Чтобы обогнать конкурентов, производители внедряют инновационные решения и обеспечивают их функциональную гибкость для интеграции новых технологий. Разработчики должны создавать универсальную продукцию, отвечающую требованиям экосистемы интернета вещей, новым стандартам и нормативным требованиям.

Обновления встраиваемого программного обеспечения, или прошивок (firmware), не только обеспечивают соответствие требованиям на начальном этапе освоения интернета вещей на предприятиях заказчиков, но и новые функции, а также устранение любых проблем с прошивкой при ее эксплуатации. Устройства с энергонезависимой памятью, например NOR Flash, как правило, используются в качестве средств хранения микропрограммного кода благодаря их высокой надежности и возможности перепрограммирования. Производители могут легко обновлять функции устройств путем перезаписи части кода в энергонезависимой памяти. При этом следует учитывать три аспекта: размер обновляемого кода; частоту обновлений и затрачиваемое на них время.

Размер обновляемого кода

На начальном этапе проектирования IoT-устройства следует определить, какая часть кода будет обновляться, и ее размер. В отличие от необновляемой части, этот фрагмент встроенной программы должен храниться в отдельном месте флэш-памяти NOR. Обновление любого фрагмента этой памяти начинается со стирания, после чего осуществляется программирование. Флэш-память NOR состоит из секторов и блоков разного размера. Например, микросхема 64-Мбит флэш-памяти SST26VF064B, реализованная по технологии SuperFlash, состоит из однородных секторов по 4 Кбайт (32762 бит), информацию которых можно стирать и перепрограммировать в индивидуальном порядке. Размер одного блока этой памяти составляет 8, 32 и 64 Кбайт. Таким образом, один 8-Кбайт блок состоит из двух секторов, один 32-Кбайт блок – из восьми секторов, а 64-Кбайт блок – из 16 секторов.

Рис. 1. Организация ИС памяти SST26VF064B из 8-Кбайт блоков, двух 32-Кбайт блоков и 126 64-Кбайт блоков

На рисунке 1 показана структура ИС памяти SST26VF064B с блоками размером 8, 32 и 64 Кбайт. Каждый из них можно оснастить индивидуальной защитой. Перед обновлением какого-либо фрагмента флэш-памяти защита с этих блоков снимается, чтобы обеспечить стирание данных и программирование. Завершив обновление, необходимо снова установить защиту этих блоков во избежание непреднамеренной записи или стирания этих фрагментов. Сектора и блоки обновляемой части прошивки должны обеспечить достаточно хорошую гибкость для обновления до максимального количества функций. Поскольку скорость обновлений определяется числом секторов и блоков, которые требуется стереть и перепрограммировать, следует найти компромисс между скоростью и гибкостью при проектировании обновляемой части встраиваемого ПО.

Рис. 2. Структура памяти в необновляемых и обновляемых частях 

На рисунке 2 представлен пример организации обновляемой и необновляемой частей памяти. Необновляемые части, например загрузочный код, хранятся в защищенных областях запоминающего устройства. Обновляемые части микропрограммы, к которым относятся код с функциями, разделены на блоки, размеры которых определяются требованиями к гибкости. Обновляемые файлы изображений хранятся в блоках большего размера, а обновляемые переменные или параметры – в блоках сравнительно меньшего размера.

Частота обновлений

Главным ограничением частоты обновления прошивки является срок службы памяти в каждом конкретном случае. Срок службы памяти SST26VF064B, построенной с использованием технологии SuperFlash, составляет 100 тыс. циклов. Это значит, что каждый сектор можно программировать и стирать не более 100 тыс. раз. На первый взгляд, количество обновлений прошивки равное 100 тыс. представляется чересчур большим, но поскольку многие устройства интернета вещей собирают данные и хранят их во флэш-памяти NOR, это обстоятельство следует учитывать при выборе максимального количества рабочих циклов. Необходимо обеспечить такое количество секторов памяти, которое соответствует ее сроку службы.

