基于ISO 26262標準的汽車功能安全硬件設計方案

引言

ISO 26262是一個針對道路車輛功能安全的國際標準，涵蓋了從概念階段到產品退役的整個生命周期。對于汽車硬件設計師而言，理解并遵循ISO 26262標準是確保汽車電子系統安全性的重要步驟。本文將詳細討論基于ISO 26262標準的汽車功能安全硬件設計方案，重點介紹主控芯片型號及其在設計中的作用。

ISO 26262標準概述

ISO 26262標準是針對道路車輛安全功能的標準，分為多個部分，從管理、開發、生產到服務的各個階段都進行了規范。其核心目標是確保汽車電子電氣系統在設計、開發、生產及維護過程中的功能安全。標準中規定了安全生命周期的每一個階段，包括安全需求定義、功能安全概念、硬件和軟件設計、驗證與確認、以及系統的持續監控和維護。

硬件設計中的ISO 26262標準要求

在硬件設計過程中，ISO 26262標準要求工程師遵循一系列安全設計原則和過程。這些要求主要包括：

1. 安全需求分析：在硬件設計階段，必須明確功能安全需求（如ASIL等級），并將這些需求轉化為硬件規格和設計要求。

2. 硬件架構設計：設計應包含冗余和容錯機制以應對潛在的硬件故障。

3. 硬件安全設計：需要實施設計技術和方法來確保硬件的可靠性和安全性，例如使用故障檢測機制和故障分隔技術。

4. 驗證與確認：設計完成后，需要進行詳細的驗證測試以確保硬件設計滿足所有功能安全要求。

主控芯片型號及其在設計中的作用

主控芯片（或稱微控制器單元，MCU）在汽車功能安全硬件設計中扮演著至關重要的角色。選擇合適的主控芯片可以極大地影響系統的安全性、性能和可靠性。以下是一些常見的主控芯片型號及其在ISO 26262標準下的應用和功能分析。

1. NXP S32K系列

主控芯片型號：NXP S32K144、S32K118

作用：

• ASIL-D級支持：S32K系列芯片支持ASIL-D級功能安全標準，適用于高級功能安全需求的應用場景。

• 硬件冗余：提供內置的硬件冗余功能，如ECC（錯誤檢測和糾正碼）內存和CRC（循環冗余檢查）模塊。

• 安全機制：具備硬件安全特性，例如獨立看門狗、硬件加密引擎等。

• 工具支持：提供功能安全工具包，包括安全文檔和工具，以便于硬件設計人員進行安全分析和驗證。

2. Infineon AURIX系列

主控芯片型號：Infineon TC397、TC375

作用：

• ASIL-D級支持：AURIX系列芯片設計滿足ASIL-D級的功能安全要求。

• 多核架構：采用多核設計以提供高性能和高可靠性，適用于復雜的安全關鍵應用。

• 安全特性：內置安全功能如硬件診斷、冗余設計、內存保護等。

• 開發支持：提供廣泛的工具支持，包括功能安全文檔和開發工具，幫助工程師進行安全設計和驗證。

3. Renesas RH850系列

主控芯片型號：Renesas RH850/F1x、RH850/U2x

作用：

• ASIL-D級支持：RH850系列提供ASIL-D級的安全功能，適用于高安全性要求的應用。

• 硬件安全機制：包括數據冗余、錯誤檢測與糾正功能。

• 功能豐富：支持廣泛的應用功能，包括復雜的計算需求和實時操作能力。

• 功能安全工具：提供完整的安全工具包和開發工具，幫助進行系統級的安全分析和驗證。

4. Texas Instruments TMS570系列

主控芯片型號：TI TMS570LS3137、TMS570LS20216

作用：

• ASIL-D級支持：TMS570系列芯片滿足ASIL-D級功能安全要求。

• 安全特性：包括雙核設計、故障檢測、糾錯機制和功能安全監控。

• 可靠性：提供高可靠性的設計選項，如ECC內存、冗余電源監控。

• 開發工具支持：提供全面的工具支持，包括安全分析工具和開發工具套件。

設計中的安全策略與措施

在主控芯片的選擇和設計過程中，需要考慮以下安全策略和措施以滿足ISO 26262標準的要求：

1. 冗余設計：采用多核處理器和雙模冗余設計，以確保在發生單點故障時系統仍能保持安全操作。

2. 故障檢測和處理：實現全面的故障檢測和處理機制，包括硬件自檢、錯誤檢測和糾錯機制。

3. 功能安全管理：進行系統級的功能安全分析，編寫安全需求文檔，并進行安全性驗證與確認。

4. 工具與文檔支持：使用供應商提供的功能安全工具包、文檔和參考設計，以便于進行安全設計和驗證工作。

硬件設計流程中的安全檢查

在整個硬件設計流程中，需要進行多個階段的安全檢查：

1. 需求分析階段：確認功能安全需求，評估ASLA級別，定義安全目標。

2. 設計階段：進行詳細的硬件設計，確保冗余設計、故障檢測和處理機制得到實現。

3. 驗證階段：進行硬件驗證測試，確保設計滿足ISO 26262標準的安全需求。

4. 生產與維護階段：建立生產和維護流程中的安全措施，確保產品在生產和使用過程中保持功能安全。

結論

基于ISO 26262標準的汽車功能安全硬件設計是一個復雜而系統的過程，需要從需求分析、硬件設計到驗證確認的各個階段都進行嚴格的控制和管理。選擇合適的主控芯片是實現功能安全的關鍵步驟，不同型號的主控芯片提供了不同的安全特性和工具支持，幫助工程師滿足ISO 26262標準的要求。

本文介紹了幾種主控芯片型號及其在硬件設計中的作用，包括NXP S32K系列、Infineon AURIX系列、Renesas RH850系列和Texas Instruments TMS570系列。這些芯片型號不僅支持不同等級的ASIL需求，還提供了多種安全特性和開發工具，幫助設計人員進行功能安全硬件設計。

在實際的設計過程中，工程師需要結合具體的應用需求，選擇合適的主控芯片，并按照ISO 26262標準進行全面的安全設計和驗證。通過對主控芯片型號的詳細分析及其在設計中的作用的探討，本文為汽車功能安全硬件設計提供了一個系統的參考框架。

參考文獻

1. ISO 26262: Road Vehicles – Functional Safety.

2. NXP S32K Series: https://www.nxp.com/products/processors-and-microcontrollers/automotive-processors/s32k-microcontrollers:S32K

3. Infineon AURIX Family: https://www.infineon.com/cms/en/product/microcontroller/aurix-family/

4. Renesas RH850 Series: https://www.renesas.com/us/en/products/microcontrollers-microprocessors/rh850

5. Texas Instruments TMS570 Series: https://www.ti.com/processors/microcontrollers/16-32-bit-microcontrollers/embedded-microcontrollers/overview.html#TMS570