

    ADAS 系統主要設計自動操作/自動調整/增強汽車系統以實現更安全、舒適的駕駛體驗。安全性功能主要用于避免事故發生通過提醒駕駛員潛在的問題,或通過實施保護措施和接管控制汽車來避免碰撞。自適應功能包括可以自動照明、提供自適應巡航控制、自動剎車、結合 GPS/交通警告、連接到智能手機、提醒駕駛者有其他車輛或者危險狀況、保持司機在正確的車道行駛以及顯示駕駛員的盲點。

     

    圖 1. ADAS 系統框圖(來源:賽普拉斯)

    圖 1 為 ADAS 系統如何利用 FRAM 和 NOR 閃存的簡化框圖。外部 NOR 閃存通常用于存儲啟動代碼。然而,ADAS 系統中的各種傳感器通過 CAN(控制器局域網)接口定期向 MCU 發送數據。MCU 運行自適應算法,檢查是否可能碰撞或已經發生碰撞。處理算法的運行時間變量和傳感器的當前狀態則存儲在 MCU 的存儲器中。

     

    當算法檢測到事故時,安全氣囊控制模塊即時啟動備用電源并打開安全氣囊,確保在事故期間斷電也能部署應對。事故發生時的傳感器狀態也應立即存儲到非易失性存儲器以作數據記錄。這些數據可以有效地幫助了解事故原因,促使汽車制造商生產更加先進的安全系統,同時輔助保險公司判斷索賠是否有效。

     

    行車記錄儀 (EDR) 是用于記錄事故發生前各個重要子系統數據的系統。可以安裝在 ADAS 主控單元,或者安裝在另一個接收重要傳感器數據并與 ADAS MCU 進行通信的 MCU 中。如今,工程師可以使用多核設備為 EDR 功能提供一個專用的完整 CPU 核,例如賽普拉斯的 Traveo™ 汽車用微控制器。

     

    EDR 通過測量汽車前部壓力傳感器的撞擊力、車速、發動機轉速、轉向輸入、油門位置、制動狀態、安全帶狀態(檢測乘客)、輪胎氣壓、警告信號以及安全氣囊打開狀態,從而判斷碰撞嚴重程度。并且在汽車碰撞前和碰撞期間記錄以上數據。顯然,微控制器不能等到事故發生才開始記錄數據。因此,微控制器需要連續存儲數據。所以,EDR 需要一個具有幾乎無限寫次數的非易失性存儲器。

     

    FRAM 存儲器比 ADAS 的傳統 EEPROM 擁有更多優勢。無需寫等待時,幾乎可以實時存儲重要數據(實際10us 存儲時間),這一點對 ADAS 來說至關重要。EEPROM 通常需要超過 10 毫秒的寫等待時間,因此不適用于高安全性應用。FRAM 同時具備無寫延遲和高速時鐘速度,非常適合需要快速寫入大量數據的應用。使用 SPI 時,設計師可以自由決定 FRAM 的寫入字節數。把一個或兩個字節寫入 FRAM 的隨機位置時,寫入周期約為 1 微秒。反觀 EEPROM 或閃存,則需要 5 - 10 毫秒的寫入周期。

     

    與 EEPROM 或閃存不一樣的是,FRAM 無需頁面緩沖區。在接收每個字節的第 8 位之后,FRAM 立即寫入每個數據字節。這意味著,系統存儲器密度增長時,工程師不必擔心頁面緩沖區大小的變化。

     

    就寫入耐久性而言,FRAM 可以支持100億次寫操作,遠遠超過 EEPROM 的 100萬次以及閃存 的10萬次。因此,FRAM 可以用作追蹤數據記錄器,可以不斷寫入數據。此外,FRAM 的寫入和讀取的消耗功率非常低(例如,1 Mhz 時為 300 微安),因此非常適用于事故引起斷電時需要使用低功率備用電源或通過電容寫入數據的 ADAS。與其他非易失性存儲器相比,FRAM 的待機電流也低得多(通常為 100 微安)。

     