Рассмотрим следующий пример. Предположим, что IoT-устройство собирает за один прием и хранит 16 байт информации. При этом ожидается, что за срок службы изделия эта операция повторится 100 млн раз. В таком случае количество секторов рассчитывается исходя из того, что размер одного сектора составляет 4 Кбайт.

Предположим, что в секторе все ячейки с адресами используются для хранения информации. За один раз поступают 16 байт данных, которые записываются в новую ячейку до тех пор, пока сектор полностью не заполнится (например, сначала заполнятся ячейки с адресом 0x0000-0x000F, затем 0x0010-0x001F, 0x0020-0x002F и т.д.).

В сектор памяти объемом 4 Кбайт данные размером 16 байт можно записать 4 Кбайт/16 байт = 256 раз, пока он не заполнится. Поскольку срок службы одного сектора составляет 100 тыс. циклов, одним сектором можно воспользоваться для сбора и хранения данных 25,6 млн раз.

Если приложению необходимо собрать данные и сохранить их 100 млн раз, потребуется 100 млн/25,6 млн = 3,9 сектора. Следовательно, в рассматриваемом примере необходимо задействовать четыре сектора для хранения 16 байтов в течение всего срока эксплуатации приложения.

Разработчики устройств интернета вещей осуществляют аналогичные расчеты, чтобы определить количество секторов и блоков для записи требуемого количества информации, учитывая при этом срок службы флэш-памяти NOR.

Скорость обновлений

Скорость обновлений рассчитывается исходя из числа блоков и секторов, которые необходимо стереть и перепрограммировать. Предположим, что требуется перепрограммировать код/данные прошивки объемом 1, 2 или 4 Мбит, которые хранятся в нескольких 64-Кбайт блоках ИС SST26VF064B. Код/данные могут состоять из кода прошивки, файлов изображения или другого кода, которые подлежат обновлениям. При обновлении флэш-памяти осуществляется определенная последовательность команд, которая начинается со снятия защиты с блоков памяти, их стирания и программирования с использованием обновленных данных или кода, после чего снова устанавливается защита. В таблице 1 перечислена последовательность команд при обновлении памяти ИС SST26VF064B объемом 1, 2 или 4 Мбит.

Из таблицы 1 видно, что наиболее значительное время требуется для стирания и программирования. ИС SST26VF064B использует технологию SuperFlash, которая обеспечивает высокую скорость стирания. В таблице 2 сравниваются значения времени стирания и программирования SuperFlash ИС и стандартной микросхемы флэш-памяти.

Намного большая скорость стирания памяти SuperFlash по сравнению со стандартной флэш-памятью позволяет значительно сократить время обновления. Максимальная тактовая частота ИС SST26VF064Bсоставляет 104 МГц, максимальное время стирания сектора – 25 мс, максимальное время стирания блока – 25 мс, а максимальное время программирования страницы – 1,5 мс.

Кроме того, требуется задержка 12 нс между последующими командами во флэш-памяти, работающей с тактовой частотой 104 МГц. Используя последовательность команд, перечисленных в таблице 1, наряду со значениями времени стирания и программирования, можно рассчитать время для обновления памяти SuperFlash объемом 1, 2 и 4 Мбит и стандартной памяти. Данные, приведенные в таблицах 3–4, позволяют оценить скорость выполнения обновлений с тем, чтобы минимизировать время простоя IoT-устройств.

Выводы

IoT-устройства должны обладать достаточной функциональной гибкостью, обеспечиваемой путем обновления кода прикладной программы и данных. При проектировании IoT-устройств необходимо решить такие вопросы как размеры обновляемого кода, частота обновлений и их скорость. Выбор энергонезависимой памяти играет важную роль в расчете временного режима и скорости обновлений кода.

Таблица 1. Последовательность команд при обновлении флэш-памяти объемом 1, 2 и 4 Мбит

Таблица 2. Время программирования и стирания ИС SST26VF064B и стандартной микросхемы флэш-памяти

Таблица 3. Количество времени для обновления памяти SuperFlash объемом 1, 2 и 4 Мбит

Таблица 4. Количество времени для обновления стандартной флэш-памяти объемом 1, 2 и 4 Мбит