簡介
隨著自動(dòng)駕駛和電氣化的日漸盛行，互聯(lián)車輛應(yīng)用程序的不斷增多，對車輛安全的要求日趨嚴(yán)格。同時(shí)，電氣電子（E/E）車輛架構(gòu)也日漸復(fù)雜。在這些趨勢的共同影響下，解決方案架構(gòu)師和工程師都在探尋新的方法，以求應(yīng)對設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，滿足設(shè)計(jì)對功能安全的要求，實(shí)現(xiàn)國際化合規(guī)，并交付豐富而又靈活的解決方案。
我們將探討以下內(nèi)容： 對2011版和2018版ISO 26262“道路車輛-功能安全”標(biāo)準(zhǔn)的比較 AUTOSAR電子控制單元（ECU）的設(shè)計(jì)考慮因素 可能的故障場景以及應(yīng)對策略，以消除在不同汽車安全完整性級別（ASIL）中軟件組件及功能之間的干擾 多核框架如何通過處理器間的通信對單獨(dú)的域進(jìn)行維護(hù)，從而在多核片上系統(tǒng)（SoC）上實(shí)現(xiàn)混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)。
汽車行業(yè)的大趨勢
汽車行業(yè)正由四個(gè)關(guān)鍵的大趨勢推動(dòng)：
1.無人駕駛：當(dāng)今的無人駕駛汽車需要在復(fù)雜的功能之間實(shí)現(xiàn)良好的互操作性，這一點(diǎn)只有E/E設(shè)計(jì)才能做到。因此，E/E設(shè)計(jì)市場正以7%的年均復(fù)合增長率增長，預(yù)計(jì)將于2030年增長到4690億美元。
2.互聯(lián)：互聯(lián)車輛需要關(guān)注安全和數(shù)據(jù)隱私，因?yàn)槊枯v無人駕駛汽車每天會(huì)產(chǎn)生4萬億字節(jié)數(shù)據(jù)。
3.電氣化：對于電動(dòng)汽車而言，其性能取決于電池的重量和續(xù)航里程。解決性能難題后，電動(dòng)汽車將更為普及，到2030年將占據(jù)新車銷售量的55%。
4.共享移動(dòng)出行：環(huán)保倡議將繼續(xù)強(qiáng)化共享移動(dòng)出行的重要性，但正常運(yùn)營時(shí)間和用戶來源將是成功的關(guān)鍵。據(jù)麥肯錫預(yù)測，該細(xì)分市場到2030年將產(chǎn)生1.5萬億美元的服務(wù)營收。 這些數(shù)字蘊(yùn)藏著巨大的機(jī)遇，但也潛伏著生存危機(jī)。市場參與者必須成為顛覆者，或者具備對不斷變化的市場情況和趨勢做出快速反應(yīng)的能力。
重要的安全與安防
當(dāng)今的車輛由無數(shù)復(fù)雜系統(tǒng)組成，任何系統(tǒng)故障或失效都可能引發(fā)嚴(yán)重的后果。不僅汽車制造商可能面臨代價(jià)沉重的法律訴訟和名譽(yù)損失，用戶的生命也會(huì)深受威脅。因此，從E/E系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始，汽車制造商將功能安全放在每個(gè)開發(fā)階段的首位。 AUTOSAR因此而生。AUTOSAR是由汽車及軟件行業(yè)的300多家領(lǐng)先企業(yè)組成的全球合作組織，為智能移動(dòng)出行建立了標(biāo)準(zhǔn)化軟件框架和開放式系統(tǒng)架構(gòu)。該組織聯(lián)合了31家國際汽車原始設(shè)備制造商（OEM），最暢銷的20家OEM均在其中。與其他一級參與者及供應(yīng)商一起，這些AUTOSAR合作伙伴攜手描繪了智能移動(dòng)出行的未來，并共同定義了汽車開放式系統(tǒng)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，以便對未來汽車應(yīng)用程序的需求提供支持。
AUTOSAR能夠確保在應(yīng)用程序?qū)訉?shí)施標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，使軟件組件可以使用虛擬功能總線通過特定端口進(jìn)行通信。該框架支持使用各種安全措施和機(jī)制來開發(fā)與安全相關(guān)的系統(tǒng)。 ISO 26262指定了用于捕捉系統(tǒng)需求、編碼和開發(fā)、測試策略和執(zhí)行以及系統(tǒng)文檔的協(xié)議。它提供了各種方法以驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)是否遵守了可重復(fù)且可靠的設(shè)計(jì)和測試流程。 該標(biāo)準(zhǔn)并非一成不變，相反，它在近幾年引入了許多修改。從軟件開發(fā)角度來看，近期修改主要體現(xiàn)在安全內(nèi)容、新興技術(shù)以及重心轉(zhuǎn)變?nèi)齻€(gè)方面： 安全內(nèi)容：增加了對安全管理和規(guī)劃等更多安全內(nèi)容的要求。刪除了重復(fù)的“精制”工作產(chǎn)品內(nèi)容。
