一文講透從IP層面如何實(shí)現(xiàn)汽車功能安全

如今，汽車行業(yè)變革迅猛，汽車的設(shè)計(jì)、使用和銷售模式都在快速演變。駕駛員安全技術(shù)、交通擁堵、環(huán)境問題及汽車作為代步工具的基本前提都影響著新一代汽車的研發(fā)。為解決這些難題，很多汽車廠商都試圖強(qiáng)化計(jì)算能力以優(yōu)化車輛控制。

歐盟新車安全評(píng)鑒協(xié)會(huì)（EuroNCAP）頒布的新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，車道變換支持等安全輔助功能是獲得五星安全評(píng)級(jí)的必要條件。車載處理器的數(shù)量在所有細(xì)分市場都穩(wěn)步上升，目前平均為40-50個(gè)，而一些高端車型則已經(jīng)搭載近120個(gè)處理器。

據(jù)Semicast Research預(yù)測，到2022年，僅發(fā)動(dòng)機(jī)引擎罩下的電子控制單元（ECU）組件就將達(dá)到近860億美元的市場規(guī)模，相較2015年的530億年復(fù)合增長率達(dá)到7%。半導(dǎo)體廠商將有機(jī)會(huì)在汽車電子領(lǐng)域挖掘一大桶金。

高科技芯片可以改善動(dòng)力系統(tǒng)排放、增強(qiáng)安全性能、并利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛間及道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的互聯(lián)。但是，隨著系統(tǒng)的復(fù)雜化，保證駕駛員安全就變得更為關(guān)鍵，必須打造更加自動(dòng)化，系統(tǒng)化，且能患于未然的解決方案——即我們通常所稱的“功能安全”。

什么是功能安全

簡而言之，功能安全的最終目的是確保產(chǎn)品安全運(yùn)行，即便出現(xiàn)問題也可以繼續(xù)保駕護(hù)航?；谶@一理念，ARM將保證安全視為頭等大事，而非單純依照市場導(dǎo)向隨波逐流，不斷加強(qiáng)研發(fā)，推出更多功能安全相關(guān)產(chǎn)品。

各行各業(yè)都會(huì)制定標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)未來發(fā)展并限定最低準(zhǔn)入門檻。在汽車電子行業(yè)，這一標(biāo)準(zhǔn)就是ISO 26262，它將功能安全定義為：“避免因電氣／電子系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的不合理風(fēng)險(xiǎn)”。

不同領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)并不完全一致，例如針對電氣和電子系統(tǒng)的IEC 61508以及飛行器電子硬件的DO-254都有各自的定義方式。更需值得注意的是，它們都擁有專用術(shù)語，并提供了包括目標(biāo)參數(shù)在內(nèi)的工程研發(fā)指導(dǎo)。因此，開始產(chǎn)品研發(fā)前確定目標(biāo)市場并制定合適的流程至關(guān)重要，因?yàn)橹型拘薷难邪l(fā)流程必然會(huì)導(dǎo)致效率低下。圖1展示了硅片IP的不同應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際操作中，如果需要滿足多套標(biāo)準(zhǔn)，則可以求同存異，先列出專屬需求，再執(zhí)行質(zhì)量管理等通用準(zhǔn)則；最一開始就要做到安全第一。

　　圖1：硅片IP的功能安全標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)際操作中，功能安全系統(tǒng)必須由獨(dú)立評(píng)估員認(rèn)證，符合所有安全標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)功能安全需要具備預(yù)測能力的故障模式，實(shí)時(shí)判斷系統(tǒng)狀態(tài)是功能完整、部分功能損壞、還是系統(tǒng)必須關(guān)閉進(jìn)行重啟或重置。

并不是所有故障都會(huì)立刻引發(fā)嚴(yán)重事故。比如，汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障可能會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)向，但是由于電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)天然的時(shí)間延遲，故障并不會(huì)馬上產(chǎn)生后果，這一延遲通常是幾毫秒以上，ISO 26262將之定義為容錯(cuò)時(shí)間間隔，間隔長短取決于潛在的事故類型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。所以，不難理解，對系統(tǒng)安全要求越高，產(chǎn)生不安全事件的故障就越應(yīng)該避免。

理想情況下，功能安全不會(huì)影響系統(tǒng)性能；但現(xiàn)實(shí)生活中，現(xiàn)行的許多安全措施都會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能、功率和面積（PPA）。如何在保證功能安全的前提下減輕對系統(tǒng)性能的不利影響以及設(shè)計(jì)制造成本的上升，是設(shè)計(jì)師們面臨的一大難題。

