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消除ISO 26262功能安全認證過程中的各種障礙

發(fā)布時間:2022-06-23 來源:Microchip 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】現(xiàn)今,汽車的各種應(yīng)用中無不使用數(shù)百到數(shù)千種半導(dǎo)體和其他組件,例如觸摸界面、車載充電器、電池管理系統(tǒng)等等。嚴格的國際標準化組織(ISO)26262功能安全規(guī)范可確保這些日益復(fù)雜和精密的應(yīng)用安全運行。然而,開發(fā)合規(guī)設(shè)計及獲得認證的過程十分耗時且成本高昂。隨著半導(dǎo)體行業(yè)為汽車原始設(shè)備制造商(OEM)和供應(yīng)商提供完整的功能安全生態(tài)系統(tǒng),這最大限度降低了完成這類認證過程的成本,同時降低了風(fēng)險并縮短了開發(fā)時間,進而使這些挑戰(zhàn)得到緩解。


了解ISO 26262


ISO 26262標準包含安裝在批量生產(chǎn)的道路車輛(輕便摩托車除外)中的電氣和/或電子系統(tǒng)的功能安全規(guī)范。該ISO標準于2011年發(fā)布,并于2018年修訂以包含關(guān)于半導(dǎo)體的部分,其中規(guī)定了從規(guī)范到生產(chǎn)發(fā)布的開發(fā)過程。汽車OEM和供應(yīng)商在對道路車輛內(nèi)部需要功能安全的運行器件進行認證時,必須遵循并記錄此過程。


系統(tǒng)認證需由獨立評估員確認其符合ISO 26262標準的要求來完成。汽車內(nèi)應(yīng)用根據(jù)其安全關(guān)鍵性級別“歸類”為不同的汽車安全完整性等級(ASIL)。如果電氣或電子系統(tǒng)發(fā)生故障,則某些應(yīng)用具有更高的固有安全風(fēng)險。根據(jù)潛在傷害的嚴重程度和發(fā)生概率以及可控程度,分為A到D四個級別,每個級別都對底層組件有相關(guān)的安全要求。ASIL D表示汽車中安全氣囊、防抱死制動系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向等危險程度最高的應(yīng)用。尾燈等組件歸類為ASIL-A。頭燈和剎車燈通常歸類為ASIL-B。巡航控制等系統(tǒng)歸類為ASIL-C。通常,ASIL級別越高,對硬件冗余的要求就越多。


組件供應(yīng)商可通過多種方式幫助加速安全應(yīng)用的設(shè)計及其ISO 26262認證過程。這些功能安全資源如圖1所示。首先,必須仔細選擇器件以包含必要的功能安全資源。這些資源包括故障模式影響和診斷分析(FMEDA)報告及安全手冊。此外,器件還必須得到有資格創(chuàng)建安全關(guān)鍵型應(yīng)用的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的支持。


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圖1:經(jīng)過認證的功能安全資源和開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)


功能安全就緒


現(xiàn)今的汽車中使用了各種IC。尤其是單片機(MCU),它以各種形式普遍存在。所有電子控制單元(ECU)都需要用到單片機,并且全車使用單片機來提供便利功能(例如自動駕駛)和各種其他復(fù)雜功能。單片機范圍廣泛,涵蓋針對性能、電源效率和實時控制進行優(yōu)化并添加基于硬件的觸摸界面的8位MCU,到可以運行多線程應(yīng)用并支持圖形、連接和安全功能的32位MCU。此外,還有將MCU與DSP引擎相結(jié)合的數(shù)字信號控制器(DSC),可為傳感器、電機或電源轉(zhuǎn)換提供可靠且快速的確定性性能。


其中每一個IC都必須首先滿足汽車電子委員會(AEC)制定的汽車級制造和性能認證標準。AEC-Q100標準定義了跨溫度等級的基于失效機制的壓力測試認證過程。根據(jù)具體應(yīng)用,MCU需要通過AEC Q100 2級、1級或0級認證。0級 = 150℃,1級 = 125℃,2級 = 105℃。