新興技術(shù)：更改了引入多核、基于模型的開發(fā)和敏捷方法后的相關(guān)內(nèi)容。
重心轉(zhuǎn)變：將更多重心放在軟件架構(gòu)、軟件安全分析、故障分析、故障注入和耦合因數(shù)等方面。
輸入確保功能安全的方法標(biāo)題
AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)一直在發(fā)展以適應(yīng)現(xiàn)代行業(yè)需求。讓我們來看看它為滿足安全需求而提供的方法。
●內(nèi)存分區(qū)：AUTOSAR隔離了軟件組件，使它們不會(huì)更改或干擾與其他組件關(guān)聯(lián)的內(nèi)存（見圖1）。運(yùn)行時(shí)環(huán)境（RTE）下的基礎(chǔ)軟件（BSW）層中的組件在模型中按照ASIL需求進(jìn)行隔離。根據(jù)指派的ASIL，每個(gè)軟件組件都分組在相應(yīng)分區(qū)中。可以使用多核系統(tǒng)盡量將功能分配到一個(gè)ECU，AUTOSAR支持此用例。分區(qū)式內(nèi)存系統(tǒng)可以部署在多核MCU上。內(nèi)核間的上下文切換可與內(nèi)存分區(qū)間的上下文切換保持一致，使實(shí)施的用例可以在每個(gè)內(nèi)核中單獨(dú)提供BSW功能并同時(shí)以多個(gè)內(nèi)核保證功能正常（見圖2）。
圖1：內(nèi)存級別的空間隔離
圖2：內(nèi)核級別的空間隔離
●無干擾：不同ASIL之間互不干擾是安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)（見圖3）。如之前所述，這依賴于安全內(nèi)存在空間方面提供的隔離。隔離的另一種主要方法是時(shí)間隔離，該方法由安全通信實(shí)現(xiàn)，可以提供安全執(zhí)行和數(shù)據(jù)完整性。不過，無人駕駛系統(tǒng)還依賴于同步模式管理。要確保系統(tǒng)在相同的條件下正常運(yùn)行，必須通過以適當(dāng)方式保護(hù)和傳播的系統(tǒng)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)安全同步。在AUTOSAR系統(tǒng)中，這由運(yùn)行時(shí)環(huán)境、基礎(chǔ)軟件模式管理器和ECU狀態(tài)管理器加以保障。
圖3：無干擾
●安全通信：安全通信需要保證發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)交互的完整性（見圖4）。因此，需要數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制來保護(hù)通信鏈接以防出現(xiàn)故障。此類故障的示例包括：隨機(jī)硬件故障（例如，控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）收發(fā)器的寄存器損壞）、電磁（EMC）干擾以及系統(tǒng)性故障。AUTOSAR中的端到端通信保護(hù)庫可以檢測和處理運(yùn)行時(shí)通信鏈接中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，能夠滿足ASIL D級安全通信的要求。
圖4：端到端通信保護(hù)
●時(shí)間隔離：對于安全執(zhí)行，我們確定時(shí)序以使系統(tǒng)的操作和反應(yīng)在分配的時(shí)隙中執(zhí)行（見圖5）。正確的時(shí)隙可以按照一組時(shí)序約束加以說明。由于固定優(yōu)先級搶占調(diào)度的原因，AUTOSAR中不強(qiáng)制要求時(shí)間分區(qū)。不過，操作系統(tǒng)（OS）提供了用于時(shí)序故障的機(jī)制。時(shí)序保護(hù)預(yù)算包括執(zhí)行時(shí)間、資源鎖定時(shí)間以及間隔時(shí)間保護(hù)預(yù)算，這些都是靜態(tài)配置的。該機(jī)制可以盡量降低任務(wù)之間的干擾，并滿足ISO 26262所要求的無錯(cuò)傳播（見圖5）。最壞情況執(zhí)行時(shí)間（WCET）是任務(wù)在目標(biāo)任務(wù)序列中的最長執(zhí)行時(shí)間。對于具有較高ASIL要求的關(guān)鍵任務(wù)，開發(fā)人員需要投入更多精力來提高WCET。