為什么需要功能安全

芯片IP的功能安全曾是非常小眾的領(lǐng)域，只有少數(shù)汽車、工業(yè)、航空航天和其他類似市場的芯片與系統(tǒng)開發(fā)商感興趣。然而，隨著過去幾年各類汽車應(yīng)用的興起，情況已經(jīng)發(fā)生巨大變化。除了汽車外，還有很多其他行業(yè)也能從電子器件的增加受益，當(dāng)然保障功能安全是大前提。醫(yī)療電子和航空就是兩個(gè)典型例子。

自動(dòng)駕駛過去幾年吸引了不少人的眼球，但一直是霧里看花；如今，隨著高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）及富媒體車載信息娛樂系統(tǒng)（IVI）的普及，盡管高度自動(dòng)化駕駛的時(shí)代依然遙遠(yuǎn)，但自動(dòng)駕駛汽車的前景已變得愈發(fā)清晰，尺寸形狀各異的無人機(jī)和日益普及的物聯(lián)網(wǎng)也是亟需功能安全的領(lǐng)域，ARM 的技術(shù)將成為一大助力。

ARM功能安全技術(shù)

與其他技術(shù)市場一樣，新興的功能安全應(yīng)用也需要半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)，這并不是紙上談兵，日新月異的產(chǎn)品創(chuàng)新已經(jīng)引起了ARM合作伙伴的濃厚興趣。多數(shù)功能安全嵌入式系統(tǒng)都需要具備安全防護(hù)及實(shí)時(shí)處理兩大核心要素，ARM Cortex-R系列處理器為此需求量身定制，為嵌入式系統(tǒng)提供高性能運(yùn)算解決方案，確保產(chǎn)品的高可靠性、高可用性、容錯(cuò)、以及強(qiáng)大實(shí)時(shí)自主判斷能力。這些特性為實(shí)現(xiàn)ADAS和IVI系統(tǒng)的高安全完整性打下基礎(chǔ)，不僅可以執(zhí)行關(guān)鍵行為處理，應(yīng)對安全相關(guān)的中斷事件，與其他系統(tǒng)通訊，還可以對集成度較低的復(fù)雜功能進(jìn)行監(jiān)管。

什么是故障？

故障可能是系統(tǒng)性的（如規(guī)范制定和設(shè)計(jì)過程中的人為因素），也有可能與使用的工具有關(guān)。減少故障的一種方法是執(zhí)行嚴(yán)苛的質(zhì)量管控流程，必須包括詳細(xì)的規(guī)劃、審查和量化評(píng)估。合理的規(guī)劃使用工具認(rèn)證非常重要，管理與追蹤需求變更的能力也同樣關(guān)鍵。ARM的Compiler 5編譯器已經(jīng)通過南德集團(tuán)（TÜV SÜD）認(rèn)證，助力安全研發(fā)，客戶無需對編譯器進(jìn)行額外認(rèn)證。

還有一種故障類型被稱為隨機(jī)硬件故障。它們可能是圖2顯示的永久性故障，比如短路；也有可能是由于天然輻射而造成的軟性故障。這類故障可以利用集成在軟硬件的方案進(jìn)行處理，因此系統(tǒng)級(jí)的技術(shù)也同樣重要。舉例來說，邏輯內(nèi)建自測試（BIST）可以應(yīng)用于系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)閉，區(qū)分軟性和永久性故障。

　　圖2：故障類型

應(yīng)對措施

故障檢測和控制措施的選擇和設(shè)計(jì)是流程設(shè)計(jì)師最喜歡的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗麄兛梢酝瑫r(shí)用系統(tǒng)級(jí)和微架構(gòu)級(jí)的技術(shù)大展手腳。建立故障模式概念和效果分析（FMEA）是個(gè)不錯(cuò)的開始，列舉出所有可能出現(xiàn)的故障模式及其后果的嚴(yán)重程度。有了這些信息，加上設(shè)計(jì)師對復(fù)雜系統(tǒng)的深入理解，即可鑒別出最嚴(yán)重的故障模式，并設(shè)計(jì)出應(yīng)對措施。

應(yīng)對潛在故障的方法較多，下面列出了一些最常用的技術(shù)：

1、多樣化檢查器：使用另一條電路檢查主電路是否發(fā)生故障。舉個(gè)例子，檢查器可以為中斷控制器計(jì)數(shù)，持續(xù)記錄人為及系統(tǒng)引起的中斷總數(shù)。

