STM32內(nèi)置的硬件功能安全屬性，你用過哪些

概覽

對(duì)于功能安全，ST MCU從芯片內(nèi)置的硬件安全屬性，經(jīng)過認(rèn)證的軟件自檢庫和完備的安全文檔三個(gè)層面來支持STM32用戶在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行開發(fā)，達(dá)到要求的功能安全等級(jí)。 

下表中列出了STM32 MCU內(nèi)置的一些主要硬件安全屬性。下面我們一起來看看這些屬性在功能安全中的用處。 

雙看門狗：獨(dú)立看門狗和窗口看門狗

看門狗是我們常用到的針對(duì)CPU運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的手段之一。它本質(zhì)上就是一個(gè)定時(shí)器，啟動(dòng)之后，需要不斷的去刷新（我們通常把這個(gè)動(dòng)作叫做“喂狗”），否則當(dāng)看門狗的定時(shí)器減到規(guī)定的值后，就會(huì)引起系統(tǒng)復(fù)位。我們可以利用它來檢測(cè)程序是否跑飛，并通過芯片復(fù)位，來讓系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。 

STM32 MCU提供兩個(gè)看門狗：獨(dú)立看門狗和窗口看門狗。 

從獨(dú)立看門狗的名字可以看出，它的特點(diǎn)是擁有獨(dú)立于系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘。獨(dú)立看門狗使用LSI時(shí)鐘，這樣使得它與系統(tǒng)時(shí)鐘分離開，即使系統(tǒng)時(shí)鐘出現(xiàn)故障，獨(dú)立看門狗也能正常工作。 

獨(dú)立看門狗還支持“硬件看門狗”功能，通過選項(xiàng)字使能該功能后，MCU只要一上電，就會(huì)啟動(dòng)運(yùn)行，開啟對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。 

窗口看門狗使用的是系統(tǒng)時(shí)鐘，它的特點(diǎn)是必須在一個(gè)窗口時(shí)間內(nèi)完成“喂狗”的動(dòng)作，否則就會(huì)引起系統(tǒng)復(fù)位，所以窗口看門狗對(duì)“喂狗”的要求更精確了。

窗口看門狗還有一個(gè)EWI（early wakeup interrupt）的功能， 這個(gè)功能使能后，可以在窗口看門狗引起系統(tǒng)復(fù)位之前，先產(chǎn)生一個(gè)EWI中斷，在這個(gè)中斷里，給了系統(tǒng)軟件一個(gè)機(jī)會(huì)去完成一些必要的安全動(dòng)作或者數(shù)據(jù)保存的工作。 

部分MCU系列的窗口看門狗也支持“硬件看門狗”的功能。 

獨(dú)立看門狗和窗口看門狗都支持在調(diào)試模式下“凍結(jié)”計(jì)數(shù)，以及在低功耗模式下繼續(xù)工作的功能。 

看門狗可以用在內(nèi)核檢測(cè)，時(shí)鐘檢測(cè)和電源檢測(cè)中。 

電源監(jiān)測(cè)

關(guān)于電源檢測(cè)，STM32 MCU的可編程電壓監(jiān)測(cè)（PVD），模擬電壓監(jiān)測(cè)（AVD）和電池電壓監(jiān)測(cè)等功能可以用來檢測(cè)VDD，VDDA和電池電壓是否在正常的電壓范圍內(nèi)。

時(shí)鐘安全系統(tǒng)CSS

關(guān)于時(shí)鐘的檢測(cè)，MCU內(nèi)部的時(shí)鐘安全系統(tǒng)（CSS）可以用來檢測(cè)外部高速時(shí)鐘（HSE）和外部低速時(shí)鐘（LSE）是否丟失。 

當(dāng)檢測(cè)到HSE時(shí)鐘丟失后，CSS可以觸發(fā)定時(shí)器的“剎車”功能和系統(tǒng)中斷，并自動(dòng)切換到內(nèi)部高速時(shí)鐘，軟件可以根據(jù)這些觸發(fā)的事件，制定相應(yīng)的保護(hù)措施。 

