什么是功能安全？汽車功能安全的設計方案

如今，汽車行業(yè)變革迅猛，汽車的設計、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化計算能力以優(yōu)化車輛控制。歐盟新車安全評鑒協(xié)會（EuroNCAP）頒布的新標準規(guī)定，車道變換支持等安全輔助功能是獲得五星安全評級的必要條件。車載處理器的數(shù)量在所有細分市場都穩(wěn)步上升，目前平均為40-50個，而一些高端車型則已經(jīng)搭載近120個處理器。據(jù)Semicast Research預測，到2022年，僅發(fā)動機引擎罩下的電子控制單元（ECU）組件就將達到近860億美元的市場規(guī)模，相較2015年的530億年復合增長率達到7%。半導體廠商將有機會在汽車電子領域挖掘一大桶金。

高科技芯片可以改善動力系統(tǒng)排放、增強安全性能、并利用蜂窩網(wǎng)絡實現(xiàn)車輛間及道路基礎設施之間的互聯(lián)。但是，隨著系統(tǒng)的復雜化，保證駕駛員安全就變得更為關鍵，必須打造更加自動化，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)品安全運行，即便出現(xiàn)問題也可以繼續(xù)保駕護航?；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向隨波逐流，不斷加強研發(fā)，推出更多功能安全相關產(chǎn)品。

各行各業(yè)都會制定標準，指導未來發(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)故障而導致的不合理風險”。

不同領域的標準并不完全一致，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，并提供了包括目標參數(shù)在內(nèi)的工程研發(fā)指導。因此，開始產(chǎn)品研發(fā)前確定目標市場并制定合適的流程至關重要，因為中途修改研發(fā)流程必然會導致效率低下。圖1展示了硅片IP的不同應用標準。實際操作中，如果需要滿足多套標準，則可以求同存異，先列出專屬需求，再執(zhí)行質(zhì)量管理等通用準則；最一開始就要做到安全第一。

圖1：硅片IP的功能安全標準

實際操作中，功能安全系統(tǒng)必須由獨立評估員認證，符合所有安全標準。實現(xiàn)功能安全需要具備預測能力的故障模式，實時判斷系統(tǒng)狀態(tài)是功能完整，部分功能損壞，還是系統(tǒng)必須關閉進行重啟或重置。

并不是所有故障都會立刻引發(fā)嚴重事故。比如，汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障可能會導致突發(fā)性的錯誤轉(zhuǎn)向，但是由于電氣和機械設計天然的時間延遲，故障并不會馬上產(chǎn)生后果，這一延遲通常是幾毫秒以上，ISO 26262將之定義為容錯時間間隔，間隔長短取決于潛在的事故類型和系統(tǒng)設計。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該避免。

理想情況下，功能安全不會影響系統(tǒng)性能；但現(xiàn)實生活中，現(xiàn)行的許多安全措施都會嚴重影響系統(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計制造成本的上升，是設計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。

自動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，新興的功能安全應用也需要半導體的驅(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，不僅可以執(zhí)行關鍵行為處理，應對安全相關的中斷事件，與其他系統(tǒng)通訊，還可以對集成度較低的復雜功能進行監(jiān)管。

什么是故障？

故障可能是系統(tǒng)性的（如規(guī)范制定和設計過程中的人為因素）；也有可能與使用的工具有關。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）可以應用于系統(tǒng)啟動和關閉，區(qū)分軟性和永久性故障。

圖2：故障類型

應對措施

故障檢測和控制措施的選擇和設計是流程設計師最喜歡的環(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，加上設計師對復雜系統(tǒng)的深入理解，即可鑒別出最嚴重的故障模式，并設計出應對措施。

應對潛在故障的方法較多，下面列出了一些最常用的技術(shù)：

·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)。

·完整鎖步復制：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。

·選擇性硬件冗余：這個方案里，只有硬件的關鍵部分可以復制，如仲裁器。

·軟件冗余：硬件冗余通常非常復雜，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。

·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安全等級的方法也各不相同，但其主要目的是直觀的反映功能的關鍵性。比如說，控制擋風玻璃雨刮、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的；而各項標準的作用就是指導人們?nèi)绾味x安全完整性等級，并提供相關參數(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，就表二所示，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)。可檢測故障的比例被稱為診斷覆蓋率。

表1. ISO 26262的推薦標準

盡管這些指標通常被視為標準要求，但在實際應用中，它們一般只被視為建議，供應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)安全設計。

無論診斷覆蓋率多高，打造功能安全應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用的整體質(zhì)量。

功能安全IP的設計流程

開發(fā)功能安全應用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)流程必須包含以下幾個重要方面：

·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、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。

·需求管理和故障檢測及控制措施（應對措施）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，必須經(jīng)過詳細驗證。

·質(zhì)量管理是需求追溯的拓展和延伸。勘誤表必須得到妥善管理和使用。ARM在這一領域擁有豐富的經(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，我們的合作關系并不會止于客戶收到IP的那一刻。就功能安全相關的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)設備，依賴電子器件的應用越來越多，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。包括駕駛員安全、燃油經(jīng)濟性、舒適度和車載信息娛樂系統(tǒng)等，功能安全是芯片設計師解決更高級別汽車難題的基礎。