ARM戰(zhàn)略信息技術(shù)專家 Andrew Hopkins

通過IP設(shè)計實現(xiàn)汽車功能安全

ARM戰(zhàn)略信息技術(shù)專家 Andrew Hopkins

功能安全的最終目的是確保產(chǎn)品安全運行,即便出現(xiàn)問題也可以繼續(xù)保駕護航。基于這一理念,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,不斷加強研發(fā),推出更多功能安全相關(guān)產(chǎn)品。各行各業(yè)都會制定標準,指導(dǎo)未來發(fā)展并限定最低準入門檻。在汽車電子行業(yè),這一標準就是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。

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,當然保障功能安全是大前提。醫(yī)療電子和航空就是兩個典型例子。

如今,隨著高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)及富媒體車載信息娛樂系統(tǒng)(IVI)的普及,盡管高度自動化駕駛的時代依然遙遠,但自動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;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及實時處理兩大核心要素,ARM Cortex-R系列處理器為此需求量身定制,為嵌入式系統(tǒng)提供高性能運算解決方案,確保產(chǎn)品的高可靠性、高可用性、容錯,以及/或強大實時自主判斷能力。這些特性為實現(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)行嚴苛的質(zhì)量管控流程,必須包括詳細的規(guī)劃、審查和量化評估。合理的規(guī)劃使用工具認證非常重要,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(TüV SüD)認證,助力安全研發(fā),客戶無需對編譯器進行額外認證。還有一種故障類型被稱為隨機硬件故障。它們可能是永久性故障,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行處理,因此系統(tǒng)級的技術(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)啟動和關(guān)閉,區(qū)分軟性和永久性故障。

應(yīng)對措施

故障檢測和控制措施的選擇和設(shè)計是流程設(shè)計師最喜歡的環(huán)節(jié),因為他們可以同時用系統(tǒng)級和微架構(gòu)級的技術(shù)大展手腳。建立故障模式概念和效果分析(FMEA)是個不錯的開始,列舉出所有可能出現(xiàn)的故障模式及其后果的嚴重程度。有了這些信息,加上設(shè)計師對復(fù)雜系統(tǒng)的深入理解,即可鑒別出最嚴重的故障模式,并設(shè)計出應(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。舉個例子,檢查器可以為中斷控制器計數(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IP元件(如一個處理器)進行多次實例化,利用循環(huán)產(chǎn)生操作延遲,生成時間和空間冗余。大容量存儲通常由多個實例共享,以降低所需面積。盡管這一技術(shù)非?？煽?但也極為昂貴。

③選擇性硬件冗余:這個方案里,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,而且會產(chǎn)生間接成本,是對資源的不合理使用。硬件運算的替代方法就是,在多個處理器內(nèi)核上運行同一次計算,檢查結(jié)果是否匹配。

⑤錯誤檢測和校正碼是另一種為人熟知的技術(shù),通常被用于保護存儲器和總線。代碼類型多種多樣,但目標只有一個,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存儲字的2位錯誤;并支持錯誤修正。

故障日志

檢測出故障后就必須進行記錄,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(如存儲器修正)和危險故障(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數(shù)開始,可以由系統(tǒng)級架構(gòu)記錄有信號事件(類似于中斷)的數(shù)量;或者由IP計數(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,判斷當前時間的發(fā)生原因。為支持這一需求并進行調(diào)試糾錯,可以允許一些IP捕捉額外信息,如被偵查的存儲地址。因為該地址通常會由軟復(fù)位保存,所以可以在系統(tǒng)啟動和系統(tǒng)自檢過程中被讀取。

有一點需要牢記,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?？梢栽谑褂眠^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不錯的方法。

安全完整性等級

不同的標準體系反應(yīng)安全等級的方法也各不相同,但其主要目的是直觀地反映功能的關(guān)鍵性。比如說,控制擋風(fēng)玻璃雨刮、安全氣囊或制動器的ECU,完整性必須高于控制車速表或泊車傳感器的ECU,因為前方視野至關(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,安全完整性等級是與人避免危險情況的必要性和能力相關(guān)的;而各項標準的作用就是指導(dǎo)人們?nèi)绾味x安全完整性等級,并提供相關(guān)參數(shù),幫助其對系統(tǒng)完整性進行量化。

