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作者：Deepak Negi、Neha Bagri和Vikas Agarwal，飛思卡爾半導體 一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)對系統質(zhì)量、可維護性、可靠性、可用性及安全性等指標做出評測，來(lái)衡量系統在環(huán)境中的性能。功能安全是系統相對于可能出現的操作錯誤、硬件故障及環(huán)境變化的整體安全性。這取決于系統或設備能否響應輸入正確地運行，包括安全地管理操作錯誤、硬件故障和環(huán)境變化。功能安全的目標是避免不可接受的身體傷害，或對健康直接或間接造成的損害風(fēng)險。 為了確保安全功能能夠符合設計初衷，包括在操作員輸入不正確和故障模式等情況下，人們一直不斷改進(jìn)各種標準。IEC61508是適用于各個(gè)行業(yè)的國際功能安全標準之一，名稱(chēng)是“電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統的功能安全(E/E/PE或E/E/PES)”。ISO 26262是從IEC 61508衍生而來(lái)的功能安全標準，名稱(chēng)為“道路車(chē)輛-功能安全”，適用于汽車(chē)行業(yè)。ISO 26262定義了汽車(chē)設備的功能安全，適用于所有汽車(chē)電子電氣安全相關(guān)系統的整個(gè)生命周期。 SoC系統級芯片遵循多種設計技術(shù)，以符合安全標準，這些在ISO-26262標準中都有所介紹。冗余、自檢機制、信號監測、電壓電源監測和“看門(mén)狗”是在符合安全標準的設備中所使用的幾種技術(shù)。冗余是這些設備的主要組成部分。冗余在汽車(chē)設備中的使用有多種方式，許多符合安全標準的設備將鎖步、ECC、CRC及校驗等用作冗余技術(shù)。本文將主要介紹SoC中使用到的冗余技術(shù)，包括硬件、軟件、信息和時(shí)間冗余等。 汽車(chē)硬件冗余機制 冗余是指除了在關(guān)鍵功能中使用的組件外，還包含額外的組件，旨在提高系統的可靠性和可用性。冗余的添加方式有很多，如硬件(例如雙核鎖步)冗余、軟件冗余、信息冗余(例如將ECC添加到存儲器)和時(shí)間冗余。一般情況下，冗余依據MooN概念工作。 N分之M(M-out-of-N，MooN)系統包含N個(gè)相同的組件，工作原理是：如果N個(gè)組件中的至少M個(gè)組件正常工作，那么該系統沒(méi)有錯誤。一個(gè)示例是三重模塊化冗余(TMR)，這實(shí)際上是一個(gè)三分之二(2oo3)系統。如果3個(gè)組件中至少有兩個(gè)組件(大部分)正常運行，那么該系統則被視為正常運行。 MooN系統在硬件和軟件中使用。在硬件中，關(guān)鍵組件被復制，根據多數投票原則做出決策。而在軟件中，一個(gè)任務(wù)被重復多次，然后比較任務(wù)執行結果，生成最后結果。在SoC中，硬件冗余可以采用多種形式：復制執行安全關(guān)鍵任務(wù)的內核(也稱(chēng)為鎖步)、延遲鎖步(1oo1系統)、非對稱(chēng)鎖步、三次投票(2oo3系統)。 在符合安全標準的高級設備中，執行安全關(guān)鍵任務(wù)的內核被復制，應用在鎖步模式下運行這兩個(gè)內核，比較結果，確保冗余處理產(chǎn)生完全相同的結果。如未獲得完全相同的結果，則視為發(fā)生了故障。 在鎖步模式下，同時(shí)將同一組輸入發(fā)送到這兩個(gè)內核，然后這兩個(gè)內核在相同的時(shí)鐘周期內執行相同的計算，定期比較結果，檢測是否發(fā)生了故障(無(wú)論是瞬時(shí)故障、間歇性還是永久性故障)。一旦輸出不匹配，通常會(huì )標記故障并執行重啟。圖1顯示了鎖步中的內核(雙核鎖步)。 
