OptiFlash存储器技术如何利用外部闪存应对软件定义系统中的挑战
来源：德州仪器
在写字楼、工厂车间和汽车中，软件正逐步取代机械部件和固定电路。例如，使用智能锁取代机械锁后，用户可以通过手机应用程序对智能锁进行控制，同时制造商可通过软件更新、改进或校正智能锁的功能。在这种趋势下，人们对存储器的要求不断提高，这一挑战不容忽视。
在常嵌入闪存存储器的微控制器 (mcu) 中，存储器的容量也在快速增加。除了宏观趋势外，mcu 中的一些特定发展趋势（包括更高的计算带宽、功能集成以及包含额外的大型通信栈）也决定了需要更大容量的闪存。当出现无线更新的需求时，由于原始图像和备份图像都需要存储，上述的这些需求自然会加倍。
面对存储器容量增加的压力，许多设计人员产生了“存储器焦虑”：担心片上存储器不够用。而且从可扩展性和成本而言，人们对存储器需求的快速增长都是不可持续的。
解决上述问题的一种方法是，使用外部闪存 mcu 解决方案。
将 mcu 与闪存技术分开，可创建更具可扩展性和成本效益的系统。在可扩展性方面，嵌入式闪存 mcu 需要转换到完全不同的器件来升级到更大容量的存储器。在成本方面，随着性能要求提高和 mcu 制造的工艺节点减少，由于闪存具有电荷泵等模拟器件，闪存根本无法像典型的数字互补金属氧化物半导体 (cmos) 工艺一样减少工艺节点。因为难以减少工艺节点，嵌入式闪存 mcu 会产生附加成本，存储器容量较大时尤为如此。然而，从 mcu 中移除闪存存储器也会带来设计挑战，尤其是在性能、信息安全和功能安全方面。为了设计外部闪存存储器来实现成本节约和可扩展性优势并攻克工程挑战，德州仪器 (ti) 开发了 optiflash 存储器技术。图 1 展示了 ti am263p4-q1 mcu 上 optiflash 技术架构的简图。
图 1：am263p4-q1 mcu 上的 optiflash 存储器技术展示
什么是 optiflash 技术？
optiflash 技术是硬件存储器控制器加速器和软件工具的组合。为应对性能挑战，am263p4-q1 mcu 针对外部闪存集成电路采用了高带宽、低引脚数、八通道串行外设接口。该接口具有八个数据通道，运行速率可以高达 133mhz 双倍数据速率，同时还添加了闪存高速缓存作为闪存指令控制器，将高速缓存的指令放置于片上 ram。仅闪存快速缓存功能便可将就地执行 (xip) 性能提高达 80%，具体取决于代码结构。
外部闪存另一个常见的性能挑战是响应时间。借助硬件加速器，optiflash 技术可并行处理响应过程的多个部分，从而使初始控制器局域网报文最快可达56ms或118ms（直至完全正常运行），具体取决于映像大小。除了硬件加速器，optiflash 技术还包含了静态代码分析工具，如智能分配工具（可分析应用程序代码，并推荐在紧耦合存储器、ram 或闪存中的代码分配，具体取决于执行频率）。
为帮助实现高达 asil d 的汽车安全完整性等级 (asil) 和高达电子安全车辆入侵保护应用 (evita) 硬件安全模块 (hsm) 完整级的网络安全，器件采用 optiflash 技术时需要考虑启用外部闪存时的功能安全和信息安全特性。为确保数据传输中的完整性，德州仪器在硬件中实施了内联纠错码，用于检测和校正传输错误。在安全性方面，由于采用的是外部闪存，从理论上来讲，攻击者会探测数据线，并通过中间人攻击方法读取正在执行的代码。通常来说，因为在数据线上“监听”的任何数据都是经过加密的，在外部闪存上对代码和数据加密即可降低上述可能性。但由于我们通过闪存就地执行，optiflash 包含了一个动态身份验证和加密块，便可在硬件中执行安全功能，无需用户任何操作。
将这些性能加速器与大容量片上 ram（am263p4-q1 中为 3.5mb）组合使用时，几乎可直接通过片上 ram 执行总体性能。德州仪器基准测试数据表明，借助 ti optiflash 技术，与片上 ram 执行相比，xip 性能降级的 cpu 周期低至多 10% 。
结语
