Per collegare una memoria flash esterna che consenta di ottenere vantaggi in termini di costi e scalabilità risolvendo allo stesso tempo le sfide ingegneristiche, Texas Instruments ha sviluppato la tecnologia di memoria OptiFlash.
Negli edifici adibiti ad uffici, negli stabilimenti produttivi e nelle automobili, il software sta sostituendo i componenti meccanici e i circuiti elettrici fissi al fine di migliorare le prestazioni.
Ad esempio, la sostituzione di una serratura meccanica con una serratura intelligente offre agli utenti il controllo operativo tramite un’app, mentre il produttore può migliorare o correggere la funzionalità della serratura tramite aggiornamenti software. Tuttavia, una sfida spesso dimenticata che questa tendenza comporta, è la maggiore necessità di memoria.
L’ansia da mancanza di memoria
Nei microcontrollori (MCU), che in genere integrano memoria flash, le dimensioni della memoria stanno crescendo rapidamente. Al di là delle semplici tendenze macro, ci sono alcune tendenze specifiche negli MCU che stanno portando a requisiti flash ancora più ampi, tra cui una maggiore larghezza di banda di calcolo, integrazione di funzioni e inclusione di ulteriori stack di comunicazione di grandi dimensioni. Questi requisiti raddoppiano automaticamente quando sono necessari aggiornamenti via etere, poiché è necessario archiviare sia l’immagine primaria che quella di backup.
La pressione per avere più memoria sta dando a molti progettisti una sorta di “ansia da memoria”, ovvero preoccupazione di esaurire la memoria disponibile sul chip. Inoltre, questa rapida crescita dei requisiti di memoria non è sostenibile sia in termini di scalabilità che di costi.
Un modo per affrontare queste preoccupazioni è attraverso una soluzione MCU flash esterna.
I vantaggi di una memoria flash esterna
La separazione tra MCU e memoria flash consente la creazione di un sistema più scalabile ed economico. Per motivi di scalabilità, i microcontrollori con flash embedded potrebbero richiedere il passaggio a un dispositivo completamente diverso per l’aggiornamento e per avere più memoria. Dal punto di vista dei costi, man mano che i requisiti prestazionali aumentano e gli MCU vengono prodotti in nodi di processo inferiori, la flash semplicemente non si ridimensiona come un tipico processo CMOS a causa dei suoi componenti analogici come, ad esempio, la pompa di carica.
La difficoltà di scalare con nodi di processo più piccoli comporta il pagamento di un sovrapprezzo per gli MCU flash embedded, soprattutto per dimensioni di memoria più grandi (fino a 2 dollari in più per 16 MB rispetto ad una memoria flash esterna). Tuttavia, l’eliminazione della memoria flash dall’MCU comporta anche sfide di progettazione, in particolare per quanto riguarda prestazioni, sicurezza e sicurezza funzionale.
Per ottenere una memoria flash esterna che consenta di ottenere vantaggi in termini di costi e scalabilità risolvendo allo stesso tempo le sfide ingegneristiche, Texas Instruments ha sviluppato la tecnologia di memoria OptiFlash.
La Figura 1 mostra un diagramma semplificato dell’architettura della tecnologia OptiFlash sull’MCU TI AM263P4-Q1.
Cos’è la tecnologia OptiFlash?
La tecnologia OptiFlash è una combinazione di strumenti software e controller di memoria con accelerazione hardware. Per affrontare le sfide prestazionali, l’MCU AM263P4-Q1 è dotato di un’interfaccia Octal Serial Peripheral Interface (OSPI) ad elevata larghezza di banda e basso numero di pin per la memoria flash esterna.
Questa interfaccia può funzionare con una doppia velocità dati fino a 133 MHz con otto corsie dati. Una cache flash integrata nell’interfaccia esterna funge da controller per le istruzioni flash, collocando le istruzioni memorizzate nella cache nella RAM su chip. La sola memorizzazione nella cache Flash può migliorare le prestazioni di eXecute-in-place (XIP) fino all’80%, a seconda della struttura del codice.
Un’altra sfida comune in termini di prestazioni con la memoria flash esterna è il tempo di avvio. Con un acceleratore di avvio hardware, la tecnologia OptiFlash parallelizza parti del processo di avvio, producendo veloci messaggi iniziali Controller Area Network da 56 ms o 118 ms fino alla piena funzionalità, a seconda delle dimensioni dell’immagine. Oltre agli acceleratori hardware, la tecnologia OptiFlash include anche strumenti di analisi del codice che consentono il posizionamento intelligente e che profilano il codice dell’applicazione e consigliano sul migliore posizionamento del codice in memoria, RAM o flash, a seconda della frequenza di lavoro.
La sicurezza in primo piano
L’inclusione di OptiFlash in dispositivi progettati per contribuire a raggiungere i livelli di integrità della sicurezza automobilistica (ASIL) fino a ASIL D e la sicurezza informatica fino a E-Safety Vehicle Intrusion Protected Applications (EVITA) Hardware Security Module (HSM) Full richiede la considerazione delle caratteristiche di sicurezza e protezione funzionale per abilitare la memoria esterna.
Per garantire l’integrità durante il trasferimento dei dati, Texas Instruments ha implementato nell’hardware codici di correzione degli errori in linea per rilevare e correggere gli errori di trasmissione. Per motivi di sicurezza, poiché la flash è esterna, gli aggressori potrebbero teoricamente sondare le linee dati e leggere il codice eseguito tramite un attacco man-in-the-middle.
La crittografia del codice e dei dati sulla flash esterna mitiga questa possibilità, poiché tutti i dati “ascoltati” sulla linea vengono crittografati. Ma poiché stiamo eseguendo un’operazione su flash in-place, OptiFlash include un blocco di autenticazione e crittografia on-the-fly per eseguire funzioni di sicurezza nell’hardware, senza alcun intervento da parte dell’utente.
Quando si combinano questi acceleratori hardware con una grande RAM su chip (3,5 MB nell’AM263P4-Q1), le prestazioni totali sono vicine all’esecuzione diretta da RAM su chip. I dati di benchmarking di Texas Instruments hanno dimostrato che con la tecnologia OptiFlash, il degrado delle prestazioni XIP è pari solo al 10% in più di cicli CPU, rispetto all’esecuzione della RAM su chip.
Conclusione
Poiché i requisiti di memoria aumentano con le architetture definite da software, la tecnologia di memoria OptiFlash offre un cambio di paradigma nelle architetture di memoria per consentire la scalabilità e l’economicità di una flash esterna. Ciò consente sistemi più ricchi di funzionalità come, ad esempio, la possibilità di ottenere aggiornamenti software dei veicoli via etere o abilitare sistemi più complessi con reti che richiedono più spazio per grandi stack di comunicazione. Consentendo un’archiviazione di memoria più scalabile ed economicamente vantaggiosa, la tecnologia di memoria OptiFlash aiuta a ridurre le barriere nel percorso verso le tendenze emergenti nel settore automobilistico.
Sean Murphy è Product Marketing Engineer presso Texas Instruments.