圖5：時(shí)間隔離
●可調(diào)度性：嵌入式系統(tǒng)通常具有實(shí)時(shí)限制。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)偶爾會(huì)錯(cuò)過截止時(shí)間。不過，如果安全關(guān)鍵型硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)錯(cuò)過截止時(shí)間，那么它們可能會(huì)出現(xiàn)故障，造成人員傷亡或環(huán)境危險(xiǎn)。由“速率單調(diào)”或“最早截止時(shí)間”等算法調(diào)度的OS任務(wù)有助于實(shí)現(xiàn)可調(diào)度性分析，以使任務(wù)符合處理器中的截止時(shí)間。除軟件執(zhí)行路徑外，生成的時(shí)序分析還受處理器架構(gòu)以及內(nèi)核數(shù)或分區(qū)數(shù)的影響。AUTOSAR支持OS預(yù)配，它依賴于用于實(shí)現(xiàn)可靠任務(wù)執(zhí)行的調(diào)度表。 所有這些方法都需要廣泛的工具支持。例如，在多核架構(gòu)中分配總線通信是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的配置，其中涉及上千信號和數(shù)百協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。采用AUTOSAR工作流程可以確保系統(tǒng)的行為符合預(yù)期（見圖6）。除自動(dòng)化工作流程外，還必須確保設(shè)置正確以及工程任務(wù)已成功實(shí)施，包括正確指派到ASIL分區(qū)，其中可以從不同角度以不同方法來分析相依性。
圖6：用于在不同分區(qū)中分配BSW和軟件組件（SWC）的工具支持
確保系統(tǒng)一致性
最后要考慮的是系統(tǒng)一致性。基于模型的系統(tǒng)建模方法是用于開發(fā)初步系統(tǒng)的多階段開發(fā)流程，該流程綜合考慮了ISO 26262規(guī)范的所有方面（如系統(tǒng)、硬件和軟件開發(fā)）以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析中提出的功能安全目標(biāo)。第一個(gè)階段是識別執(zhí)行多領(lǐng)域系統(tǒng)建模的關(guān)鍵需求。 完成多領(lǐng)域模型后，可以提取E/E領(lǐng)域的內(nèi)容。這樣，開發(fā)人員可以確定E/E系統(tǒng)的功能定義并定義系統(tǒng)架構(gòu)以正確分配功能，并定義通過在ECU上運(yùn)行的軟件而實(shí)現(xiàn)的完整嵌入式軟件流。該軟件流還應(yīng)包括電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)線束工程以及出版物創(chuàng)建。此外，還需要在所有階段中以全面的自動(dòng)化和深度的集成對數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)驗(yàn)證和確認(rèn)。這樣開發(fā)人員可以從企業(yè)產(chǎn)品生命周期管理（PLM）和應(yīng)用程序生命周期管理（ALM）以及整體項(xiàng)目管理等方面規(guī)范開發(fā)行為（見圖7）。
圖7：面向功能安全合規(guī)的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)
混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)