    汽車儀表盤對存儲器的要求

    儀表盤系統以數字形式在圖形顯示器上顯示速度、轉速、燃油油位和發動機溫度等重要信息,或者使用步進電機控制的模擬形式顯示。此外,儀表盤系統還可以顯示電池警告、溫度警告、低油壓警告、制動警告、安全帶狀態標識、低胎壓標識、門鎖標識、車頭燈標識、換檔指示、手剎狀態指示,以及車內和室外溫度、里程表讀數等。

     

    最新的儀表盤系統還包括平視顯示器 (HUD)。平視顯示器是一種光學系統,可以將駕駛信息投射在汽車的擋風玻璃上。使用平視顯示器,駕駛員可以方便地查看重要的駕駛信息,同時讓目光保持關注前方的交通狀況。由此可以降低因目光離開道路而帶來的潛在風險,并為駕駛員提供額外時間以識別危險因素并作出反應。平視顯示器可以顯示速度、導航和其他重要警示符號。

     

    圖 2.儀表盤系統框圖(來源:賽普拉斯)

    圖 2 顯示了圍繞 HyperRAM 和 HyperFlash(連接 HyperBus 接口)以及 NOR 閃存(連接 DDR-HSSPI 接口)安裝的儀表盤簡化框圖。儀表盤 MCU 可以通過 CAN-FD、CXPI(時鐘擴展外設接口)、以太網 AVB、MediaLB(媒體本地總線)/MOST(媒體定向系統傳輸)等不同的通信協議連接其他子系統,從而收集信息并顯示于儀表盤。

     

    儀表盤系統啟動后,安全引擎立即檢驗固件的真偽性。隨后,通過 HyperBus 接口從外部 HyperFlash 或通過 DDR 轉換 DDR-HSSPI 接口從 NOR 閃存執行 XiP,MCU 軟件開始執行。XiP 功能允許 MCU 直接從外部存儲器執行代碼,而不需要先把外部閃存的代碼復制到內部 RAM,從而提高了響應速度。NOR 閃存/ HyperFlash 存儲器可配置程序代碼的初始地址位置,并在指定的時鐘延遲后以讀取模式啟動。因此,MCU 一啟動就可以直接獲取需要執行的代碼,無需因為提供地址和讀取命令而延遲時間。

     

    可從外部 HyperFlash 獲取靜態元素,并將其顯示為儀表盤 LCD 的基礎層。汽車用 MCU,例如賽普拉斯 Traveo™ 系列,可以提供額外的功能支持,即時解壓縮靜態 HMI 元素,無需首先通過 RAM。儀表盤針頭信息等動態內容具備更快的更新速度,可以從外部 HyperRAM 進行檢索。

     

    HVAC 和信息娛樂系統對存儲器的要求

    HVAC(暖氣、通風和空調)系統負責控制維持車內溫度和空氣流動。信息娛樂系統可以運行與智能手機類似的各種應用程序,并提供用戶界面以更改 HVAC 系統配置、音樂系統設置、在導航應用輸入目的地、調整座椅/方向盤位置/高度以及調節車內照明等。部分最新的汽車還加入了指紋識別器來驗證駕駛者身份。從而允許 HVAC 和信息娛樂系統根據駕駛員的偏好快速調節車內設置。

     

    圖 3.HVAC 和信息娛樂系統框圖(來源:賽普拉斯)

    圖 3 顯示了 HVAC 和信息娛樂系統的簡化框圖,所有存儲器與主 MCU 連接。三個額外子系統與儀表盤系統比較:

     

    •觸屏控制器,用于檢測顯示器上的手指觸摸

     

    •暖氣機/空調,控制車內溫度

     

    •連接子系統,實現車內多項連接(藍牙、GPS、WiFi、GSM、FM 調諧器等)

     

    HyperFlash 和 HyperRAM 存儲器用于存儲高質量圖形。NOR 閃存則用于存儲啟動代碼,而 FRAM 用于存儲設置信息。因此,即使汽車熄火后再立即啟動,也可以正確地檢索并恢復汽車設置。

     

    存儲器接口

    上文已經討論了不同汽車領域對非易失性存儲器的要求,接下來了解這些存儲器與 MCU 之間不同的接口機制。

     

