符合安全標(biāo)準(zhǔn)的汽車器件冗余設(shè)計(jì)
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此類冗余在位級實(shí)施，安全關(guān)鍵任務(wù)中所使用的寄存器位被復(fù)制兩次，根據(jù)多數(shù)投票邏輯生成輸出。這是2oo3多數(shù)投票系統(tǒng)的一個(gè)示例，如果這三個(gè)觸發(fā)器中的任何一個(gè)發(fā)生故障，那么其余的兩個(gè)觸發(fā)器將掩蓋故障。假設(shè)很難同時(shí)損壞這三個(gè)觸發(fā)器中的兩個(gè)，那么這種技術(shù)可保持系統(tǒng)運(yùn)行。由于在這種情況下，面積補(bǔ)償是雙倍的，因此需要徹底檢驗(yàn)設(shè)計(jì)配置位，確定安全關(guān)鍵的配置信息，避免任何不必要的面積開銷。
軟件多樣化冗余
在軟件冗余中，將在軟件中執(zhí)行該任務(wù)多次?？墒褂貌煌能浖?zhí)行該任務(wù)多次(不同的算法用于同一個(gè)任務(wù))，然后比較結(jié)果， 這將改善診斷覆蓋。
設(shè)計(jì)中使用兩種完全不同的軟件實(shí)現(xiàn)，即在一個(gè)處理單元中使用不同的算法來執(zhí)行相同的任務(wù)。圖3說明了實(shí)現(xiàn)情況。主用通道負(fù)責(zé)計(jì)算，如果計(jì)算錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致危險(xiǎn)。冗余通道負(fù)責(zé)檢驗(yàn)主用通道的計(jì)算，如果發(fā)現(xiàn)故障則采取行動(dòng)。冗余通道采用單獨(dú)的算法設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)，以提供軟件多樣化。一旦兩條通道都完成后，則比較這兩種冗余軟件實(shí)現(xiàn)的輸出數(shù)據(jù)。如發(fā)現(xiàn)差異，則生成故障消息。
圖3：單一硬件通道軟件冗余工作原理
算法多樣化示例包括：A+B=C與C-B=A。一個(gè)通道使用正常的計(jì)算，另一個(gè)通道使用二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)學(xué)。
兩個(gè)處理單元相互交換數(shù)據(jù)(包括結(jié)果、中間結(jié)果和測試數(shù)據(jù))，在每個(gè)單元中使用軟件比較數(shù)據(jù)，如檢測到差異則生成故障消息。圖4說明了實(shí)現(xiàn)情況。在這種情況下，主用通道和冗余通道在不同的處理單元中使用不同的軟件算法來執(zhí)行。如果使用不同的處理器類型以及單獨(dú)的算法設(shè)計(jì)、代碼和編譯器，那么這種方法允許硬件和軟件多樣性。另外，外設(shè)復(fù)制與內(nèi)核復(fù)制不同。外設(shè)共享外部世界的相同輸入，外設(shè)的輸出在軟件中進(jìn)行比較。例如，在SoC中使用多個(gè)ADC，輸入信道被復(fù)制到大多數(shù)ADC，它們的輸出可在軟件中進(jìn)行比較。
圖4：多處理單元軟件冗余工作原理
信息冗余和時(shí)間冗余
信息冗余是指在通過嘈雜的信道傳輸信息時(shí)添加到實(shí)際數(shù)據(jù)中的冗余數(shù)據(jù)，目的是檢測故障或修復(fù)故障。 下面介紹了幾種信息冗余方案，如：奇偶校驗(yàn)位、校驗(yàn)和、糾錯(cuò)碼。
奇偶校驗(yàn)位是指被添加到二進(jìn)制數(shù)據(jù)結(jié)尾的位，指示數(shù)據(jù)中“1”的數(shù)量是奇數(shù)還是偶數(shù)。偶校驗(yàn)方案是指如果數(shù)據(jù)中“1”的數(shù)量為奇數(shù)，則向數(shù)據(jù)添加一個(gè)“1”。奇校驗(yàn)方案是指，如果數(shù)據(jù)中“1”的數(shù)量為偶數(shù)，則向數(shù)據(jù)添加一個(gè) “1”。例如，如果實(shí)際數(shù)據(jù)為 “11110000 0000”，并且在其后添加了一個(gè)偶校驗(yàn)位，那么“111100000 0000 0”將通過通信信道傳輸。在接收器端，如果收到單個(gè)的位觸發(fā)數(shù)據(jù)，那么接收器將檢測到數(shù)據(jù)在傳輸過程中被破壞，可請求發(fā)射器重新發(fā)送數(shù)據(jù)。