在深入探討混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)的概念之前，我們先來看看如何開發(fā)混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)解決方案。 經(jīng)過多年發(fā)展，多核已從雙核進(jìn)化為四核。此后，連續(xù)內(nèi)存分配器（CMA）提供商聽取了用戶的呼聲并向ECU開發(fā)人員提供了更多的資源和算力。在繼續(xù)提供更多內(nèi)核的同時(shí)，他們還提供了更多功能，例如實(shí)時(shí)內(nèi)核、數(shù)字信號處理器（DSP）和軟內(nèi)核。這將異構(gòu)硬件的開發(fā)整合在單獨(dú)的片上系統(tǒng)（SOC）中（見圖8）。 要充分利用異構(gòu)硬件，需要從軟件角度考慮它。 異構(gòu)軟件解決方案和架構(gòu)使用異構(gòu)硬件。例如，可能存在運(yùn)行于不同類型內(nèi)核上的通用型操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）以及裸機(jī)應(yīng)用程序。一些關(guān)鍵的考慮因素包括如何啟動(dòng)系統(tǒng)，如何在共享工作負(fù)載中傳遞通信等。
圖8：嵌入式片上系統(tǒng)中的異構(gòu)多處理
“到2030年，接近30%的車輛內(nèi)容將是軟件。”--麥肯錫咨詢公司 這些芯片都極為復(fù)雜。以S32G車載網(wǎng)絡(luò)處理器為例。該處理器由一組Cortex A53應(yīng)用處理器和大量的Cortex M7設(shè)備組成。在某些情況下，它們在外圍設(shè)備中裝備了雙A72處理器、一些R5處理器和各種類型的內(nèi)存，并在芯片中裝備了通信塊（見圖9）。
圖9：S32G車載網(wǎng)絡(luò)處理器
因?yàn)檫@種復(fù)雜性，所需的軟件數(shù)在不斷增長。隨著算力的提高，您可以將各種功能整合到單個(gè)SOC上以降低成本。這帶來了新的挑戰(zhàn)，其中最為重要的一項(xiàng)是實(shí)現(xiàn)混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)。
復(fù)雜性帶來的新挑戰(zhàn)
過去，您可能要準(zhǔn)備一個(gè)專用于提供功能安全的系統(tǒng)，與不需要提供安全功能的其他系統(tǒng)共同運(yùn)行在Linux上。得益于多核處理系統(tǒng)，系統(tǒng)整合現(xiàn)在已得到普及并可以在單個(gè)SOC上實(shí)現(xiàn)，您可以實(shí)現(xiàn)混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)。其中將包含一些具有實(shí)時(shí)需求的任務(wù)關(guān)鍵型子系統(tǒng)、一些安全子系統(tǒng)以及一些經(jīng)過安全認(rèn)證的子系統(tǒng)。要確保在將這些系統(tǒng)集成到單個(gè)SOC后軟件的可靠性和安全性水平保持不變，必須隔離安全和非安全領(lǐng)域，并在這些域之間建立可靠的安全保障通信。 圖10中的示例說明了2022款凱迪拉克凱雷德中的混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)。一方面，控制臺包含可增強(qiáng)駕駛員體驗(yàn)的無線廣播、熱控制和其他子系統(tǒng)。如果無線廣播等某個(gè)不關(guān)鍵的子系統(tǒng)發(fā)生故障，它會(huì)影響駕駛體驗(yàn)，但不會(huì)造成實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，控制臺還包含倒車攝像頭。如果倒車攝像頭失靈，可能會(huì)對駕駛員以及路上的其他駕駛員和行人造成危險(xiǎn)。這是混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)的一個(gè)現(xiàn)實(shí)示例，它利用智能座艙域控制器在一個(gè)或兩個(gè)硬件上運(yùn)行了具有不同功能安全要求的多個(gè)操作系統(tǒng)。
圖10.2022款凱迪拉克凱雷德的內(nèi)部 圖11說明了具有混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)的各種組件。除了關(guān)鍵的經(jīng)認(rèn)證的功能RTOS外（AUTOSAR非常適合它），您可能會(huì)在Linux、裸機(jī)、Nucleus或其他OS上運(yùn)行不那么關(guān)鍵或非關(guān)鍵的軟件。您需要確保在不同域和進(jìn)程之間的通信以正常啟動(dòng)軟件。其他的關(guān)鍵因素還包括隔離、硬件驗(yàn)證和監(jiān)控、錯(cuò)誤處理和資源管理。
圖11：混合關(guān)鍵系統(tǒng)的組成要素