    所有帶有 SPI 接口的 MCU 都可以便捷地連接 NOR 閃存。NOR 閃存設備,例如賽普拉斯的 S25FL256L,為 SPI 提供了多個 I/O 讀入選擇,可支持雙倍數據速率 (DDR) 以及四倍外設接口 (QPI) 連接。可以在同一總線上連接多個閃存,并使用片選 (CS) 信號進行單獨訪問。

     

    圖 4.連接四通道 SPI 的 NOR 閃存接口(來源:賽普拉斯)

    圖 4 顯示了 MCU 和 NOR 閃存之間的硬件連接。MCU 可使用低層驅動器 (LLD) 軟件讀取、編程和擦除 NOR 閃存。經過優化的設計架構有效加快了訪問時間并提高了程序運行速度。同時,NOR 閃存使用的內部技術決定了存儲器的密度。NOR 閃存采用傳統浮柵技術,在導電層上,每個存儲單元可以存儲 1 個數據位。基于 MirrorBit 技術絕緣層構建的 NOR 閃存,每個存儲單元可存儲 2 個數據位,從而提供更低成本的 256 Mb 或更大密度的存儲結構。

    圖 5.連接 SPI 的 F RAM 存儲器接口(來源:賽普拉斯)

    圖 5 顯示如何使用簡單的 SPI 接口來訪問 FRAM。對于有高速串行數據速率需求的基于微控制器的系統,SPI 接口是理想的選擇。串行數據吞吐量與串行時鐘頻率相關。串行 FRAM 的時鐘頻率可高達 40 Mhz。不具備專用 SPI 端口的微控制器可以通過 GPIO 來實現“bit bang”(通過GPIO引腳,用軟件來模擬串行通信)。

     

    可以通過 HyperBus 12 信號接口訪問 HyperFlash 和 HyperRAM。與 Quad-SPI (66.5 Mbps) 相比,HyperBus 可提供高達 333 Mbps 的讀取吞吐量,而所需引腳數量僅為并行 NOR 閃存的三分之一。該接口使用了差分時鐘 (CK,CK#)、 讀寫數據選通 (RWDS)、片選以及 8 位數據總線。

    圖 6:存儲器與外設之間的 HyperBus 接口(來源:賽普拉斯)

    數據的完整性和安全性

    數據的完整性和安全性是選擇汽車應用存儲器的兩個重要因素。本文介紹的存儲器提供了各種功能來提高數據的完整性和安全性。例如,高級扇區保護 (ASP) 技術為鎖定扇區提供更高的分辨率以及不同的上電復位,并有助于運行安全的啟動代碼。在基礎層面上來看,ASP 技術的原理很簡單。可以鎖定任一扇區,防止編程和刪除。鎖定扇區的 ASP 模式有兩種:分別為持久保護位 (PPB) 和動態保護位 (DYB) 保護。除了塊保護 (BP) 和/或 WP# 引腳硬件保護,還可以一并使用以上兩種模式。

     

    自動糾錯碼 (ECC) 功能可以在標準編程、擦除和讀取運作時透明地運行。當設備將每頁數據從寫入緩沖器傳送到存儲陣列時,內部 ECC 邏輯將評估頁面的 ECC 代碼作為存儲陣列的一部分,而該存儲對主機系統是不可見的。每次訪問初始頁面時,設備將評估頁面數據和 ECC 代碼,以驗證頁面的完整性。必要時,內部 ECC 邏輯會在初始訪問時糾正 1 位錯誤。

     

    NOR 閃存還提供額外的閃存存儲區,可以進行一次編程并受到永久保護,不能更改。以賽普拉斯的 FL-S NOR 閃存系列為例,該一次性可編程 (OTP) 擁有 1K 保護區域,包含 512 字節出廠保護鎖區和 512 字節用戶保護鎖區。

     

    總結

    如今的汽車系統需要多樣的存儲器類型,提供不同等級的可靠性、響應能力和吞吐量,以滿足不同汽車子系統中的個性化需求。通過選擇合適的存儲器組合,工程師能夠確保汽車的可靠和安全操作,同時還能滿足駕駛員對汽車響應能力的期望。

     
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