助力采用MCU的自主系統(tǒng)實現(xiàn)自主安全性

人工智能（AI）和機器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)在自主性日益增強的系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越普遍，這將提高各行各業(yè)對更智能的安全系統(tǒng)的要求。關(guān)注重點已經(jīng)從節(jié)約成本轉(zhuǎn)向給用戶帶來便利性和安全性。這需要一個完整的功能安全（FuSa）層，其中包括安全協(xié)處理器與可信的輸入/輸出控制器，兩者協(xié)同工作來保護系統(tǒng)。單片機（MCU）為實現(xiàn)這些安全協(xié)處理器提供了低成本的解決方案，是當(dāng)今新一代自主系統(tǒng)的核心。

自主安全功能和規(guī)范

安全協(xié)處理器可以執(zhí)行部署的ML模型，這種模型用于接收視頻、音頻、環(huán)境和操作員數(shù)據(jù)等外部數(shù)據(jù)流，而在某些情況下，也可以同時接收所有這些數(shù)據(jù)流。這些數(shù)據(jù)流必須具有固有的可信度。

同樣重要的是，安全協(xié)處理器必須信任它們?yōu)殡姍C、繼電器、指示器和其他執(zhí)行器產(chǎn)生的輸出狀態(tài)的真實再現(xiàn)。如果發(fā)生故障，主處理器也應(yīng)該能夠依靠這些輸入/輸出（邊帶）控制器快速做出明智的決策。

使用MCU作為安全協(xié)處理器

在全面的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的支持下，8位和32位MCU主要用于四大功能安全領(lǐng)域，業(yè)內(nèi)為此制定了下列工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：

●   ISO 26262：汽車安全完整性等級（ASIL），適用于汽車應(yīng)用

●   IEC 61508：安全完整性等級（SIL），適用于工業(yè)應(yīng)用

●   IEC 60730：家用電器功能安全標(biāo)準(zhǔn)

●   IEC 60730：醫(yī)療設(shè)備功能安全標(biāo)準(zhǔn)

圖1 工業(yè)機器人正在焊接大型重物

開發(fā)工具生態(tài)系統(tǒng)有兩個重要的后端要求。第一個要求是在開發(fā)過程中以及在編譯成機器碼過程中采用穩(wěn)健的編碼。使用功能安全編譯器可滿足此要求，這些編譯器通過TüV SüD（一家國際認可的測試機構(gòu)）等組織獲得ISO或IEC功能安全標(biāo)準(zhǔn)認證。第二個后端功能是詳細分析在一個典型的測試周期中，哪些代碼被執(zhí)行，哪些代碼被遺漏。這需要一個代碼覆蓋率分析插件。

自主安全功能的工作原理

與外界的主要交互是通過硬件層實現(xiàn)的，首先需要支持FuSa的MCU（位于邊緣）提供的直接傳感器和執(zhí)行器接口。請參見下面的圖2。

圖2 8位單片機的自主安全功能

主要功能包括：

欠壓檢測（BOD）

擁有理想電源的工作環(huán)境十分少見。微波爐和激光打印機會導(dǎo)致燈光閃爍，大型電動工具會觸發(fā)斷路器。自主系統(tǒng)必須提前預(yù)知其電源要發(fā)生故障，從而可以啟用備用電源，或者設(shè)置關(guān)鍵數(shù)據(jù)和輸出狀態(tài)以確保干凈的掉電。

這些MCU中的BOD電路可以持續(xù)監(jiān)視電源電壓，并以兩種特定方式對下降的電壓作出反應(yīng)。首先，當(dāng)電壓超過某個可選閾值時，電壓監(jiān)視（VLM）功能將觸發(fā)中斷，從而在超過實際BOD電壓閾值之前立即執(zhí)行緊急關(guān)斷任務(wù)。超過BOD電壓后，設(shè)備將保持在復(fù)位狀態(tài)，直到消除此條件。同時，也可以確定復(fù)位事件的原因，以確保采取適當(dāng)?shù)幕謴?fù)策略，這可能與第一次的上電周期不同。

窗口化看門狗定時器

現(xiàn)代MCU使用看門狗定時器作為故障恢復(fù)機制，旨在終止無限循環(huán)（又稱“自旋鎖”）條件，這種條件除了采取嚴厲的措施外沒有任何解決方法。早期版本設(shè)置了以秒或毫秒為單位的超時閾值，然后需要在達到此閾值之前對運行代碼進行某種類型的“刺激”。確認后，超時閾值重置，倒計時重新開始。懶惰的程序員使用周期性中斷服務(wù)程序來更新定時器，但是即使系統(tǒng)的其他部分卡在某個無限循環(huán)中，這些程序仍會自行繼續(xù)執(zhí)行，不會通過系統(tǒng)復(fù)位來解決這種情況。

窗口看門狗定時器通過允許指定看門狗服務(wù)窗口解決了部分問題。這樣一來，看門狗定時器的服務(wù)速度不能太慢，也不能太快。這使得依賴已知執(zhí)行時間短于最大閾值的代碼變得更加困難。

循環(huán)冗余校驗（CRC）代碼掃描

CRC代碼掃描外設(shè)可確保已編程代碼映像的完整性。它比單純的校驗和更加強大，因為校驗和很容易被數(shù)學(xué)操作欺騙?？蓪⑻囟ǖ腗CU硬件模塊配置為在程序存儲器的自舉程序部分、應(yīng)用程序部分或整個閃存陣列上運行掃描。然后，外設(shè)會將其CRC結(jié)果與附加在指定代碼空間末尾的正確校驗和進行比較。如果這兩個16位數(shù)字匹配，則證明代碼空間未遭到修改。可將匹配失敗配置為產(chǎn)生不可屏蔽中斷，以進一步處理該問題。

實際輸入路徑通用輸入/輸出（GPIO）外設(shè)

在早期的MCU中，如果將GPIO引腳配置為輸出，驗證引腳電壓（即5V）與控制位值（即1）相匹配的惟一方法是使用配置為輸入的單獨GPIO引腳來讀取電壓。配置為輸出的GPIO引腳不能回讀實際電壓，而只能回讀寫入的值；因此，“輸入”值始終保持一致。

實際輸入路徑GPIO單元可以提供到離散的內(nèi)部輸入寄存器的獨立電氣路徑，從而反映引腳上設(shè)置的實際電平。雖然該電平只能以邏輯1或邏輯0的方式讀取，但它仍可提供足夠的反饋來驗證寫入輸出控制寄存器的內(nèi)容。這兩個值應(yīng)始終保持一致。如果兩者之間存在差異，則表明該特定GPIO引腳上存在短路或開路情況，需要適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

具有這些功能的MCU可為完整的FuSa層奠定基礎(chǔ)。隨著基于AI/ML的自動化將關(guān)注重點從系統(tǒng)生產(chǎn)和維護成本節(jié)約轉(zhuǎn)向用戶體驗的安全性和便利性，F(xiàn)uSa層的重要性將不斷提高。