在辦公大樓、工廠廠房和汽車中，軟體正逐步取代機械元件和固定電路，例如使用智慧鎖替換機械鎖，使用者可以透過應用程式進行各種操作控制，而製造商則可以透過軟體更新來改進或校正智慧鎖的功能。然而，這項趨勢有一個經常被忽略的挑戰，那就是對記憶體需求的增加。
微控制器 (MCU) 中通常嵌入快閃記憶體，而這些記憶體的容量正在快速成長。除了宏觀趨勢之外，MCU 中還有一些特定趨勢導致更大的快閃記憶體需求，包括更高的運算頻寬、功能整合，以及納入額外的大型通訊堆疊。需要無線更新時，這些要求還會自動加倍，因為主映像和備份映像都需要儲存。
這種需要更多記憶體的壓力為許多設計人員帶來了「記憶體焦慮」，擔心晶片上的記憶體會耗盡。記憶體需求的快速成長也讓可擴展性和成本面臨難以為繼的困境。
解決這些問題的一種方法是透過外部快閃記憶體 MCU 解決方案。
將 MCU 和快閃記憶體技術分開，就可以打造出更具可擴展性和符合成本效益的系統。在可擴展性方面，嵌入式快閃記憶體 MCU 可能需要更換為完全不同的裝置才能升級到更多記憶體。在成本方面，隨著性能要求的提高和 MCU 在較低製程節點中製造，快閃記憶體由於其類比元件 (如電荷泵) 而無法像典型的數位互補式金屬氧化物半導體 (CMOS) 工藝那樣縮小尺寸。由於難以透過較小的製程節點進行擴展，導致嵌入式快閃記憶體 MCU 的成本溢價，特別是對於較大的記憶體大小 (與外部快閃記憶體相比，16 MB 記憶體的成本高出 2 美元)。然而，從 MCU 中移除快閃記憶體也會帶來設計挑戰，特別是在性能、安全性和功能性安全方面。為了設計外部快閃記憶體以獲得成本和可擴展性優勢，同時解決工程挑戰，TI 開發了 OptiFlash 記憶體技術。
圖 1 顯示 TI AM263P4-Q1 MCU 上的 OptiFlash 技術架構的簡化圖。
圖 1：AM263P4-Q1MCU 上展示的 OptiFlash 記憶體技術
什麼是 OptiFlash 技術？
OptiFlash 技術是硬體記憶體控制器加速器和軟體工具的結合。為了應對性能挑戰，AM263P4-Q1 MCU 具有高頻寬、低針腳數的八通道序列周邊介面，可連接到外部快閃記憶體積體電路。此介面以高達 133MHz 雙資料速率運作，具有八個資料通道。擴增到外部介面的快閃記憶體快取充當快閃記憶體指令的控制器，將快取的指令放置到晶片內建的 RAM 中。僅快閃記憶體快取一項就能將就地執行 (XIP) 性能提高多達 80%，具體取決於程式碼結構。
外部快閃記憶體的另一個常見性能挑戰是啟動時間。透過硬體啟動加速器，OptiFlash 技術可以追平啟動過程的各個部分，初始控制器區域網路訊息只要 56 毫秒或 118 毫秒就能送出，然後就能完全正常運作，具體取決於映像大小。除了硬體加速器之外，OptiFlash 技術還包括靜態程式碼分析工具，例如智慧放置，它可以分析應用程式程式碼，並根據執行頻率建議將程式碼放置在緊密耦合的記憶體、RAM 或快閃記憶體中。
在裝置中引入 OptiFlash 技術，其目的是要協助實現汽車安全完整性等級 (ASIL) 最高 ASIL D 等級，以及電子安全車輛入侵保護應用 (EVITA) 硬體安全模組 (HSM) 完整等級的網路安全，在實現外部快閃記憶體功能時，必須考量功能性安全和資訊安全特性。為了確保資料傳輸期間的完整性，TI 在硬體中實現了內嵌錯誤校正碼，以便偵測並校正傳輸錯誤。在安全性方面，由於快閃記憶體為外部，理論上攻擊者可以透過中間人攻擊來探測資料線路並讀取正在執行的程式碼。對外部快閃記憶體上的程式碼和資料進行加密可以減少這種可能性，因為從線路上「監聽」到的任何資料皆已加密。但是，由於我們是從快閃記憶體就地執行，因此 OptiFlash 包括一個動態身分驗證和加密區塊，用於在硬體中執行安全功能，無需使用者進行任何操作。
當這些性能加速器與晶片內建的大型 RAM (AM263P4-Q1 中為 3.5MB) 結合時，總效能接近直接從晶片內建 RAM 執行。從 TI 的效能測試資料顯示，採用 OptiFlash 技術時，與晶片內建 RAM 執行相比，XIP 性能下降的 CPU 週期低至 10%。
結論
隨著軟體定義架構的記憶體需求規模不斷提高，OptiFlash 記憶體技術實現了記憶體架構的典範轉移，以實現外部快閃記憶體的可擴展性和成本效益。這將允許更多功能型的系統，例如能夠透過無線更新為您的車輛獲得重大軟體更新，或透過網路實現更緊密連網的系統，而這需要更多空間來容納相對較大的通訊堆疊。透過實現更具可擴展性和符合成本效益的記憶體儲存，OptiFlash 記憶體技術為汽車業減少許多新興趨勢所面臨的障礙。