在設(shè)計(jì)混合關(guān)鍵系統(tǒng)時(shí)，必須考慮幾個(gè)典型功能安全概念，包括：
●影響功能安全目標(biāo)的系統(tǒng)故障：典型的系統(tǒng)性故障可能由于制造和開發(fā)流程中的錯(cuò)誤造成，并可能影響硬件和軟件。驗(yàn)證預(yù)期功能失敗、制造漏檢或在非額定工況運(yùn)行都可能造成這些故障。
●隨機(jī)故障：受硅老化或環(huán)境條件等固有因素影響，隨機(jī)故障既可能是永久故障，例如影響隨機(jī)存儲器（RAM）內(nèi)存的故障，也可能是臨時(shí)故障，例如因單事件干擾（SEU）而引起的內(nèi)存損壞。
●硬件提供的安全功能：人們?yōu)楣δ馨踩珜ｉT設(shè)計(jì)了軟件，利用這些軟件提供的所有安全功能非常重要：此類軟件在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具備安全功能，例如安全啟動(dòng)、分離、安全及非安全系統(tǒng)隔離，以及經(jīng)過安全認(rèn)證的軟件組件。 讓我們來深入探討其中的幾個(gè)概念。
隔離 安全和非安全域之間的隔離（無論是時(shí)間隔離還是空間隔離）都非常重要。時(shí)間隔離可以通過提供專用的獨(dú)立內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，而空間隔離可以通過硬件保護(hù)單元實(shí)現(xiàn)。幸運(yùn)的是，賽靈思以及其他芯片供應(yīng)商正在芯片本身之中提供這些功能。通過利用其中的部分硬件功能，我們可以從軟件角度保證對這些不同環(huán)境的隔離。
通信 硬件在實(shí)現(xiàn)隔離方面已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，但某些領(lǐng)域必須通過軟件才能實(shí)現(xiàn)（見圖12）：
●緩存驗(yàn)證：地址、大小、權(quán)限等緩存參數(shù)必須先驗(yàn)證才能供安全域使用，包括檢查緩存邊界和丟棄超出有效范圍的任意緩存。緩存驗(yàn)證必須與合適的錯(cuò)誤響應(yīng)配對使用，供用戶了解系統(tǒng)交互以檢測惡意活動(dòng)。
●中斷泛洪驗(yàn)證：非安全環(huán)境有可能通過中斷對通信信道造成泛洪攻擊。如果不加以特別處理，此意外負(fù)載可能會(huì)與系統(tǒng)的時(shí)間隔離要求發(fā)生沖突。通常需要實(shí)施相應(yīng)機(jī)制來抑制來自非安全端的過量中斷，或是在安全端提供輪詢模式支持。 這些功能非常重要，能夠確保為混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)提供必要的隔離。
圖12：在混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)中保持安全通信 圖13是一個(gè)混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)SOC的示例，其中在實(shí)時(shí)/安全內(nèi)核上運(yùn)行了符合AUTOSAR的關(guān)鍵系統(tǒng)，并在各種應(yīng)用內(nèi)核上運(yùn)行了左側(cè)的非關(guān)鍵系統(tǒng)。
圖13.由多核框架實(shí)現(xiàn)的混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)SOC
結(jié)語
異構(gòu)多核SoC設(shè)計(jì)在提高算力的同時(shí)帶來了挑戰(zhàn)和機(jī)遇，例如，如何滿足對混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)組件和功能的需求。要符合ISO 26262和安全領(lǐng)域的新近更改，開發(fā)人員必須采用更多的安全內(nèi)容，采納新的技術(shù)，并努力減少故障。內(nèi)存和內(nèi)核級別的空間隔離非常重要，能夠確保避免干擾，實(shí)現(xiàn)時(shí)間隔離、可調(diào)度性和端到端的通信保護(hù)。這需要廣泛的工具支持、基于模型的轉(zhuǎn)型以及系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)方法。
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