除了AEC認證之外,還有額外的專用功能安全就緒特性要求,具體取決于器件和應(yīng)用。例如,8位MCU通常包括用于汽車接口和智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的CAN FD,并且通常用作駕駛室、方向盤、中控臺內(nèi)機械和電容式按鈕的用戶界面(UI)控制器,或用作無鑰匙進入系統(tǒng)的一部分。8位MCU所需的集成硬件安全功能通常適用于存儲器、系統(tǒng)復(fù)位、安全代碼執(zhí)行、安全通信和通用輸入/輸出(GPIO)保護。這些功能是通過集成專用的獨立于內(nèi)核的外設(shè)(CIP)和其他功能添加的,包括上電復(fù)位(POR)、欠壓復(fù)位(BOR)、窗口看門狗定時器(WWDT)和循環(huán)冗余校驗(CRC),用于提高操作安全性和可靠性(見圖2)。


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圖2:具有功能安全硬件特性的8位MCU


對于功能安全就緒16位DSC,所需的硬件安全功能通常包括支持錯誤檢測和糾正的存儲器、存儲器內(nèi)置自檢(MBIST)、時鐘監(jiān)控和冗余振蕩器等,這些功能用于故障檢測、自診斷和系統(tǒng)診斷以及故障修復(fù)。這些功能安全就緒器件支持設(shè)計安全關(guān)鍵型高性能嵌入式應(yīng)用、傳感器接口應(yīng)用、數(shù)字電源和電機控制應(yīng)用。典型應(yīng)用包括直流/直流系統(tǒng)、車載充電器(OBC)、執(zhí)行器和傳感器(位置和壓力)、觸摸單元和其他符合ASIL B或ASIL C標準的控制單元。圖3顯示了功能安全就緒DSC的功能示例。


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圖3:功能安全就緒16位DSC示例


與所有功能安全就緒MCU一樣,32位MCU所需的硬件功能包括支持糾錯碼(ECC)和錯誤注入的存儲器、存儲器內(nèi)置自檢(MBIST)、時鐘系統(tǒng)(包含備用振蕩器和時鐘故障檢測)以及具有靜電放電(ESD)保護的GPIO(見圖4)。同樣重要的是系統(tǒng)監(jiān)視器,其中包括POR、BOR、WDT和硬件CRC功能以及存儲器保護單元。32位MCU的適用范圍涵蓋從駕駛室內(nèi)部系統(tǒng)到高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)等一系列應(yīng)用,可用于實現(xiàn)功能安全。


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圖4:功能安全就緒32位MCU示例


通過將主MCU/DSC與輔助MCU/DSC或安全協(xié)處理器相結(jié)合,甚至可以使用標準MCU和DSC達到ASIL C/D安全級別。這是通過使用ASIL分解原理來實現(xiàn)的:兩個符合ASIL B標準的子系統(tǒng)組合可用于達到更高的ASIL,例如ASIL C/D:


ASIL C = ASIL B (C) + ASIL A (C)


ASIL D = ASIL B (D) + ASIL B (D) = ASIL C (D) + ASIL A (D)


分解是通過劃分安全要求與實際器件實現(xiàn)的。


開發(fā)工具和認證支持


作為完整開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的一部分,經(jīng)過功能安全認證的設(shè)計工具包可以更輕松地滿足ISO 26262標準中規(guī)定的驗證和確認要求。這一點尤其適用于基于MCU和DSC的設(shè)計。工具供應(yīng)商與第三方獨立評估和認證機構(gòu)合作,對功能安全編譯器進行認證。這通常附帶額外的文檔,例如編譯器、集成開發(fā)環(huán)境(IDE)以及調(diào)試器和編程器的證書、功能安全手冊、安全計劃及工具分類和資格認證報告。該功能安全文檔包簡化了工具的資格認證和最終應(yīng)用認證。


