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如何輕松達成汽車功能的安全性

2019-06-29 00:16:14·  來源：汽車功能安全  作者：英飛凌  
　
如何輕松達成汽車功能的安全性（一）？每位工程師皆努力想建構(gòu)100%的失效安全（fail-safe）系統(tǒng)，但要以經(jīng)濟的方式實現(xiàn)這個理想目標(biāo)，卻是相當(dāng)困難。因此，諸如I
如何輕松達成汽車功能的安全性（一）？

每位工程師皆努力想建構(gòu)100%的失效安全（fail-safe）系統(tǒng)，但要以經(jīng)濟的方式實現(xiàn)這個理想目標(biāo)，卻是相當(dāng)困難。因此，諸如ISO 26262和IEC 61508等標(biāo)準(zhǔn)在定義安全相關(guān)系統(tǒng)所需之功能安全等級時，一般多采用機率風(fēng)險評估方法。這些標(biāo)準(zhǔn)定義（汽車）安全完整性等級（ASIL/SIL），以規(guī)定必須遵守的系統(tǒng)屬性，以及應(yīng)采用的工程制程嚴(yán)格度，以符合相關(guān)的系統(tǒng)認(rèn)證要求，其中包括定義系統(tǒng)安全目標(biāo)及容忍錯誤率的安全概念，以及將機能配置到硬件和軟件功能的安全架構(gòu)，以長期持續(xù)偵測系統(tǒng)是否正常運作。傳統(tǒng)上，安全軟件、硬件及工具屬于獨立的解決方案，能夠各自解決部分需求，卻無法加以整合。不過，目前有一種提供完整解決方案的整合式PRO-SIL™概念，能透過有效且整合的方式達成功能安全目標(biāo)，以充分降低風(fēng)險、節(jié)省成本及減少復(fù)雜性。


開發(fā)“安全”系統(tǒng)的基本動機，在于發(fā)現(xiàn)缺陷時，確保安全的操作和明確定義的行為。IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)便是在此背景下，於1980年代中期發(fā)展而成，并且不斷修訂。此標(biāo)準(zhǔn)定義了電子和電動裝置安全系統(tǒng)的設(shè)計。另外，針對制程自動化（IEC 61511）、機械自動化（ISO 13849）、驅(qū)動裝置 （IEC 61800-5）、核能（IEC 61513）及汽車（ISO 26262 草案）等特定需求的標(biāo)準(zhǔn)，也由此一般標(biāo)準(zhǔn)衍生而成。確保符合 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)的測量方法，取決於系統(tǒng)中每種危險所需的安全完整性等級（表1）（SIL 1至SIL 4適用于自動化應(yīng)用，ASIL A至ASIL D適用于汽車應(yīng)用）。


近兩年來，功能安全已從系統(tǒng)整合者作業(yè)轉(zhuǎn)移為元件／軟件等級。簡單的電子元件和復(fù)雜的微處理器皆必須支援IEC 61508。對系統(tǒng)設(shè)計師而言，最重要且經(jīng)常最花時間的挑戰(zhàn)之一，就是確保系統(tǒng)的安全，而且不僅要在最高系統(tǒng)層級上獲得相關(guān)認(rèn)證，機器的硬件和注冊資料也需有同樣水準(zhǔn)。IEC 61508針對硬件規(guī)定了詳細(xì)的硬件管理和測試需求，因此，撰寫安全關(guān)鍵軟件來執(zhí)行這些功能相當(dāng)費時且昂貴，而且不易在裝置之間攜行使用。

多重CPU－成本與空間密集

在使用配備單一微處理器的單通道架構(gòu)之下，最大安全完整性等級將限制為SIL 2。因此，SIL 3或ASIL C/D系統(tǒng)及安全產(chǎn)品采用多重CPU設(shè)計，以處理自我測試和確保備援。然而這種解決方案相當(dāng)復(fù)雜且昂貴，因為會占用大量PCB空間，而且覆蓋范圍因兩個CPU之間的同步和傳遞問題而受限。新方法是增加特殊的外部硬件區(qū)塊，并使用在標(biāo)準(zhǔn)雙核心32位微處理器上執(zhí)行的軟件程序庫，借此突破指定的媒體診斷范圍（DC） 限制。此解決方案透過使用單一微處理器來減輕開發(fā)負(fù)擔(dān)和原料成本，并運用智慧型安全概念搭配所有相關(guān)元件（包括依據(jù)IEC61508/ISO26262開發(fā)且方便的自我測試功能），快速可靠地將安全性納入相關(guān)系統(tǒng)。

TriCore不采用外部第二核心來評估微處理器的功能故障；TriCore已包含TriCore CPU本身（微處理器及DSP）及周邊控制處理器（PCP）雙核心（圖 1），因此不需要外部第二核心來進行安全性評估。


完整的設(shè)計套件

在建置安全關(guān)鍵應(yīng)用方面，市場上已經(jīng)有不同的解決方案。盡管大多數(shù)領(lǐng)導(dǎo)供應(yīng)商皆提供汽車應(yīng)用的相關(guān)方法，但是包含工業(yè)在內(nèi)之其他應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)方法卻仍然有限，而且可用的裝置發(fā)展經(jīng)常受到限制。汽車系統(tǒng)講求嚴(yán)格的安全要求，英飛凌利用在此領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，開發(fā)出PRO-SIL安全產(chǎn)品，以高度整合的安全解決方案來滿足持續(xù)增加的工業(yè)市場需求。經(jīng)過認(rèn)證的汽車解決方案可輕松供其他應(yīng)用使用，同時提供各種裝置。PRO-SIL的建置是以其32位TriCore或16位XC2300微處理器為基礎(chǔ)，同時包含SafeTcore測試程序庫及CIC61508安全監(jiān)控芯片（圖 2）。此建置經(jīng)過完整驗證，完全符合IEC 61508的規(guī)定。


