如今,，汽車行業(yè)變革迅猛,，汽車的設(shè)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(yù)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(fù)合增長率達到7%。半導(dǎo)體廠商將有機會在汽車電子領(lǐng)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(luò)實現(xiàn)車輛間及道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的互聯(lián),。但是,，隨著系統(tǒng)的復(fù)雜化，保證駕駛員安全就變得更為關(guān)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(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”。

　　不同領(lǐng)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(dǎo),。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(guān)重要,，因為中途修改研發(fā)流程必然會導(dǎo)致效率低下,。圖1展示了硅片IP的不同應(yīng)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(yù)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(guān)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(dǎo)致突發(fā)性的錯誤轉(zhuǎn)向,，但是由于電氣和機械設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)計制造成本的上升,，是設(shè)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(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(dāng)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(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(yīng)用于系統(tǒng)啟動和關(guān)閉,，區(qū)分軟性和永久性故障。

　　圖2：故障類型

　　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)：

　　·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(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?？煽浚矘O為昂貴,。

　　·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,。

　　·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,。

　　·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(dāng)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,，后者通常可以在使用過程中被很快發(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的反映功能的關(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,，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(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(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)。

　　·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,。

　　·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,。就功能安全相關(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,。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(shè)計師解決更高級別汽車難題的基礎(chǔ),。