理想情況下,還應(yīng)該在設(shè)計過程中使用代碼覆蓋率工具來衡量代碼的測試效果,并確定軟件的哪些部分已經(jīng)執(zhí)行或尚未執(zhí)行。  代碼覆蓋率工具也應(yīng)包含在分類和資格認證報告中。尋找一種可以單次運行測試的工具,此工具無需將代碼分解為各個模塊,也無需對硬件進行大量修改或使用昂貴的軟件,同時還能避免在大型數(shù)據(jù)文件中搜索相關(guān)信息的大量工作。應(yīng)用認證需要代碼測試數(shù)據(jù),因此單次運行代碼覆蓋率工具在簡化流程和縮短上市時間方面發(fā)揮著重要作用。


要開發(fā)符合ISO 26262標準的汽車應(yīng)用,除了器件數(shù)據(jù)手冊之外,工程師還需要從半導(dǎo)體供應(yīng)商處獲得一些額外資源??捎玫墓δ馨踩鼮槠嘜EM和供應(yīng)商提供了他們在評估和設(shè)計周期的各個階段所需的內(nèi)容。這些功能安全包應(yīng)提供經(jīng)過認證的安全手冊、FMEDA報告,在某些情況下,還應(yīng)提供診斷軟件,例如經(jīng)過相關(guān)ASIL認證的自檢庫。


FMEDA報告量化了器件的故障模式、其故障率(FIT)分布及相應(yīng)的檢測方法,可幫助制定覆蓋率計劃。另一個重要資源是安全手冊(SM)。它詳細介紹了FMEDA報告中指定的故障檢測方法,并就如何使用器件實現(xiàn)最安全的操作提供了建議。安全手冊中包含相關(guān)故障以及用于檢測系統(tǒng)故障的硬件功能說明,可使用該說明開發(fā)診斷庫。功能安全診斷庫可幫助評估系統(tǒng)在故障條件下的運行狀態(tài),檢測隨機系統(tǒng)故障以及實現(xiàn)功能安全目標。選擇提供第三方認證的FMEDA報告和安全手冊以及診斷庫的器件可以簡化安全關(guān)鍵型應(yīng)用的認證工作。


安全關(guān)鍵型應(yīng)用開發(fā)的第一步是定義要實現(xiàn)的安全目標和要達到的目標安全級別。功能安全基礎(chǔ)包提供FMEDA、安全手冊和認證等基本資源,幫助用戶開始評估目標功能安全級別和設(shè)計安全關(guān)鍵型汽車應(yīng)用。


理想情況下,基于MCU的設(shè)計的功能安全入門包應(yīng)包括經(jīng)過ASIL B就緒認證的FMEDA、安全手冊和符合ASIL B/C標準的診斷庫,以及幫助設(shè)計人員了解如何使用這些資源按照ISO 26262流程開發(fā)安全關(guān)鍵型應(yīng)用的參考應(yīng)用。入門包有助于縮短設(shè)計周期,并根據(jù)ASIL B或C合規(guī)性開發(fā)應(yīng)用。


功能安全完整包可以進行擴展以包含經(jīng)過認證的診斷庫,其中提供用于實現(xiàn)最高ASIL B/C級別的設(shè)計所需的源代碼和相關(guān)安全分析報告。鑒于許多最終客戶要求對安全關(guān)鍵型應(yīng)用進行認證,完整包還有助于加快認證過程。


隨著汽車的復(fù)雜度越來越高,其中的電子元件水平也在不斷提高。越來越重要的是,現(xiàn)今,面向汽車應(yīng)用、以功能安全為重點的產(chǎn)品支持開發(fā)生態(tài)系統(tǒng),可提供經(jīng)過認證的功能安全資源來滿足ISO 26262要求。IC供應(yīng)商還可以幫助汽車客戶保護其在這種嚴密開發(fā)和認證過程中的長期投資。他們能夠確保只要客戶愿意訂購,就會持續(xù)供應(yīng)認證系統(tǒng)內(nèi)使用的器件,從而消除了由于器件意外進入停產(chǎn)(EOL)階段而導(dǎo)致被迫重新設(shè)計的風(fēng)險。這意味著認證不僅可以快速輕松地完成,而且只需完成一次,因此更加值得客戶信賴。



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