如何輕松達成汽車功能的安全性（二）？


創(chuàng)新的安全概念

單通道（1oo1或1 out of 1）或雙通道（1oo2或1 out of 2）結(jié)構(gòu)是兩種最常見的安全控制架構(gòu)，后者是以兩個獨立的處理單元為基礎(chǔ)。1oo1結(jié)構(gòu)提供經(jīng)濟的解決方案，其安全完整性等級僅限于SIL 2。雙通道架構(gòu)（1oo2）支援SIL 3高安全完整性等級，但需要更高的成本及更多的電路板空間。PRO-SIL 概念采用的安全架構(gòu)為1oo1結(jié)構(gòu)，搭配智慧型診斷功能（1oo1D）。

創(chuàng)新的安全概念以挑戰(zhàn)／回應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ)，TriCore芯片上的PCP扮演挑戰(zhàn)者，主TriCoreCPU則執(zhí)行測試。資訊經(jīng)由共享記憶體結(jié)構(gòu)傳送，資料將維持多樣并獲得備援。自我測試功能在PCP上執(zhí)行，并由透過SPI連結(jié)TriCore芯片的外部智慧型看門狗（CIC61508）額外加以監(jiān)控（圖 3）?？撮T狗裝置是盡可能減少共因失效的有效方法?？撮T狗使用特定的計時視窗與TriCore芯片傳遞訊息，以檢查TriCore芯片的時脈、電壓及正確運作是否符合標(biāo)準(zhǔn)定義。TriCore則負(fù)責(zé)監(jiān)控CIC 61508的電源供應(yīng)，并透過遠(yuǎn)端診斷測量方法來監(jiān)控其是否正確運作。主TriCore CPU和PCP之間會共享錯誤偵測（硬件故障和任務(wù)監(jiān)控）。　


PCP軟件內(nèi)含PCP自我測試、C/R（Challenge/Response，挑戰(zhàn)／回應(yīng)）通訊、看門狗通訊、測試執(zhí)行監(jiān)控及任務(wù)監(jiān)控等功能。TriCore中所執(zhí)行的SafeTcore程序庫為可組態(tài)的架構(gòu)，可提供測試功能來驗證處理器和系統(tǒng)完整性（圖 4）。這些測試大部分會進行建置，因此能夠在起始時間執(zhí)行，同時也可以在執(zhí)行時間於背景執(zhí)行。典型的診斷間隔時間為6.4ms。最復(fù)雜的測試為TriCore CPU自我測試。透過使用創(chuàng)新的安全概念，此項操作碼式自我測試的整體診斷覆蓋率可達96.5%，遠(yuǎn)勝于其他指令集測試，且具有可中斷且低延遲的優(yōu)點?！?/div>


SafeTcore測試程序庫

SafeTcore套件提供工具，有助于同步完成兩項任務(wù)，亦即符合SIL1至SIL3（或 ASIL B-D）所需的認(rèn)證，以及配合緊迫的上市日程表。最大的認(rèn)證挑戰(zhàn)是達到芯片級 （silicon level） 所需的測試，并擁有可支持安全實例的說明文件。SafeTcore套件經(jīng)由高度可組態(tài)性的驅(qū)動器程序庫，為TriCore系列裝置提供前述功能，并結(jié)合完整可用的安全手冊、安全實例及需求／追蹤資料庫。SafeTcore集具有強大的自我測試程序，運用在PCP上于起始時間開始并周期于應(yīng)用程式內(nèi)執(zhí)行的SafeTcore集（圖 5），使用者軟件的正確運作及TriCore CPU本身將可獲得驗證和認(rèn)證。


此核心測試功能結(jié)合了詳細(xì)的周邊測試及自動支援安全監(jiān)控芯片。SafeTcore程序庫的軟件測試集亦提供作業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控功能，以執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)及制造流程監(jiān)控，可支援安全的程式碼執(zhí)行，以及超過 99% 的診斷覆蓋率。SafeTcore套件亦包括將各種程序庫要素整合至使用者應(yīng)用程式的安全手冊，以及安全整合性等級的核可。

看門狗

CIC61508 可整合至各種功能安全相關(guān)應(yīng)用程式?？撮T狗可偵測可能造成微處理器運算錯誤之常見時脈、供電及溫度失效模式，藉此監(jiān)控主微處理器（如TriCore芯片）。由于采用了 TSSOP-38 的小型封裝，CIC61508 具有節(jié)省空間和成本效益的特性，是支援安全防護應(yīng)用的首選。

在使用TriCoreMCU 的安全相關(guān)系統(tǒng)中，TriCore 主核心執(zhí)行 SafeTcore測試軟件以及核心和周邊測試，PCP 則監(jiān)控TriCore主核心。CIC61508 外部看門狗監(jiān)控兩個核心，以確定失效共因。由于 PCP 已建置各種自我測試功能，TriCore/CIC61508 組合僅需要由 CIC61508 提供的功能子集。

CIC61508 所支援的測試特性，存在儲存器中，包括內(nèi)部操作碼測試日程表／定序器，可產(chǎn)生一連串附帶特定資料的測試需求，并依據(jù)使用者自定表格來檢查回應(yīng)。其他監(jiān)控功能包括可偵測多達 4 個電源域的欠壓及過壓、監(jiān)控多達 8 項平行資料比對及確認(rèn)，并包含作業(yè)系統(tǒng)的任務(wù)監(jiān)控，可以檢查預(yù)先定義的派工順序，以及執(zhí)行預(yù)定的所有安全重要任務(wù)。
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