校驗(yàn)和是使用某些函數(shù)通過信息數(shù)據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)。它與信息數(shù)據(jù)一起通過噪聲信道傳輸。在接收器端，使用收到的數(shù)據(jù)計(jì)算校驗(yàn)和。計(jì)算的校驗(yàn)和應(yīng)匹配所收到的校驗(yàn)和。錯(cuò)誤檢測功能取決于冗余比特?cái)?shù)量、數(shù)據(jù)大小，以及生成校驗(yàn)和所用的多項(xiàng)式。 奇偶性、模塊化和和與位置相關(guān)的校驗(yàn)和是幾種可用于錯(cuò)誤檢測的校驗(yàn)和示例。在檢測到錯(cuò)誤的情況下，可通過信號通知發(fā)射器，重新傳輸數(shù)據(jù)。
某些校驗(yàn)函數(shù)不僅能夠檢測錯(cuò)誤，還能指出數(shù)據(jù)中可能引入的某些類型的錯(cuò)誤，從而在不重新發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下讓接收器能夠獲得正確的數(shù)據(jù)，這些函數(shù)被稱為糾錯(cuò)碼。能夠被校正的錯(cuò)誤也有限制。例如，漢明碼是糾錯(cuò)碼。盡管漢明碼能夠檢測到雙位錯(cuò)誤，但只能校正數(shù)據(jù)中的單位錯(cuò)誤。格雷碼能夠檢測四位錯(cuò)誤，但只能校正三位錯(cuò)誤。BCH 碼、Goppa碼、Reed-Solomon 碼、Reed-Muller碼和Hadamard碼是以其發(fā)明人命名的其他代碼。此類編碼技術(shù)可作為信息和編碼理論的一部分進(jìn)行研究，是應(yīng)用數(shù)學(xué)、電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)有趣和廣泛的分支。
時(shí)間冗余是指以冗余的方式執(zhí)行安全關(guān)鍵的任務(wù)，隨時(shí)間而變化。由于這些冗余任務(wù)隨時(shí)間而變化，因此有助于消除瞬時(shí)故障。其中，單個(gè)硬件信道上的時(shí)間冗余是使用同一款軟件在一個(gè)硬件上執(zhí)行多次安全關(guān)鍵的任務(wù)，然后再比較多次運(yùn)算的結(jié)果。如果發(fā)現(xiàn)差異，則執(zhí)行相關(guān)的糾正操作。上述“軟件冗余”部分中描述的“軟件多樣化冗余”(一個(gè)硬件通道)是此類冗余的擴(kuò)展版本。
并行硬件信道上的時(shí)間冗余是在并行信道上執(zhí)行、但不同時(shí)執(zhí)行所有安全關(guān)鍵的任務(wù)，它有助于隨著時(shí)間的推移創(chuàng)建冗余。 瞬時(shí)故障不會(huì)以相同的方式影響操作，即使并行信道是對稱的硬件。上述“硬件冗余”部分中描述的“延遲鎖步”是此類時(shí)間冗余的一個(gè)示例。
結(jié)語
汽車行業(yè)使用到多種設(shè)計(jì)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)安全性，各種冗余技術(shù)是實(shí)現(xiàn)安全性所必不可少的，目的是確保設(shè)備在發(fā)生故障時(shí)更加可靠和穩(wěn)定。硬件冗余的優(yōu)勢是能夠盡早檢測到故障，但代價(jià)是需要增加硬件數(shù)量。另一方面，如果系統(tǒng)成本有限，那么軟件冗余可能用處更大?？傊?，冗余是實(shí)現(xiàn)提高汽車安全性能的關(guān)鍵所在，可以利用硬件和軟件冗余，以及信息冗余、時(shí)間冗余等，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定而可靠。
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