随着软件定义架构的存储器需求不断提高，optiflash 存储器技术转变了存储器架构范式，可实现外部闪存的可扩展性和成本效益。这将帮助更多系统实现丰富的功能，例如，通过无线更新对汽车进行关键软件更新，或通过联网使需要更多空间用于较大通信栈的系统更加互联。通过实现更具可扩展性和成本效益的存储器存储，optiflash 存储器技术可为汽车行业向诸多新兴趋势的发展清理障碍。
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面对存储器容量增加的压力，许多设计人员产生了“存储器焦虑”：担心片上存储器不够用。而且从可扩展性和成本而言，人们对存储器需求的快速增长都是不可持续的。
解决上述问题的一种方法是，使用外部闪存 mcu 解决方案。
将 mcu 与闪存技术分开，可创建更具可扩展性和成本效益的系统。在可扩展性方面，嵌入式闪存 mcu 需要转换到完全不同的器件来升级到更大容量的存储器。在成本方面，随着性能要求提高和 mcu 制造的工艺节点减少，由于闪存具有电荷泵等模拟器件，闪存根本无法像典型的数字互补金属氧化物半导体 (cmos) 工艺一样减少工艺节点。因为难以减少工艺节点，嵌入式闪存 mcu 会产生附加成本，存储器容量较大时尤为如此。然而，从 mcu 中移除闪存存储器也会带来设计挑战，尤其是在性能、信息安全和功能安全方面。为了设计外部闪存存储器来实现成本节约和可扩展性优势并攻克工程挑战，德州仪器 (ti) 开发了 optiflash 存储器技术。图 1 展示了 ti am263p4-q1 mcu 上 optiflash 技术架构的简图。
图 1：am263p4-q1 mcu 上的 optiflash 存储器技术展示
什么是 optiflash 技术？
optiflash 技术是硬件存储器控制器加速器和软件工具的组合。为应对性能挑战，am263p4-q1 mcu 针对外部闪存集成电路采用了高带宽、低引脚数、八通道串行外设接口。该接口具有八个数据通道，运行速率可以高达 133mhz 双倍数据速率，同时还添加了闪存高速缓存作为闪存指令控制器，将高速缓存的指令放置于片上 ram。仅闪存快速缓存功能便可将就地执行 (xip) 性能提高达 80%，具体取决于代码结构。
外部闪存另一个常见的性能挑战是响应时间。借助硬件加速器，optiflash 技术可并行处理响应过程的多个部分，从而使初始控制器局域网报文最快可达56ms或118ms（直至完全正常运行），具体取决于映像大小。除了硬件加速器，optiflash 技术还包含了静态代码分析工具，如智能分配工具（可分析应用程序代码，并推荐在紧耦合存储器、ram 或闪存中的代码分配，具体取决于执行频率）。
为帮助实现高达 asil d 的汽车安全完整性等级 (asil) 和高达电子安全车辆入侵保护应用 (evita) 硬件安全模块 (hsm) 完整级的网络安全，器件采用 optiflash 技术时需要考虑启用外部闪存时的功能安全和信息安全特性。为确保数据传输中的完整性，德州仪器在硬件中实施了内联纠错码，用于检测和校正传输错误。在安全性方面，由于采用的是外部闪存，从理论上来讲，攻击者会探测数据线，并通过中间人攻击方法读取正在执行的代码。通常来说，因为在数据线上“监听”的任何数据都是经过加密的，在外部闪存上对代码和数据加密即可降低上述可能性。但由于我们通过闪存就地执行，optiflash 包含了一个动态身份验证和加密块，便可在硬件中执行安全功能，无需用户任何操作。
将这些性能加速器与大容量片上 ram（am263p4-q1 中为 3.5mb）组合使用时，几乎可直接通过片上 ram 执行总体性能。德州仪器基准测试数据表明，借助 ti optiflash 技术，与片上 ram 执行相比，xip 性能降级的 cpu 周期低至多 10% 。
结语
随着软件定义架构的存储器需求不断提高，optiflash 存储器技术转变了存储器架构范式，可实现外部闪存的可扩展性和成本效益。这将帮助更多系统实现丰富的功能，例如，通过无线更新对汽车进行关键软件更新，或通过联网使需要更多空间用于较大通信栈的系统更加互联。通过实现更具可扩展性和成本效益的存储器存储，optiflash 存储器技术可为汽车行业向诸多新兴趋势的发展清理障碍。
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