如何用低成本ARM Cortex-M微控制器讓家電變得更安全

如果將數(shù)據(jù)損壞的機(jī)率與讀寫次數(shù)聯(lián)系在一起，該解決方案的數(shù)據(jù)損壞風(fēng)險(xiǎn)是比較高的。雖然逆向冗余存儲(chǔ)安全關(guān)鍵變量可降低風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也會(huì)擴(kuò)大存儲(chǔ)器B類測(cè)試的容量。

從微控制器資源角度看，測(cè)試代碼占用ROM和RAM空間，以及CPU帶寬：除正常處理任務(wù)外，如果內(nèi)核臨時(shí)無法吸納測(cè)試負(fù)荷，就必須在家電運(yùn)行關(guān)鍵階段終止測(cè)試。

最后，運(yùn)行時(shí)RAM校驗(yàn)會(huì)影響實(shí)時(shí)響應(yīng)性(可能延遲甚至?xí)和Ｆ渌袛嗵幚沓绦?，并可能與低延時(shí)或緊急任務(wù)要求沖突。測(cè)試程序的代碼長(zhǎng)度無法最小化：耗合故障測(cè)試對(duì)被測(cè)連續(xù)存儲(chǔ)地址的數(shù)量有下限要求。如果軟件必須管理地址解擾，使其符合存儲(chǔ)器物理布局，則復(fù)雜度更高。圖1所示是軟件如何在運(yùn)行時(shí)處理部分RAM測(cè)試。

IEC60730標(biāo)準(zhǔn)另提供一個(gè)由硬件校驗(yàn)位組成的解決方案。雖然這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DRAM存儲(chǔ)器流程，但是很少用于通用微控制器。不過，先進(jìn)的芯片制程節(jié)點(diǎn)使得該方法更具成本效益。

硬件測(cè)試解決方案的本質(zhì)是在每個(gè)存儲(chǔ)地址增加一個(gè)校驗(yàn)位：存儲(chǔ)器每寫一次，計(jì)算一次校驗(yàn)位，并將校驗(yàn)位計(jì)算值與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一起。當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，同樣計(jì)算校驗(yàn)值，然后與參考值對(duì)比，如圖2所示。如果數(shù)值不同，無論是數(shù)據(jù)損壞還是校驗(yàn)位損壞，中斷或異常信號(hào)線都會(huì)置位。處理器內(nèi)核將使用一個(gè)專用安全中斷處理程序處理錯(cuò)誤，并關(guān)閉家電的電源。第二步，內(nèi)核可能重啟應(yīng)用(熱復(fù)位)或停止家電運(yùn)行，同時(shí)顯示檢修代碼。

該解決方案的優(yōu)勢(shì)十分明顯。B類RAM校驗(yàn)變得完全透明：

· 不影響軟件開發(fā)方法

· 不必開發(fā)某一個(gè)微控制器廠商專用的測(cè)試程序，只需開發(fā)一個(gè)在任何情況下都會(huì)出現(xiàn)的全局故障處理函數(shù)

· 無需專用的RAM分區(qū)和鏈接腳本

· 不占用CPU帶寬(校驗(yàn)不會(huì)增加存儲(chǔ)器讀操作延遲)

· 最優(yōu)的實(shí)時(shí)性能

最后一個(gè)優(yōu)勢(shì)是該解決方案在啟動(dòng)時(shí)無需進(jìn)行完整的RAM校驗(yàn)，而且在上電復(fù)位后，寄偶校驗(yàn)立即激活，因此降低了引導(dǎo)時(shí)間。

由于擁有高能效、靜音運(yùn)行、高可靠性的特點(diǎn)，無刷電機(jī)被廣泛用于家電，但是需要復(fù)雜的控制算法和專用的PWM外設(shè)，需要特別注意故障防護(hù)和安全關(guān)機(jī)。因此，RAM校驗(yàn)機(jī)制可提高可靠性和響應(yīng)性，不是用軟件管理安全關(guān)閉功能，而是直接向PWM外設(shè)發(fā)送校驗(yàn)錯(cuò)誤信號(hào)，自動(dòng)觸發(fā)緊急停機(jī)功能，避免系統(tǒng)時(shí)鐘和軟件相關(guān)的延遲。圖3所示框圖描述了一個(gè)實(shí)用的解決方案。