圖1：鎖步中的內核(雙核鎖步)工作原理 延遲鎖步是鎖步的一種，其中一個(gè)內核的輸入延遲了N個(gè)時(shí)鐘周期，另一個(gè)內核的輸出也延遲了相同的時(shí)間，然后比較結果。用這種方法，可獲得時(shí)間分集。由于一個(gè)內核在N個(gè)時(shí)鐘周期后將執行相同的運算，沖擊這兩個(gè)內核并以相同的方式影響其功能的噪聲脈沖的概率將大大減少。圖2顯示了延遲鎖步的工作配置。饋送給內核2的數據被延遲了兩個(gè)時(shí)鐘周期。內核2的重置也延遲了兩個(gè)周期。內核1的輸出延遲了兩個(gè)時(shí)鐘周期，然后由校驗器電路進(jìn)行比較。如發(fā)現故障，則標記錯誤。
圖2：延遲鎖步的工作配置 在非對稱(chēng)冗余中，不復制相同的內核，而是使用不同的內核。不同的專(zhuān)用內核通過(guò)一個(gè)接口與主內核緊密耦合，實(shí)現內部和外部結果的逐步比較。該接口降低了復雜性，縮短了錯誤檢測延遲。主核執行關(guān)鍵的任務(wù)，而專(zhuān)用的多樣化內核則復制足夠多的主核執行，確保能夠檢測故障，或確保主核的安全運行。由于硬件的多樣性，可以有效覆蓋共因故障和系統故障。內核的不同結構將導致不同的內核反應方法，改善共因故障的診斷覆蓋。因此這兩個(gè)內核發(fā)生的同類(lèi)故障的情況將減少。并行通道無(wú)需單獨的代碼，專(zhuān)用內核比主核小。有時(shí)，主核的面積差異可高達50%及以上。這種方法的缺點(diǎn)是，可能需要詳細的分析來(lái)證明診斷覆蓋。 此類(lèi)冗余在位級實(shí)施，安全關(guān)鍵任務(wù)中所使用的寄存器位被復制兩次，根據多數投票邏輯生成輸出。這是2oo3多數投票系統的一個(gè)示例，如果這三個(gè)觸發(fā)器中的任何一個(gè)發(fā)生故障，那么其余的兩個(gè)觸發(fā)器將掩蓋故障。假設很難同時(shí)損壞這三個(gè)觸發(fā)器中的兩個(gè)，那么這種技術(shù)可保持系統運行。由于在這種情況下，面積補償是雙倍的，因此需要徹底檢驗設計配置位，確定安全關(guān)鍵的配置信息，避免任何不必要的面積開(kāi)銷(xiāo)。 軟件多樣化冗余 在軟件冗余中，將在軟件中執行該任務(wù)多次�？墒褂貌煌能浖䦂绦性撊蝿�(wù)多次(不同的算法用于同一個(gè)任務(wù))，然后比較結果， 這將改善診斷覆蓋。 設計中使用兩種完全不同的軟件實(shí)現，即在一個(gè)處理單元中使用不同的算法來(lái)執行相同的任務(wù)。圖3說(shuō)明了實(shí)現情況。主用通道負責計算，如果計算錯誤，可能導致危險。冗余通道負責檢驗主用通道的計算，如果發(fā)現故障則采取行動(dòng)。冗余通道采用單獨的算法設計和代碼實(shí)現，以提供軟件多樣化。一旦兩條通道都完成后，則比較這兩種冗余軟件實(shí)現的輸出數據。如發(fā)現差異，則生成故障消息。
圖3：?jiǎn)我挥布ǖ儡浖哂喙ぷ髟?br /> 算法多樣化示例包括：A+B=C與C-B=A。一個(gè)通道使用正常的計算，另一個(gè)通道使用二進(jìn)制補碼數學(xué)。 兩個(gè)處理單元相互交換數據(包括結果、中間結果和測試數據)，在每個(gè)單元中使用軟件比較數據，如檢測到差異則生成故障消息。圖4說(shuō)明了實(shí)現情況。在這種情況下，主用通道和冗余通道在不同的處理單元中使用不同的軟件算法來(lái)執行。如果使用不同的處理器類(lèi)型以及單獨的算法設計、代碼和編譯器，那么這種方法允許硬件和軟件多樣性。另外，外設復制與內核復制不同。外設共享外部世界的相同輸入，外設的輸出在軟件中進(jìn)行比較。例如，在SoC中使用多個(gè)ADC，輸入信道被復制到大多數ADC，它們的輸出可在軟件中進(jìn)行比較。