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

盡管這些指標通常被視為標準要求,但在實際應(yīng)用中,它們一般只被視為建議,供應(yīng)商可以自行制定目標參數(shù)。最重要的目標是打造安全的產(chǎn)品,而不是在產(chǎn)品參數(shù)表上多加幾個數(shù)字。讓我們再次借用前面提到過的例子——擋風(fēng)玻璃雨刮、制動器和安全氣囊,這些元件的安全級別可能達到ASIL D,而車速表和泊車傳感器可能是ASIL B或更低,具體級別取決于整體系統(tǒng)安全設(shè)計。

無論診斷覆蓋率多高,打造功能安全應(yīng)用的時候都必須遵循合適的流程——這也是標準體系最大的益處。此外,無論采用何種功能安全措施,嚴格的質(zhì)量流程都可以提升任何應(yīng)用的整體質(zhì)量。

功能安全IP的設(shè)計流程

開發(fā)功能安全應(yīng)用IP時,“循規(guī)蹈矩”非常重要。這個過程必須從一開始就將安全納入考慮,而且還必須營造支持安全的文化。完整的開發(fā)流程必須包含以下重要方面:

①安全管理:包括團隊組織架構(gòu),具體內(nèi)容如明確不同職位的定義和職責(zé)、打造安全文化、定義安全生命周期、定義功能安全支持級別。安全生命周期的設(shè)定包括制定一份成功計劃、選擇合適的開發(fā)工具、確保團隊接受充分的培訓(xùn)。

②需求管理和故障檢測及控制措施(應(yīng)對措施)的可追溯性。為精確實現(xiàn)需求追溯,需求本身定義必須要明確、精準,且具備唯一性。追溯等級取決于完整性的要求,文件可以高等級;產(chǎn)品則需要從故障檢測到驗證等各個環(huán)節(jié)面面俱到,計劃過程不得空穴來風(fēng),必須經(jīng)過詳細驗證。

③質(zhì)量管理是需求追溯的拓展和延伸?？闭`表必須得到妥善管理和使用。ARM在這一領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗。此外,流程的記錄和傳達也同樣重要。

安全文件包

IP開發(fā)是ARM支持合作伙伴的一種途徑,我們的合作關(guān)系并不會止于客戶收到IP的那一刻。針對功能安全相關(guān)的IP開發(fā),ARM定義了2個安全文件包等級:最高至ASIL B的標準支持;最高至ASIL D的延伸支持。每個安全文件包都包含一份安全手冊,詳細說明遵循的流程、故障檢測及控制功能、適用場景和其他信息。我們同時提供“故障模式及效果分析報告”,并提供案例分析,闡述如何用IP實現(xiàn)更高的診斷覆蓋率;我們也為客戶的獨立分析提供芯片級的更多支持。此外,文件包也就ARM和被授權(quán)方的開發(fā)接口做出了明確定義。

獨立安全單元

安全狀況報告的建立和使用需要步步遞進。該報告由芯片開發(fā)商提供信息,所有廠商的信息都必須綜合考慮,最后交付客戶使用,層層遞進。獲許可最多的芯片IP被稱為“獨立安全單元”(SEooC),其設(shè)計師們無需了解該芯片后續(xù)的使用方式。因此,安全手冊必須說明IP開發(fā)商對芯片使用建議和說明,避免誤用。同樣,OEM的1級控制器供應(yīng)商也可以使用SEooC模型開發(fā)安全功能。因此,IP級的安全文件包可用于整個價值鏈,是IP開發(fā)的重要部分。

功能安全將逐漸成為硬性要求

從汽車到醫(yī)療再到工業(yè)設(shè)備,依賴電子器件的應(yīng)用越來越多,功能安全正變得更加重要,并將成為常規(guī)要求。功能安全是IP廠商必須達成的要求,也是讓基于該IP建造的模型順利運行的必要條件,因此IP廠商必須將每項研究成果授予盡可能多的芯片合作伙伴,反之亦然。有了堅實的質(zhì)量和可靠性,功能安全才能帶來更廣泛的好處,進而推動全行業(yè)的質(zhì)量和可靠性提升。