還必須注意系統(tǒng)的其它關(guān)鍵參數(shù)。電源監(jiān)控系統(tǒng)可以設(shè)置電壓，如果Vdd 電壓降至預(yù)設(shè)電壓值，系統(tǒng)將發(fā)出一個(gè)中斷命令。同樣，時(shí)鐘安全系統(tǒng)檢查主時(shí)鐘運(yùn)行是否正常，如果出現(xiàn)異常，則發(fā)出一個(gè)中斷命令。此外，當(dāng)發(fā)生硬故障、在NMI處理程序內(nèi)部出現(xiàn)錯(cuò)誤或者在引導(dǎo)過程中發(fā)生總線故障時(shí)，Cortex內(nèi)核進(jìn)入鎖保護(hù)時(shí)態(tài)，在芯片級(jí)提供一個(gè)狀態(tài)顯示信號(hào)。這三個(gè)事件以及校驗(yàn)值合并，產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部緊急關(guān)斷信號(hào)，信號(hào)本身與外部斷路(break)輸入進(jìn)行或運(yùn)算。

該標(biāo)準(zhǔn)還需要一個(gè)防失效時(shí)鐘電路。當(dāng)晶振失效時(shí)，時(shí)鐘安全系統(tǒng)外設(shè)(CSS)可自動(dòng)將主時(shí)鐘切換到內(nèi)部高速振蕩器，從而實(shí)現(xiàn)部分防失效功能。此外，還需要一個(gè)通過對(duì)比外部預(yù)計(jì)頻率與內(nèi)部頻率來監(jiān)視外部時(shí)鐘的方法。實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)器可由LSI (內(nèi)部低速)阻容振蕩器驅(qū)動(dòng)，以便精確地測(cè)量主系統(tǒng)時(shí)鐘，發(fā)現(xiàn)晶體副諧波引起的50%的變化。在系統(tǒng)級(jí)，這可節(jié)省50/60Hz電網(wǎng)過零檢測(cè)電路的成本。

該標(biāo)準(zhǔn)提出一個(gè)獨(dú)立的時(shí)隙監(jiān)視方案，防止CPU在程序計(jì)數(shù)器故障時(shí)失控，這是看門狗定時(shí)器的職責(zé)，多數(shù)微控制器均內(nèi)置看門狗。但是，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定看門狗必須完全獨(dú)立。因此，意法半導(dǎo)體的32位Cortex-M STM32系列微控制器有兩個(gè)看門狗：第一個(gè)窗口看門狗使用主時(shí)鐘;第二個(gè)看門狗使用獨(dú)立的內(nèi)部振蕩器，通過閃存內(nèi)的選項(xiàng)字節(jié)啟動(dòng)。這種設(shè)計(jì)可確保在晶體失效時(shí)，無論時(shí)鐘電路配置如何，都能確保至少有一個(gè)看門狗在運(yùn)行。

最后，微控制器還內(nèi)置一個(gè)32位硬件CRC計(jì)算器，可大幅加快閃存內(nèi)容完整性檢查，同時(shí)將相關(guān)CPU負(fù)荷(在運(yùn)行時(shí)占用的時(shí)間)降至可忽略不計(jì)的水平。該外設(shè)甚至可以用DMA控制器驅(qū)動(dòng)。在微控制器運(yùn)行期間，閃存數(shù)據(jù)完整性檢查可在后臺(tái)進(jìn)行。

硬件校驗(yàn)長(zhǎng)期以來只用于計(jì)算機(jī)DRAM模塊和高可靠性系統(tǒng)。該方法被引進(jìn)嵌入式市場(chǎng)的通用微控制器，如基于Cortex-M0的STM32F0x產(chǎn)品，隨著系統(tǒng)監(jiān)控和安全功能數(shù)量日益增加，該方案可簡(jiǎn)化產(chǎn)品認(rèn)證、安全開發(fā)的執(zhí)行，最重要一點(diǎn)是使家電變得更安全。