從MPC5643L單片機(jī)看功能安全機(jī)制

Yolanda指出：“硬件安全的理念主要通過檢測和消除隨機(jī)硬件故障，利用內(nèi)置的安全機(jī)制，包括自檢、監(jiān)測和基于硬件的冗余設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。”廠商可以充分利用在飛思卡爾微控制器、電源管理IC和傳感器中內(nèi)置的功能安全機(jī)制實(shí)現(xiàn)有效的故障控制，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)市場對(duì)功能安全設(shè)計(jì)的要求。

功能安全設(shè)計(jì)需要針對(duì)可能出現(xiàn)功能失效進(jìn)行預(yù)測，包括單點(diǎn)失效、潛在失效和共因失效。按照ISO 26262的最高等級(jí)ASIL D的要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要能檢測出大于99%的單點(diǎn)失效率，潛在失效檢測要超過90%。例如，如果一個(gè)系統(tǒng)的每小時(shí)失效率低于10-8，則落到單片機(jī)的每小時(shí)失效率必須低于10-9。“在我們的單片機(jī)設(shè)計(jì)過程中更嚴(yán)格，錯(cuò)誤概率更小。”Yolanda表示，“MPC5643L就是飛思卡爾針對(duì)功能安全推出的一款單片機(jī)產(chǎn)品，這款產(chǎn)品的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了功能安全的設(shè)計(jì)理念。”

冗余設(shè)計(jì)是有效提高系統(tǒng)失效安全的有效措施之一，MPC5643L中充分利用了冗余設(shè)計(jì)確保嚴(yán)格的功能安全標(biāo)準(zhǔn)要求。MPC5643L采用了雙e200Core內(nèi)核鎖步(lockstep)工作模式，一個(gè)內(nèi)核工作的同時(shí)另一個(gè)內(nèi)核進(jìn)行監(jiān)測。此外，MPC5643L還對(duì)主要的模塊如看門狗定時(shí)器、內(nèi)存相關(guān)控制單元、總線及外設(shè)都進(jìn)行了冗余。而且，為了防止單點(diǎn)失效，MPC5643L內(nèi)置的閃存還具有自動(dòng)糾錯(cuò)功能。

通常，很多系統(tǒng)開始都能正常工作，但是過了幾年之后，因?yàn)橥獠恳恍┮蛩赜|發(fā)而可能產(chǎn)生一些失效故障，這就是潛在失效的概念，功能安全設(shè)計(jì)需考慮潛在失效。“過去潛在失效的防范都是由軟件實(shí)現(xiàn)，軟件每一次在單片機(jī)復(fù)位以后都會(huì)對(duì)所有的內(nèi)存或者是邏輯進(jìn)行一次校驗(yàn)。而在MPC5643L中，將校驗(yàn)功能由硬件實(shí)現(xiàn)，即內(nèi)置自測，這是功能安全對(duì)單片機(jī)非常重要的要求，這種自測功能可以把內(nèi)存或者是邏輯以及外設(shè)的一些錯(cuò)誤檢測覆蓋率達(dá)到90%以上。”Yolanda指出。

除此之外還需要考慮共因失效。“共因失效是什么呢？比如說時(shí)鐘，它會(huì)提供給很多模塊，還有電壓也會(huì)提供給整個(gè)的單片機(jī)。此外，溫度也是重要考慮的問題，如果一旦芯片溫度過高，也可能導(dǎo)致芯片失效。”Yolanda解釋了共因失效的定義，“這些共因失效都需要檢測，MPC5643L對(duì)時(shí)鐘、電壓以及溫度都有檢測。”從成本考慮以及應(yīng)用環(huán)境的原因，通常的應(yīng)用中單片機(jī)并不具有溫度傳感器這些考慮共因失效的功能特性。

除此之外，MPC5643L內(nèi)部還集成了一個(gè)獨(dú)立于CPU的錯(cuò)誤收集和應(yīng)對(duì)模塊（FCCU），該模塊在時(shí)鐘上也跟CPU獨(dú)立開，可以完全獨(dú)立操作，把這些錯(cuò)誤收集起來并做相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。這個(gè)功能模塊也是傳統(tǒng)單片機(jī)所不具備的。

圖4：功能安全處理器MPC5643L充分利用了硬件冗余設(shè)計(jì)等多種失效保障機(jī)制。

本文小結(jié)

據(jù)Yolanda指出，目前基于功能安全的安全性預(yù)測在歐美和日本等發(fā)達(dá)市場已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，很多相關(guān)的產(chǎn)品即將推入市場，而在中國國內(nèi)才剛剛開始起步。高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)作為安全性預(yù)測的標(biāo)志性應(yīng)用，目前已經(jīng)進(jìn)入很多高端汽車的研發(fā)流程。以飛思卡爾公司為例，對(duì)高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)提供了全部整套的解決方案，包括后視的停車輔助、全景輔助、前景安全性預(yù)測(車道偏離預(yù)警、自動(dòng)巡航系統(tǒng)，等等)。事實(shí)上，目前很多全球領(lǐng)先的汽車半導(dǎo)體解決方案提供商都將目標(biāo)瞄準(zhǔn)高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)，基于功能安全的汽車安全性預(yù)測的廣泛應(yīng)用指日可待。