?備援系統(tǒng)滿足容錯操作需求 ECU實現(xiàn)高自動化駕駛

在自動駕駛的發(fā)展過程中，安全和可靠度扮演著關鍵角色。為確定安全關鍵電子系統(tǒng)即使在故障情況下亦可用，某些備援及安全功能必須保證可用，另外，電子控制單元(ECU)內其中一項主要元件微控制器也必須具備此能力。

依照目前趨勢，對先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的需求不斷提升，加上自動駕駛技術持續(xù)成長，為相關汽車系統(tǒng)在耐用度、可用性和功能安全性等方面帶來了新的需求。目前的汽車系統(tǒng)設計，能在發(fā)生故障時進入失效安全或故障沉默模式。要實現(xiàn)高級自動駕駛或全自動駕駛，汽車需要高可靠度和高可用性，也就是電子系統(tǒng)需要在故障時繼續(xù)維持運作(亦即容錯操作)。這需要一定程度的備援能力，此外也會對所用的微控制器產生新的需求。新世代AURIX微控制器的架構經過強化，讓備援系統(tǒng)擁有更高效能與更獨立的CPU核心與記憶體，通訊介面速度更快，外殼也更為輕巧。

目前汽車內的電子系統(tǒng)一般都為故障沉默模式，也就是駕駛必須在故障時接手汽車的控制權。根據(jù)第3級和第4級的自動化階段(按SAE/VDI定義)，等到未來高級自動駕駛車推出，駕駛就不再需要于故障時介入，也無法介入，這樣一來，駕駛就能在行駛過程中從事其他活動。第5級定義則指完全無駕駛的自動車，這需要完整的備援控制架構，并支援適當?shù)陌踩珮藴省?/p>

ISO26262護自駕車安全

ISO26262是目前公認的汽車電子系統(tǒng)安全標準，半導體公司都透過此標準來設計安全元件，包括AURIX微控制器、安全感測器、安全電源供應器和變頻器驅動器等。ISO26262于2011年推出時，也將重點放在高可用性和故障沉默系統(tǒng)上。未來幾年內推出的新版標準(ISO26262第2版)將明確定義容錯操作系統(tǒng)的特性，以滿足汽車業(yè)不斷產生的新要求。

系統(tǒng)為執(zhí)行容錯操作功能所需要的系統(tǒng)數(shù)量，將視自動化等級及相關錯誤處理方式而有所不同。目前據(jù)報最常出現(xiàn)的錯誤反應為「10秒內緊急停止，最長不超過30秒」。這些要求層級與下列致動器有關：剎車、轉向，甚至是將汽車與驅動引擎或馬達解耦。另外，照明和HMI等其他支援致動器也在考量之中，但并非不可或缺。

三重模組備援是一種廣為人知的容錯操作系統(tǒng)，又名「三選二」(2-out-of-3, 2oo3)，系統(tǒng)包含三個對等的執(zhí)行個體，都執(zhí)行相同的演算法。

二重備援為主要參考標準

三個系統(tǒng)的輸出會相互比對，并用多數(shù)票的方式加以評估(圖1)。這種方法可同時套用到軟體與硬體，為航空業(yè)目前所采用的標準。但此方法也存在著難題，也就是票選系統(tǒng)的復雜度和安全性。對ECU等即時系統(tǒng)來說，這會大幅提高相關硬體的復雜度，進而影響整體成本，因此，目前汽車業(yè)都以「二重備援」為參考標準。

圖1 容錯操作系統(tǒng)的三重模組備援。

二重備援架構由兩個獨立的處理通道組成，每個通道皆為故障沉默通道。(圖2)。故障沉默通道通常采用1oo1D架構(單一通道具診斷功能)。二重架構(亦稱為「2oo2DFS」)可用對稱或非對稱備援的方式實作，這類的2oo2DFS架構適用于電子控制單元，尤其是發(fā)生故障時，因為只需要考慮兩端中的任一端即可進行錯誤分析。

圖2 二重備援能提升容錯操作功能實作的成本效益。

剎車系統(tǒng)和轉向等應用提供了兩種類型的功能：安全關鍵功能和舒適功能。

由于容錯操作系統(tǒng)著重于安全關鍵功能，而2oo2DFS具備彈性，因此系統(tǒng)能使用非對稱的架構，進而將必要元件最佳化。其作法是將較復雜且高效能的通道用在第一通道，然后將較小、符合成本效益的MCU用于第二通道。第一個通道擁有效能較高的MCU，因此可結合舒適功能和安全關鍵功能。而第二個通道使用較小的MCU，只能涵蓋安全關鍵功能的容錯操作要求。

MCU結合安全裝置提升系統(tǒng)可用性

高可用性在容錯操作系統(tǒng)中扮演重要角色，尤其是同時具備安全關鍵功能與舒適性相關功能的混合型系統(tǒng)。二重架構的設計用意，就是在發(fā)生故障時盡可能維持舒適功能。為此，有廠商開發(fā)了一項晶片組架構，將微控制器與支援的安全裝置(亦即安全電源供應器)結合在一起，借此提供高系統(tǒng)可用性。