圖4：多處理單元軟件冗余工作原理 信息冗余和時(shí)間冗余 信息冗余是指在通過(guò)嘈雜的信道傳輸信息時(shí)添加到實(shí)際數據中的冗余數據，目的是檢測故障或修復故障。 下面介紹了幾種信息冗余方案，如：奇偶校驗位、校驗和、糾錯碼。 奇偶校驗位是指被添加到二進(jìn)制數據結尾的位，指示數據中“1”的數量是奇數還是偶數。偶校驗方案是指如果數據中“1”的數量為奇數，則向數據添加一個(gè)“1”。奇校驗方案是指，如果數據中“1”的數量為偶數，則向數據添加一個(gè) “1”。例如，如果實(shí)際數據為 “11110000 0000”，并且在其后添加了一個(gè)偶校驗位，那么“111100000 0000 0”將通過(guò)通信信道傳輸。在接收器端，如果收到單個(gè)的位觸發(fā)數據，那么接收器將檢測到數據在傳輸過(guò)程中被破壞，可請求發(fā)射器重新發(fā)送數據。 校驗和是使用某些函數通過(guò)信息數據計算的數據。它與信息數據一起通過(guò)噪聲信道傳輸。在接收器端，使用收到的數據計算校驗和。計算的校驗和應匹配所收到的校驗和。錯誤檢測功能取決于冗余比特數量、數據大小，以及生成校驗和所用的多項式。 奇偶性、模塊化和和與位置相關(guān)的校驗和是幾種可用于錯誤檢測的校驗和示例。在檢測到錯誤的情況下，可通過(guò)信號通知發(fā)射器，重新傳輸數據。 某些校驗函數不僅能夠檢測錯誤，還能指出數據中可能引入的某些類(lèi)型的錯誤，從而在不重新發(fā)送數據的情況下讓接收器能夠獲得正確的數據，這些函數被稱(chēng)為糾錯碼。能夠被校正的錯誤也有限制。例如，漢明碼是糾錯碼。盡管漢明碼能夠檢測到雙位錯誤，但只能校正數據中的單位錯誤。格雷碼能夠檢測四位錯誤，但只能校正三位錯誤。BCH 碼、Goppa碼、Reed-Solomon 碼、Reed-Muller碼和Hadamard碼是以其發(fā)明人命名的其他代碼。此類(lèi)編碼技術(shù)可作為信息和編碼理論的一部分進(jìn)行研究，是應用數學(xué)、電子工程和計算機科學(xué)的一個(gè)有趣和廣泛的分支。 時(shí)間冗余是指以冗余的方式執行安全關(guān)鍵的任務(wù)，隨時(shí)間而變化。由于這些冗余任務(wù)隨時(shí)間而變化，因此有助于消除瞬時(shí)故障。其中，單個(gè)硬件信道上的時(shí)間冗余是使用同一款軟件在一個(gè)硬件上執行多次安全關(guān)鍵的任務(wù)，然后再比較多次運算的結果。如果發(fā)現差異，則執行相關(guān)的糾正操作。上述“軟件冗余”部分中描述的“軟件多樣化冗余”(一個(gè)硬件通道)是此類(lèi)冗余的擴展版本。 并行硬件信道上的時(shí)間冗余是在并行信道上執行、但不同時(shí)執行所有安全關(guān)鍵的任務(wù)，它有助于隨著(zhù)時(shí)間的推移創(chuàng )建冗余。 瞬時(shí)故障不會(huì )以相同的方式影響操作，即使并行信道是對稱(chēng)的硬件。上述“硬件冗余”部分中描述的“延遲鎖步”是此類(lèi)時(shí)間冗余的一個(gè)示例。 結語(yǔ) 汽車(chē)行業(yè)使用到多種設計技術(shù)，以實(shí)現安全性，各種冗余技術(shù)是實(shí)現安全性所必不可少的，目的是確保設備在發(fā)生故障時(shí)更加可靠和穩定。硬件冗余的優(yōu)勢是能夠盡早檢測到故障，但代價(jià)是需要增加硬件數量。另一方面，如果系統成本有限，那么軟件冗余可能用處更大�？傊�，冗余是實(shí)現提高汽車(chē)安全性能的關(guān)鍵所在，可以利用硬件和軟件冗余，以及信息冗余、時(shí)間冗余等，使得系統更加穩定而可靠。 |
