符合安全標(biāo)準(zhǔn)的汽車器件冗余設(shè)計
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為了確保安全功能能夠符合設(shè)計初衷，包括在操作員輸入不正確和故障模式等情況下，人們一直不斷改進(jìn)各種標(biāo)準(zhǔn)。IEC61508是適用于各個行業(yè)的國際功能安全標(biāo)準(zhǔn)之一，名稱是“電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全(E/E/PE或E/E/PES)”。ISO 26262是從IEC 61508衍生而來的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，名稱為“道路車輛-功能安全”，適用于汽車行業(yè)。ISO 26262定義了汽車設(shè)備的功能安全，適用于所有汽車電子電氣安全相關(guān)系統(tǒng)的整個生命周期。
SoC系統(tǒng)級芯片遵循多種設(shè)計技術(shù)，以符合安全標(biāo)準(zhǔn)，這些在ISO-26262標(biāo)準(zhǔn)中都有所介紹。冗余、自檢機(jī)制、信號監(jiān)測、電壓電源監(jiān)測和“看門狗”是在符合安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備中所使用的幾種技術(shù)。冗余是這些設(shè)備的主要組成部分。冗余在汽車設(shè)備中的使用有多種方式，許多符合安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備將鎖步、ECC、CRC及校驗(yàn)等用作冗余技術(shù)。本文將主要介紹SoC中使用到的冗余技術(shù)，包括硬件、軟件、信息和時間冗余等。
汽車硬件冗余機(jī)制
冗余是指除了在關(guān)鍵功能中使用的組件外，還包含額外的組件，旨在提高系統(tǒng)的可靠性和可用性。冗余的添加方式有很多，如硬件(例如雙核鎖步)冗余、軟件冗余、信息冗余(例如將ECC添加到存儲器)和時間冗余。一般情況下，冗余依據(jù)MooN概念工作。
N分之M(M-out-of-N，MooN)系統(tǒng)包含N個相同的組件，工作原理是：如果N個組件中的至少M(fèi)個組件正常工作，那么該系統(tǒng)沒有錯誤。一個示例是三重模塊化冗余(TMR)，這實(shí)際上是一個三分之二(2oo3)系統(tǒng)。如果3個組件中至少有兩個組件(大部分)正常運(yùn)行，那么該系統(tǒng)則被視為正常運(yùn)行。
MooN系統(tǒng)在硬件和軟件中使用。在硬件中，關(guān)鍵組件被復(fù)制，根據(jù)多數(shù)投票原則做出決策。而在軟件中，一個任務(wù)被重復(fù)多次，然后比較任務(wù)執(zhí)行結(jié)果，生成最后結(jié)果。在SoC中，硬件冗余可以采用多種形式：復(fù)制執(zhí)行安全關(guān)鍵任務(wù)的內(nèi)核(也稱為鎖步)、延遲鎖步(1oo1系統(tǒng))、非對稱鎖步、三次投票(2oo3系統(tǒng))。
在符合安全標(biāo)準(zhǔn)的高級設(shè)備中，執(zhí)行安全關(guān)鍵任務(wù)的內(nèi)核被復(fù)制，應(yīng)用在鎖步模式下運(yùn)行這兩個內(nèi)核，比較結(jié)果，確保冗余處理產(chǎn)生完全相同的結(jié)果。如未獲得完全相同的結(jié)果，則視為發(fā)生了故障。
在鎖步模式下，同時將同一組輸入發(fā)送到這兩個內(nèi)核，然后這兩個內(nèi)核在相同的時鐘周期內(nèi)執(zhí)行相同的計算，定期比較結(jié)果，檢測是否發(fā)生了故障(無論是瞬時故障、間歇性還是永久性故障)。一旦輸出不匹配，通常會標(biāo)記故障并執(zhí)行重啟。圖1顯示了鎖步中的內(nèi)核(雙核鎖步)。
圖1：鎖步中的內(nèi)核(雙核鎖步)工作原理
延遲鎖步是鎖步的一種，其中一個內(nèi)核的輸入延遲了N個時鐘周期，另一個內(nèi)核的輸出也延遲了相同的時間，然后比較結(jié)果。用這種方法，可獲得時間分集。由于一個內(nèi)核在N個時鐘周期后將執(zhí)行相同的運(yùn)算，沖擊這兩個內(nèi)核并以相同的方式影響其功能的噪聲脈沖的概率將大大減少。圖2顯示了延遲鎖步的工作配置。饋送給內(nèi)核2的數(shù)據(jù)被延遲了兩個時鐘周期。內(nèi)核2的重置也延遲了兩個周期。內(nèi)核1的輸出延遲了兩個時鐘周期，然后由校驗(yàn)器電路進(jìn)行比較。如發(fā)現(xiàn)故障，則標(biāo)記錯誤。
圖2：延遲鎖步的工作配置
在非對稱冗余中，不復(fù)制相同的內(nèi)核，而是使用不同的內(nèi)核。不同的專用內(nèi)核通過一個接口與主內(nèi)核緊密耦合，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外部結(jié)果的逐步比較。該接口降低了復(fù)雜性，縮短了錯誤檢測延遲。主核執(zhí)行關(guān)鍵的任務(wù)，而專用的多樣化內(nèi)核則復(fù)制足夠多的主核執(zhí)行，確保能夠檢測故障，或確保主核的安全運(yùn)行。由于硬件的多樣性，可以有效覆蓋共因故障和系統(tǒng)故障。內(nèi)核的不同結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致不同的內(nèi)核反應(yīng)方法，改善共因故障的診斷覆蓋。因此這兩個內(nèi)核發(fā)生的同類故障的情況將減少。并行通道無需單獨(dú)的代碼，專用內(nèi)核比主核小。有時，主核的面積差異可高達(dá)50%及以上。這種方法的缺點(diǎn)是，可能需要詳細(xì)的分析來證明診斷覆蓋。
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