如何用低成本ARM Cortex-M微控制器讓家電變得更安全

如果將數(shù)據(jù)損壞的機率與讀寫次數(shù)聯(lián)系在一起，該解決方案的數(shù)據(jù)損壞風險是比較高的。雖然逆向冗余存儲安全關(guān)鍵變量可降低風險，但同時也會擴大存儲器B類測試的容量。

從微控制器資源角度看，測試代碼占用ROM和RAM空間，以及CPU帶寬：除正常處理任務(wù)外，如果內(nèi)核臨時無法吸納測試負荷，就必須在家電運行關(guān)鍵階段終止測試。

最后，運行時RAM校驗會影響實時響應(yīng)性(可能延遲甚至暫停其它中斷處理程序)，并可能與低延時或緊急任務(wù)要求沖突。測試程序的代碼長度無法最小化：耗合故障測試對被測連續(xù)存儲地址的數(shù)量有下限要求。如果軟件必須管理地址解擾，使其符合存儲器物理布局，則復雜度更高。圖1所示是軟件如何在運行時處理部分RAM測試。

IEC60730標準另提供一個由硬件校驗位組成的解決方案。雖然這是一個標準的DRAM存儲器流程，但是很少用于通用微控制器。不過，先進的芯片制程節(jié)點使得該方法更具成本效益。

硬件測試解決方案的本質(zhì)是在每個存儲地址增加一個校驗位：存儲器每寫一次，計算一次校驗位，并將校驗位計算值與數(shù)據(jù)存儲在一起。當讀取數(shù)據(jù)時，同樣計算校驗值，然后與參考值對比，如圖2所示。如果數(shù)值不同，無論是數(shù)據(jù)損壞還是校驗位損壞，中斷或異常信號線都會置位。處理器內(nèi)核將使用一個專用安全中斷處理程序處理錯誤，并關(guān)閉家電的電源。第二步，內(nèi)核可能重啟應(yīng)用(熱復位)或停止家電運行，同時顯示檢修代碼。

該解決方案的優(yōu)勢十分明顯。B類RAM校驗變得完全透明：

· 不影響軟件開發(fā)方法

· 不必開發(fā)某一個微控制器廠商專用的測試程序，只需開發(fā)一個在任何情況下都會出現(xiàn)的全局故障處理函數(shù)

· 無需專用的RAM分區(qū)和鏈接腳本

· 不占用CPU帶寬(校驗不會增加存儲器讀操作延遲)

· 最優(yōu)的實時性能

最后一個優(yōu)勢是該解決方案在啟動時無需進行完整的RAM校驗，而且在上電復位后，寄偶校驗立即激活，因此降低了引導時間。

由于擁有高能效、靜音運行、高可靠性的特點，無刷電機被廣泛用于家電，但是需要復雜的控制算法和專用的PWM外設(shè)，需要特別注意故障防護和安全關(guān)機。因此，RAM校驗機制可提高可靠性和響應(yīng)性，不是用軟件管理安全關(guān)閉功能，而是直接向PWM外設(shè)發(fā)送校驗錯誤信號，自動觸發(fā)緊急停機功能，避免系統(tǒng)時鐘和軟件相關(guān)的延遲。圖3所示框圖描述了一個實用的解決方案。

還必須注意系統(tǒng)的其它關(guān)鍵參數(shù)。電源監(jiān)控系統(tǒng)可以設(shè)置電壓，如果Vdd 電壓降至預(yù)設(shè)電壓值，系統(tǒng)將發(fā)出一個中斷命令。同樣，時鐘安全系統(tǒng)檢查主時鐘運行是否正常，如果出現(xiàn)異常，則發(fā)出一個中斷命令。此外，當發(fā)生硬故障、在NMI處理程序內(nèi)部出現(xiàn)錯誤或者在引導過程中發(fā)生總線故障時，Cortex內(nèi)核進入鎖保護時態(tài)，在芯片級提供一個狀態(tài)顯示信號。這三個事件以及校驗值合并，產(chǎn)生一個內(nèi)部緊急關(guān)斷信號，信號本身與外部斷路(break)輸入進行或運算。

該標準還需要一個防失效時鐘電路。當晶振失效時，時鐘安全系統(tǒng)外設(shè)(CSS)可自動將主時鐘切換到內(nèi)部高速振蕩器，從而實現(xiàn)部分防失效功能。此外，還需要一個通過對比外部預(yù)計頻率與內(nèi)部頻率來監(jiān)視外部時鐘的方法。實時時鐘定時器可由LSI (內(nèi)部低速)阻容振蕩器驅(qū)動，以便精確地測量主系統(tǒng)時鐘，發(fā)現(xiàn)晶體副諧波引起的50%的變化。在系統(tǒng)級，這可節(jié)省50/60Hz電網(wǎng)過零檢測電路的成本。

該標準提出一個獨立的時隙監(jiān)視方案，防止CPU在程序計數(shù)器故障時失控，這是看門狗定時器的職責，多數(shù)微控制器均內(nèi)置看門狗。但是，標準規(guī)定看門狗必須完全獨立。因此，意法半導體的32位Cortex-M STM32系列微控制器有兩個看門狗：第一個窗口看門狗使用主時鐘;第二個看門狗使用獨立的內(nèi)部振蕩器，通過閃存內(nèi)的選項字節(jié)啟動。這種設(shè)計可確保在晶體失效時，無論時鐘電路配置如何，都能確保至少有一個看門狗在運行。

最后，微控制器還內(nèi)置一個32位硬件CRC計算器，可大幅加快閃存內(nèi)容完整性檢查，同時將相關(guān)CPU負荷(在運行時占用的時間)降至可忽略不計的水平。該外設(shè)甚至可以用DMA控制器驅(qū)動。在微控制器運行期間，閃存數(shù)據(jù)完整性檢查可在后臺進行。

硬件校驗長期以來只用于計算機DRAM模塊和高可靠性系統(tǒng)。該方法被引進嵌入式市場的通用微控制器，如基于Cortex-M0的STM32F0x產(chǎn)品，隨著系統(tǒng)監(jiān)控和安全功能數(shù)量日益增加，該方案可簡化產(chǎn)品認證、安全開發(fā)的執(zhí)行，最重要一點是使家電變得更安全。