2、完整鎖步復(fù)制：該技術(shù)主要用于Cortex-R5處理器，對一個(gè)IP元件（如一個(gè)處理器）進(jìn)行多次實(shí)例化，利用循環(huán)產(chǎn)生操作延遲，生成時(shí)間和空間冗余。大容量存儲(chǔ)通常由多個(gè)實(shí)例共享，以降低所需面積。盡管這一技術(shù)非?？煽浚矘O為昂貴。

3、選擇性硬件冗余：這個(gè)方案里，只有硬件的關(guān)鍵部分可以復(fù)制，如仲裁器。

4、軟件冗余：硬件冗余通常非常復(fù)雜，而且會(huì)產(chǎn)生間接成本，是對資源的不合理使用。硬件運(yùn)算的替代方法就是，在多個(gè)處理器內(nèi)核上運(yùn)行同一次計(jì)算，檢查結(jié)果是否匹配。

5、錯(cuò)誤檢測和校正碼是另一種為人熟知的技術(shù)，通常被用于保護(hù)存儲(chǔ)器和總線。代碼類型多種多樣，但目標(biāo)只有一個(gè)，既通過少量附加位獲得更高冗余，無需復(fù)制所有底層數(shù)據(jù)。汽車系統(tǒng)中，這一尖端技術(shù)可以利用足夠多的冗余檢測出一個(gè)存儲(chǔ)字的2位錯(cuò)誤；并支持錯(cuò)誤修正。

故障日志

檢測出故障后就必須進(jìn)行記錄，以幫助監(jiān)管軟件判斷系統(tǒng)的健康和安全狀況。安全故障（如存儲(chǔ)器修正）和危險(xiǎn)故障（如不能挽回的硬件故障）必須分別記錄。

故障記錄通常從故障計(jì)數(shù)開始，可以由系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)記錄有信號(hào)事件（類似于中斷）的數(shù)量；或者由IP計(jì)數(shù)器記錄。為了解這些事件發(fā)生的原因，最好還能將過去的事件作為參考，判斷當(dāng)前時(shí)間的發(fā)生原因。為支持這一需求并進(jìn)行調(diào)試糾錯(cuò)，可以允許一些IP捕捉額外信息，如被偵查的存儲(chǔ)地址。因?yàn)樵摰刂吠ǔ?huì)由軟復(fù)位保存，所以可以在系統(tǒng)啟動(dòng)和系統(tǒng)自檢過程中被讀取。

有一點(diǎn)需要牢記，故障也可能發(fā)生在安全架構(gòu)本身。與硬件故障不同的地方是，后者通常可以在使用過程中被很快發(fā)現(xiàn)，但安全檢查器中的故障可能是潛伏的，它已經(jīng)無法偵測危險(xiǎn)故障，但故障卻已經(jīng)悄悄地蔓延開了。這樣的故障被稱為潛伏故障，定期測試檢查器是個(gè)不錯(cuò)的方法。

安全完整性等級(jí)

不同的標(biāo)準(zhǔn)體系反應(yīng)安全等級(jí)的方法也各不相同，但其主要目的是直觀的反映功能的關(guān)鍵性。比如說，控制擋風(fēng)玻璃雨刮、安全氣囊或制動(dòng)器的ECU，完整性必須高于控制車速表或泊車傳感器的ECU，因?yàn)榍胺揭曇爸陵P(guān)重要，突然剎車或氣囊充氣可能造成致命后果，駕駛員也會(huì)兇多吉少；而車速表或泊車傳感器對安全停車的重要性就低得多了。

換句話說，安全完整性等級(jí)是與人避免危險(xiǎn)情況的必要性和能力相關(guān)的；而各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的作用就是指導(dǎo)人們?nèi)绾味x安全完整性等級(jí)，并提供相關(guān)參數(shù)，幫助其對系統(tǒng)完整性進(jìn)行量化。

IEC 61508將安全完整性等級(jí)（SIL）分成4級(jí)，第4級(jí)為最高完整性。與之相似，ISO 26262提出了汽車安全完整性等級(jí)（ASIL），最低為ASIL A，最高為ASIL D。此外，就表二所示，針對ASIL B到ASIL D，ISO 26262分別就單點(diǎn)故障、潛伏故障和硬件故障概率指標(biāo)（PMHF，業(yè)內(nèi)也稱及時(shí)故障）提出了建議參數(shù)?？蓹z測故障的比例被稱為診斷覆蓋率。