嵌入式非易失性存储器在汽车系统中的应用

随着汽车逐渐发展成为高度集成的交通、信息和娱乐系统，其半导体成分不断增多。如今的汽车包含了数以十计的处理器、大量的传感器和各类控制、安全、舒适及通信系统。所有这些系统都需要非易失性存储。

　　车载系统的存储器有多种不同形式，其容量少则只有数百位，用于存储ID和传感器数据，多则高达数兆字节，用于保存复杂的固件程序。不同系统对非易失性存储器(NVM)的要求不同，但无一例外都希望它便宜、可靠、安全并易于在系统中实现。本文深入探讨了一些常见应用，阐述了它们所需要的存储器要求和特性。

　　固件存储

　　如今的汽车可谓是真正的个人汽车系统，其中包含了众多依赖MCU工作的电子子系统，如制动系统、电子稳定装置、巡航控制、发动机控制、电源管理和仪表板等。这些处理器需要总计数百万行的软件代码，而所有代码都必须存储在NVM中。目前存储这些代码的技术是与MCU相嵌在一起的闪存。

　　除了闪存，也可以选用一次性可编程(OTP）存储器，如用掩膜可配置ROM来存储代码。不过，这种方法缺乏现场可编程能力，此后就不可能对代码进行升级以修正问题或是增强系统的功能组合。现场可编程能力还让MCU制造商得以延长其车载产品的寿命，支持新的汽车款式。

　　MCU供应商已经转向采用嵌入式闪存来进行固件存储，因为嵌入式闪存现场可编程。但嵌入式闪存需要浮栅技术，这使得MCU芯片的制造成本增加了30-50%。此外，由于通过电压对比或其它扫描技术就可以读取代表着MCU厂商知识产权的闪存内容，闪存在固件存储方面还存在着安全隐患。

　　如果现场可编程OTP存储器外型小巧的话，通过在系统级将其设计为"数次可编程"，可以利用它来代替闪存以存储程序。MCU供应商能做的，就是除了存储现有程序代码的扇区外，还在OTP存储器中留出一个或多个未指定扇区。若需对某个程序代码模块进行升级，就把被升级的模块编程入一个未用存储扇区，让控制逻辑转而指向升级后的模块(见图1)。这种技术还可用于其它车载系统，如传感器校准和数字版权管理(DRM)密钥，本文稍后将对此进行探讨。

　　对于价格不贵而又性能可靠的嵌入式NVM而言，在嵌入式MCU中进行可编程固件存储是一个理想的应用领域。这种存储器价格必须非常低廉，不会增加任何额外的芯片制造成本。此外，它必须高度可靠，必须能够在汽车的高温工作环境中正常运行。



图1、MCU供应商在OTP存储器中预留未编程扇区，使得汽车制造商能够通过把升级内容下载到初始未编程扇区中来对MCU的程序模块进行升级。

　　传感器校准

　　如今汽车使用了许多并不昂贵的传感器，这些传感器可用于引擎控制、驾驶员辅助及安全装置和舒适性子系统，能够监控许多关键参数，如安全气囊准备就绪情况、轮胎气压、引擎温度、进气歧管压力、光亮度、电池和电气子系统电压、用于制动和转向控制的汽车定位，以及各种温度控制及其它舒适性配置。很多情况下，这些模拟传感器都被配置成压阻式桥网络，供汽车系统将物理参数转变为电气信号，以此测量压力、温度或湿度等模拟参数。

　　用于电子信号转换的物理参数通常是低电平、非线性的，且与温度密切相关。设计人员需要进行一些信号调节工作，以此放大和校准传感器信号在灵敏度、偏移和非线性度等方面的器件间随机变化，并让它不再受温度影响，从而为系统构建一个线性而精确的信号。在传感器校准方面，另一个问题是偏移或灵敏度这类参数因系统而异，需要对每个传感器和调节电路分别进行现场校准。

　　有几家车载半导体制造商在提供能够对桥式传感器进行放大、校准并做温度补偿的芯片。它们通常利用1个微控制器来数字式控制1个或多个DAC，把一组传感器校准系数编程到一个EEPROM(嵌入式或外部皆可)中，创建一个查找表(见图2)。



图2、采用EEPROM存储传感器校准系数的一种典型的可编程车载传感器调节装置。

　　不过，EEPOM这类存储器不太适合于汽车环境，因为工作温度过高会造成数据丢失或崩溃，这可能造成传感器模块不能被校准，而系统误认为信号是正确的。对于那些用于制动或转向的安规系统而言，这种校准=的缺失是无法接受的。虽然这些系统可采用某种EEPROM误差检查以及校准机制，但这又增加了系统的成本和复杂性。

　　因此，传感器校准可谓嵌入式NVM的又一个理想应用领域。嵌入式NVM带有信号放大和调节芯片，可对模拟传感器(MCU使用其输入)信号进行校准和调整。为了降低系统成本，这种存储器价格必须非常价廉，不增加任何额外的芯片制造成本。除了高可靠性和低成本之外，用于车载系统中模拟信号校准的NVM还必须能够在汽车的高温工作环境中正常运行。

　　数字版权管理

　　随着车载娱乐系统的发展，在汽车娱乐系统与外部信息源交换音频视频内容时，非易失性存储器需要支持数字版权管理(DRM)。这里使用的存储器必须价格不贵，更重要的是，必须高度安全，因为内容代表着其开发商宝贵的知识产权。

　　确保数字内容只被授权设备接收到的最常用方法是采用加密和解密密钥，并且只有授权设备知道正确的密钥值。密钥存储的成本必须价廉，而密钥安全性能应受到良好保护，这样才能保障嵌入式NVM的高度安全性。密钥可能必须予以更新，这就排除了使用ROM或嵌入式熔丝的可能性。闪存可以作为一项选择，但其安全性欠佳，又增加了成本，正如本文固件存储一节中所述，故娱乐系统、汽车及其它领先制造商转而考虑其它类型的嵌入式NVM。

　　由于汽车和外界信息源(比如家中的DVD播放机)之间需要进行内容交换，因此需要开发一种机制来实现内容的短距离无线传输。无线USB是业界倡导的一项标准，该标准今年上半年开始应用在设备领域。无线USB通信需要两项操作，即关联和构建安全性，此二项操作都要求安全通信密钥。关联是在两个无线设备之间建立可靠联系的一次性过程。这个过程的设计确保设备被授权进行通信，并可防止未授权的连接，或两个不相关设备间的意外连接。无线内容通信的安全性是指保护所传输数据的加密机制。同样是基于成本和安全目的，无线发射器和接收器需要安全的低成本嵌入式NVM来实现关联与安全操作电路。

　　车辆和零部件ID检测

　　最后，电子识别存储，如车辆ID(VID) 号码和手机及其它车载通信系统ID，是安全NVM大有用武之地的又一个领域。这些应用需要价廉的低位数OTP NVM，它易于初始编程，但极难更改。在不远的将来，汽车无疑将在其许多零部件上集成RFID标签，从而能够利用嵌入式OTP NVM实现ID的无线检测。

　　非易失性车载存储器的未来

　　上述例子表明了多种车载系统对价廉而又安全的嵌入式NVM的高度依赖。现有技术"ROM、闪存和EEPROM"广泛用于许多不同子系统，但它们各有其缺点。随着车载半导体集成水平的不断提高，新的NVM技术将为高位数和低位数应用提供价格低廉、高度可靠、适应汽车工作温度、更安全更灵活的数据和代码存储。

作者：Charles Ng Kilopass Technology公司