LSE是RTC的時(shí)鐘源，當(dāng)檢測(cè)到LSE丟失后，RTC不能再使用LSE時(shí)鐘源，并產(chǎn)生CSS中斷，在中斷中需要將RTC切換到其他時(shí)鐘源。 

CSS只能檢測(cè)時(shí)鐘是否丟失。對(duì)于時(shí)鐘存在但發(fā)生偏移的情況，可以通過下圖所示的時(shí)鐘交叉測(cè)試來進(jìn)行檢測(cè)。 

該測(cè)試?yán)昧薓CU的TIMER模塊的輸入捕獲功能，LSI時(shí)鐘內(nèi)部連接到TIMER的一個(gè)輸入捕獲通道，當(dāng)分別使用HSE或者HSI作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘時(shí)，通過檢測(cè)LSI的頻率是否在正常范圍內(nèi)，從而間接地檢測(cè)了HSE/HSI的頻率。 

不同STM32系列用到TIMER模塊不一樣，具體請(qǐng)查看相應(yīng)的參考手冊(cè)。

SRAM奇偶校驗(yàn)位

部分STM32系列支持帶奇偶校驗(yàn)的SRAM。 

奇偶校驗(yàn)可以用來檢測(cè)SRAM的瞬時(shí)和永久性故障。比如由于電磁干擾導(dǎo)致的SRAM中的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。由于奇偶校驗(yàn)的檢測(cè)原理，使得它只能檢測(cè)出奇數(shù)個(gè)的比特位錯(cuò)誤，并且也不能對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。 

STM32 MCU帶奇偶校驗(yàn)的SRAM每個(gè)字節(jié)增加了一位奇偶校驗(yàn)位，所以SRAM的數(shù)據(jù)總線是36位。在對(duì)SRAM進(jìn)行寫操作時(shí)，硬件自動(dòng)計(jì)算并存儲(chǔ)奇偶校驗(yàn)；當(dāng)進(jìn)行讀操作時(shí)，硬件自動(dòng)進(jìn)行校驗(yàn)。 

如果檢測(cè)到錯(cuò)誤，會(huì)立刻產(chǎn)生不可屏蔽中斷（NMI），并且可以配置成可以觸發(fā)定時(shí)器的“剎車”功能。 

硬件ECC

ECC全稱Error Checking and Correcting，是一種錯(cuò)誤檢查和糾正的技術(shù)。跟奇偶校驗(yàn)一樣，它也需要額外的空間來存儲(chǔ)校驗(yàn)碼。比奇偶校驗(yàn)更強(qiáng)的是，ECC可以做到單比特位錯(cuò)誤校正和雙比特位錯(cuò)誤檢測(cè)。對(duì)于由于電磁干擾等原因造成的內(nèi)存瞬時(shí)故障或者永久性故障，ECC都可以檢測(cè)。 

ECC檢測(cè)在讀操作時(shí)進(jìn)行，當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)比特位的錯(cuò)誤時(shí)，讀出來的數(shù)據(jù)就是已經(jīng)糾正后的數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到兩個(gè)比特位的錯(cuò)誤時(shí)，ECC無法糾正，但是可以告訴應(yīng)用程序該位置的數(shù)據(jù)有錯(cuò)。 

STM32部分MCU系列（STM32H7/L4/G0/G4/L5）支持Flash ECC，現(xiàn)在只有H7支持SRAM ECC和Cache ECC。 

當(dāng)檢測(cè)到單比特/雙比特ECC錯(cuò)誤時(shí)，出錯(cuò)地址會(huì)被自動(dòng)保存到寄存器中（需要使能該功能），并且可以通過寄存器配置產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤中斷。 

