基于FRAM的MCU为低功耗应用提高安全性

使用支持快速信号及偏振状态的FRAM与使用闪存和 EEPROM 相比，可为敏感代码及数据提供强大保护。FRAM存储器块可采用不同类型的访问权限进行配置，进一步保护系统。只读针对诸如 LCD 使用的字体等常量，读写仅支持变量，而读取与执行仅适用于应用代码。访问权限的使用不仅可提高应用稳定性，防止存储器的无意识滥用，而且还可针对系统蓄意攻击提供保护。

此外，FRAM存储器管理还可通过 IP 包络提供另一层存储器安全，使开发人员不但可定义受保护的存储器分段，而且还可针对应用进行功能拆分。只有通过代码执行在相同包络分段内才能对受保护分段进行直接读写访问。这样，来自未保护分段的代码要访问包络分段的唯一途径就是调用受保护分段内的函数。具体而言，处理安全密钥及数据的代码可通过打包与其它应用隔离。这样，即便应用代码遭到某种毁坏，也不会暴露系统的安全部分。此外，外部 JTAG 访问不允许进入受保护分段。不过要特别注意的是，任何设计都必须包含安全门入口和多重检查等软件设置，以便传递这种安全标准。该实用硬件特性可产生更深远的意义，但不是万无一失的“傻瓜式”方案。

电源

采用无线连接的便携式应用在设计时需要考虑电源效率问题。例如，加密通道会由所使用的握手与认证过程大幅提升事务处理开销。例如该过程不但可延长无线电的工作时间，而且还可延长 CPU 的工作时间。在使用闪存或 EEPROM 等慢速存储器技术时，无线更新在超过 10 mA 的恒定电流下可以按秒计，这对电池的负面影响非常大。

集成型 AES 256 加密引擎的高效率有助于工程师推出功耗仅为此前所需能源十分之一的加密功能。此外，FRAM 更快的访问速度与更低的电源需求所消耗的功耗可比传输前加密格式记录数据的单位功耗减少约 250 倍。

更好地理解这些数字，需要考虑执行无线更新的低功耗器件。由于这些器件所需电源极少，因此要采用 EEPROM 或闪存的话，一次更新的功耗可能就高达电池使用寿命的一个月。而采用 FRAM 的同等系统将使用不足四分之一天的电池使用寿命。

图 4：TI MSP430FR59xxMCU采用 FRAM 存储器管理提供存储器保护及 IP 包络

此外，FRAM 的高效率还可影响到标准工作期间的电源与存储器使用效率。闪存和 EEPROM 必须在某一时刻为存储器擦除一个数据块并对其进行编程。因此，要改变单比特系统标识，就必须从闪存读取 256 字节的整个块，擦除该块并重新为其写回数据。利用 FRAM，开发人员可对全部存储器进行比特级访问。

最后，由于 EEPROM 与闪存的读取、擦除和写入序列，开发人员必须使用冗余存储器块对数据进行镜像，以确保潜在电源损耗过程中的数据完整性。可通过使用片上电容器，用 FRAM 提供写入操作担保，来确保有足够的电源完成当前写入工作。由于 FRAM 写入的极快速度与更低电流，电容器可以非常小，小得无需镜像便可集成在MCU上。

图 5：TI MSP430FR59xxMCU中的 FRAM 为无线固件升级提供电源管理优势

FRAM 更高的电源效率可用于支持更长的电池使用寿命。或者与 EEPROM 或闪存的使用相比，这些设备能够以更低的功耗存储更多的数据，因此开发人员可选择采用较大数据缓冲或事件日志。这可帮助设备在更低频率下进行检查，从而减少无线电或其它大功耗通信通道必须使用的频次。

结论

鉴于设备互联趋势的不断发展，在 MCU 中集成安全性正在成为一种常见需求。OEM 厂商可通过对器件预期工作范围以外的恶意行为进行阻止、检查并采取相应措施，防止数据暴露，避免应用代码被覆盖，为敏感数据的交换提供安全的通信通道等措施，来保护客户信息以及其自己的知识产权。

FRAM MCU 的高效率架构集成的硬件可在既不影响数据完整性或可靠性，又可降低功耗的情况下降低软件复杂性，简化安全系统设计。这样，我们就可在低成本下将低功耗应用的安全性提升到全新的高度。

作者简介

Jacob Borgeson 现任德州仪器 MSP430™ MCU 产品部 FRAM 产品市场营销经理，拥有5 年的微控制器和功耗优化经验。他此前撰写出版的文章涉及能量采集、低功耗趋势以及无线传感及个人医疗监护应用。Borgeson 毕业于德州理工大学 (Texas Tech University)，先后获电气工程学士学位与工商管理硕士学位。