NOR闪存技术如何让FOTA升级更加可靠

shuszhao

FOTA升级非常适于偏远区域或需要持续升级的应用，包括无线基础设施、智能工厂和联网汽车。典型的系统包含通过非易失性存储器来启动和配置的处理器。由于系统连接性不断增强，可编程芯片架构不断发展，非易失性存储器更加可靠、安全和稳定，使无缝FOTA升级成为现实——这些趋势和行业变革正在加速FOTA应用的发展势头。

“固件无线升级”（FOTA升级）用于远程修复错误并改进系统，包括推出新的功能和服务。FOTA升级非常适于偏远区域或需要持续升级的应用，包括无线基础设施、智能工厂和联网汽车。典型的系统包含通过非易失性存储器来启动和配置的处理器。由于系统连接性不断增强，可编程芯片架构不断发展，非易失性存储器更加可靠、安全和稳定，使无缝FOTA升级成为现实——这些趋势和行业变革正在加速FOTA应用的发展势头。

任务关键型系统要求


对于不允许在升级过程中出错的任务关键型应用，需要可靠的FOTA升级。因此，升级过程必须不受通信故障影响，且升级过程中几乎无需暂停系统。对于多数应用来说，将技术人员派到现场对系统进行重新编程从成本上不可行，且召回所有受影响车辆进行软件升级也令汽车厂商在经济上无法承受。种种原因让FOTA升级成为行业新宠。为了确保可靠性，必须在系统层面实现这一功能，且系统芯片必须具有可靠的FOTA功能。图1详细说明了FOTA技术的诸多优势。

                               
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图1：FOTA的优势（来源：赛普拉斯）

闪存器件普遍用于系统的软件/固件代码储存。FOTA程序的主要目的是升级闪存中的代码。当代主机装置通常只使用内部闪存或内外部闪存组合来存储数据和代码。然而，随着系统复杂度不断上升，现代半导体技术面临扩展和成本挑战，使得在主机微控制器中（MCU）嵌入闪存这一汽车和工业应用中常见做法变得愈加困难。嵌入式闪存很可能无法突破28纳米或22纳米的瓶颈。此外，外部闪存将成为必需，且主机将需具备仅通过外部闪存器件即可进行FOTA升级的能力。

FOTA升级方法


使用NOR闪存实施FOTA升级时，有几种方法供选择。第一种是无软件/固件备份下的FOTA升级。
在这一架构下，系统使用单个闪存器件或分区来存储应用软件。采用这种方法时，需在软件升级过程中暂停应用，原因是系统只能从闪存运行应用或升级软件。此类应用通常配置了具有基本功能和有限内存的主机MCU。
第二种FOTA升级方法通过软件/固件备份。这一方法运用更高端的MCU和附加闪存以避免升级过程中暂停系统的需要。在这一架构下，系统使用两个闪存器件或分区，其中一个闪存/分区运行应用，另一个同时进行升级。
第三种升级方法使用“黄金”软件/固件备份。采用这种FOTA升级方法时，系统会使用三个闪存器件或分区。通常情况下，其中一个分区（或晶粒）包含当前软件，另一个分区用于升级（或已经完成FOTA升级）代码，第三个分区用于存储软件的“黄金”副本（在当前软件和新软件损坏的情况下，系统可以恢复至该副本）。
表1总结了上述三种方法各自的优劣势。

                               
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表1：各类FOTA架构的优、劣势

NOR闪存，专为FOTA而生


NOR闪存器件日益先进，其创新性功能旨在实现可靠的FOTA升级，主要包括：
同步读/写操作
一些业内最先进的NOR闪存器件具有灵活的内存库（Bank）架构（即扇区组），可从一个内存库连续读取数据，同时在另一个存储体执行擦除/编程功能。这一功能被称为同步读/写操作，是FOTA升级过程的理想选择。擦除/编程操作期间可以读取任何空闲的内存库。器件允许主机系统在一个内存库中编程或擦除，然后立即从另一个内存库中同步读取，从而提升系统整体性能。这一功能可以防止系统因无限期等待编程或擦除操作的完成而出现暂停。
有的供应商还提供包含堆叠的NOR闪存器件（例如SPI NOR S70FL-S），支持晶粒之间的同步操作。某些应用需要更高密度的闪存来存储应用软件，这些器件支持与高密度闪存器件同步操作。系统可以执行与同步操作功能相同的升级程序序列，但此种情况下，系统读取或升级的是相应晶粒而非内存库。
图2中的波形图显示了NOR闪存器件中的软件升级顺序。它们可以确保内存库1或晶粒1的读取操作与内存库2或晶粒2的擦除/编程操作同步进行。

                               
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图2：采用同步操作的FOTA升级（来源：赛普拉斯）
编程/擦除 恢复/暂停
“编程/擦除 恢复/暂停”是NOR闪存的另一个重要功能，可大幅提升FOTA运行的可靠性。“编程/擦除 暂停”指令允许系统中断嵌入式编程/擦除操作，以便从暂停的非编程/擦除扇区读取数据。读取操作完成后，系统可以“恢复”，并继续执行编程/擦除操作。这一功能适用于不支持同步操作的单晶粒NOR闪存器件架构。此外，该功能还为正在运行的应用提供优先级，因此，系统无需暂停，软件升级过程可在空闲时间完成。图3演示了使用“擦除/编程 暂停/恢复”功能的FOTA方法。

                               
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图3：使用编程/擦除 暂停/恢复功能的FOTA升级（来源：赛普拉斯）

GUID磁盘分区表（GPT）方法
NOR闪存另一个增强可靠性的功能是采用“全局唯一标识符”（Globally Unique Identifiers -- GUID）磁盘分区表（Partition Table -- GPT），使用单个闪存器件执行FOTA操作。NOR闪存器件运用这一方法时，主机需要对闪存进行分区（如图4所示）。闪存器件的顶部和底部包含分区表（主分区表和辅分区表），用来描述如何对闪存进行划分和分区。当主分区表损坏时，将使用辅分区表。其余分区（扇区）将在两个应用之间进行划分。分区表对存储容量要求较低，因此，NOR闪存器件的顶部和底部较小的扇区架构是这类应用的一个优势。

                               
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图4：使用GUID分区表的FOTA升级（来源：赛普拉斯）

NOR闪存+RAM解决方案


另一种运用先进NOR闪存技术的FOTA升级方法，通常被称为“存储与下载”（SnD）或“影子”（shadowing）。使用这种方法时，系统在通电后即刻将NOR闪存数据复制到RAM器件。MCU将NOR闪存器件的数据复制并存储到RAM器件后，再从RAM器件读取应用所需软件，在闪存器件执行FOTA升级时可采用三种FOTA升级方法中的任一种。 RAM通常用于提供高速随机访问。但市场上的高性能NOR闪存器件具有“芯片内执行”（Execute-in-Place -- XiP）功能，可以执行等效操作。
NOR 闪存技术的诸多先进功能可实现稳定、快速、无缝且防断电的FOTA升级。任务关键型应用可以利用NOR闪存的先进功能（如高性能、高密度、多晶粒封装解决方案、同步操作、擦除/编程 暂停/恢复等）执行高度可靠的FOTA升级，同时节省主板空间、节约硬件和软件资源并降低总成本。赛普拉斯的Semper™ NOR闪存等器件为FOTA升级增添了一层功能安全性和可靠性，使系统性能得以进一步提升。如是，系统可以依托NOR闪存的高性能、扇区架构和卓越接口速度，直接从闪存器件读取应用软件，减少乃至消除对外部RAM的需求。

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第一种是无软件/固件备份下