檢測(cè)到雙比特錯(cuò)誤時(shí)，還將觸發(fā)NMI中斷，并可以將出錯(cuò)信號(hào)連接到TIMER的“剎車”功能。 

參考AN5342了解更多關(guān)于ECC的操作細(xì)節(jié)。 

硬件CRC

在Flash自檢的程序中會(huì)用到CRC來檢測(cè)Flash內(nèi)容的完整性。

其檢測(cè)思路一般是：在程序編譯完成后，計(jì)算整個(gè)程序的CRC值（第一次計(jì)算CRC值），然后將這個(gè)CRC值添加到可執(zhí)行文件末尾。再將帶有CRC校驗(yàn)值的可執(zhí)行文件燒錄到MCU中。在程序啟動(dòng)后，由程序中的自檢代碼重新根據(jù)當(dāng)前Flash里內(nèi)容（不包括預(yù)存的CRC校驗(yàn)值）計(jì)算一次CRC值（第二次計(jì)算CRC值），再與之前預(yù)先計(jì)算并燒錄到Flash中的CRC校驗(yàn)值（第一次計(jì)算的值）進(jìn)行比較，如果一致就通過檢測(cè)。 

第二次計(jì)算CRC值的時(shí)候是由運(yùn)行在MCU中的自檢程序完成的，這部分工作可以利用軟件代碼完成，也可以利用MCU的硬件CRC完成。STM32的全系列都提供了硬件CRC的功能，默認(rèn)使用CRC32多項(xiàng)式0x4C11DB7。 

參考AN4187了解更多關(guān)于CRC的使用細(xì)節(jié)。 

存儲(chǔ)器保護(hù)單元MPU 

存儲(chǔ)器保護(hù)單元MPU是Cortex-M內(nèi)部的組件。Cortex-M0不支持MPU，所以除了基于Cortex-M0內(nèi)核的STM32F0以外，其他STM32產(chǎn)品都支持存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）。 

MPU可以用來設(shè)置部分?jǐn)?shù)據(jù)只能被一些特權(quán)任務(wù)訪問或者是只讀；可以將SRAM空間定義為“不可執(zhí)行代碼”，從而防止注入攻擊代碼；可以用來檢測(cè)堆棧溢出和數(shù)組越界；還可以通過MPU設(shè)置存儲(chǔ)器的緩沖、緩存、共享等屬性。 

在功能安全的應(yīng)用中，我們可以利用MPU來對(duì)安全相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離，從而防止其被其他程序意外修改。 

關(guān)于MPU的使用細(xì)節(jié)，參考AN4838。 

其他

除了前面介紹的這些硬件的功能外，還有： GPIO、Timer、比較器等外設(shè)的寄存器鎖定功能，可以配置參數(shù)不會(huì)被軟件意外修改。

定時(shí)器PWM輸出的“剎車”功能，它的目的是保護(hù)由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的功率開關(guān)，就是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以觸發(fā)該功能，關(guān)閉PWM輸出，保證系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

而觸發(fā)“剎車”功能的輸入信號(hào)，既可以是來自MCU內(nèi)部的系統(tǒng)級(jí)故障（比如CSS檢測(cè)到的時(shí)鐘失效，SRAM的奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤等），也可以是連接到特定引腳的外部信號(hào)。不同的STM32系列支持的輸入信號(hào)來源不同，具體使用請(qǐng)見相應(yīng)的參考手冊(cè)。 

部分STM32系列還支持“內(nèi)核進(jìn)入lockup狀態(tài)”作為“剎車”功能的觸發(fā)源。關(guān)于“內(nèi)核進(jìn)入lockup狀態(tài)”是指，當(dāng)MCU已經(jīng)因?yàn)槌鲥e(cuò)進(jìn)入fault中斷后，在fault中斷服務(wù)程序中又觸犯了fault條件，這時(shí)就會(huì)進(jìn)入lockup狀態(tài)。 

還有一些外設(shè)比如串口、I2C、CAN等，也內(nèi)置有協(xié)議錯(cuò)誤檢測(cè)、CRC校驗(yàn)等功能，可以用于該外設(shè)使用過程中的安全檢測(cè)。 

STM32內(nèi)置安全屬性還很多，這里就不一一列舉了。 

可以參考各個(gè)STM32系列的安全手冊(cè)，來獲取詳細(xì)的信息。