在目前的故障沉默系統(tǒng)中，當安全微控制器偵測到嚴重錯誤時，會將錯誤狀況回報至錯誤腳位，外部支援的安全模組便會檢查錯誤腳位，并在確認錯誤狀況后關閉系統(tǒng)。圖3說明系統(tǒng)如何安全地回應錯誤情況。整個流程是安全的，因為錯誤情況是回報至外部監(jiān)控模組，如此可提高系統(tǒng)可用性，此外，微控制器的錯誤回應也能另外設定。

圖3 結合安全供應模組與AURIX微控制器，使容錯操作系統(tǒng)擁有高可用性。

此方法由英飛凌提出，能善用AURIX安全管理單元(SMU)的優(yōu)點，SMU可分別設定各錯誤來源的回應(中斷、NMI、CPU核心重置、CPU核心閑置或SOC重置)。圖4說明故障沉默的EPS設計，結合了AURIX微控制器與TLF35584安全供應模組，得以確保高可用性。

圖4 含AURIX微控制器和安全供應模組的故障沉默EPS設計。

容錯操作耗電/成本挑戰(zhàn)高

實作容錯操作系統(tǒng)需要一定程度的備援，也會面臨空間需求、耗電量和成本等方面的挑戰(zhàn)。

新一代的AURIX TC3xx目前提供12 mm×12mm(BGA-196)和14mm×14 mm兩種封裝(TQFP-100)，換句話說，兩個BGA-196封裝比兩個TQFP-100版本更不占空間，體積小了3.6倍，所需要的電路板空間比兩個TQFP-100版本少了27%。此外，AURIX的整合式電壓穩(wěn)壓器支援切換式CAP DC/DC拓撲，最多可省下兩個外接MOSFET和電感器的空間及成本。在此拓撲下，運作耗電量足足減少一半。

如先前所述，采用一大一小的非對稱架構，便能使用較符合成本效益的微控制器，進而降低容錯轉移實作的成本。AURIX系列具備較佳的擴充能力和相容性，因此能同時將高階和低階版本運用在同一個設計之中(圖5)。安全概念、延遲和其他設計參數(shù)均獲得保留，更有助于簡化設計。此外，選擇制造商也能簡化供應鏈，并降低開發(fā)與認證成本以及軟體開發(fā)工具的成本。

圖5 含兩個AURIX微控制器的容錯操作EPS設計，可基于成本考量采用非對稱式(一大一小CPU)。

使用AURIX微控制器，可提高容錯轉移系統(tǒng)的可用性。所有的AURIX微控制器均采用相同的安全概念，并使用進階的保護機制，像是Lockstep、ECC(錯誤校正碼)受到保護的記憶體，以及前面提到的安全管理單元(SMU)。

新一代AURIX的架構經過最佳化，進一步改善了可用性，核心之間的獨立性也獲得提升?，F(xiàn)在，核心不論在重置、傳送或閑置模式下均可個別運作，也就是說，故障的核心可自行重置，其他核心則能繼續(xù)照常運作。各核心皆能直接存取其專屬資源，這樣一來，除了容錯操作系統(tǒng)(L3/L4)，連系統(tǒng)僅需部分備援的L2等級也能一并提升可用性。

最佳化以達到最高安全性

AURIX系列擁有高效能架構和最多六個核心，還有介面、安全性與安全功能，適合汽車業(yè)與工業(yè)電子市場的多種應用。新架構特別適用于混合式驅動器和變頻器、電池管理或電壓穩(wěn)壓器。此外，AURIX TC3xx微處理器適用于安全關鍵應用，適用范圍從安全氣囊、剎車、動力方向盤應用，到運用雷達或攝影技術的感測器型系統(tǒng)，也能用于高自動等級自動駕駛的網域控制與資料融合應用。

TC3xx系列具備可擴充功能(圖6)，快閃記憶體容量從1MB到最高16MB，整合式RAM記憶體則從150KB到超過6MB都有。相較于目前最多擁有三個核心的AURIX TC2xx微處理器，TC3xx多核心架構最多可提供六個TriCore CPUS，每個核心皆具備完整的300MHz時脈。

圖6 AURIX TC3xx系列可針對不同應用來擴充快閃記憶體、RAM和封裝。

自動駕駛需要更快且更安全地連接關鍵控制單元，包括了中央驅動電腦以及轉向或剎車系統(tǒng)。為了滿足這項需求，新一代AURIX進一步提升了通訊及安全功能，微控制器提供CAN FD、Flexray和可選購的Gigabit乙太網路介面。Evita硬體安全模組(HSM)可執(zhí)行符合ECC256及SHA256的非對稱加密、不同ECU之間的訊息驗證，還有可抵抗惡意軟體的安全開機。

TC3xx微控制器支援自動化/自動駕駛和電動車的實作，提供運算速度、安全性及安全功能的理想組合。擁有最多四個Lockstep核心及最多六個核心，可提供符合ISO 26262安全實作要求的極致運算效能：依照ASIL D要求，最多2400 DMIPS可用于應用，前一代裝置僅能提供740 DMIPS。AURIX TC3xx世代裝置向下相容于TC2xx世代。前導裝置TC39x的初代開發(fā)模式，具備300MHz時脈、16MB快閃記憶體和6.9MB SRAM，將提供BGA-516和BGA-292兩種封裝。

(本文作者皆任職于英飛凌)