China Central FAE Sam Zhang

隨著越來越多的工業應用對產品的可靠性和安全性要求越來越高，我們在做產品設計的時候不僅要正確的實現產品功能，同時也需要通過一些功能安全認證，比如家電行業的IEC60730等或者ISO13849等。一般的系統故障可以通過設計的迭代和嚴格測試來避免，但是硬件的隨機失效理論上是無法完全消除的，所以要想提高硬件隨機失效的診斷覆蓋率，就需要軟硬件診斷機制來保障。

作為系統的核心控制部分，MCU主平臺的診斷機制就是最關鍵的部分。針對一般通用的MCU，以Piccolo C2000系列為例，硬件上提供了一些診斷或者校驗機制，如下所示：

同時TI也提供了一些軟件診斷方案，如MSP430 IEC60730 Software Package和C2000 SafeTI 60730 SW Packages軟件庫等，可以提供很多的診斷測試功能，例如CPU、時鐘、外設、RAM等的診斷，已經可以滿足一部分的需求。

然而在實際的應用中，有些安全標準要求對RAM進行周期性的在線診斷，同時不能影響程序的正常運行。但是程序在運行過程中存儲在RAM中的數據會實時的變化，而RAM的診斷往往會破壞這些存儲的數據，比如電機控制類的實時性要求較高的場合。所以在沒有ECC的情況下，如何對RAM進行實時在線的診斷是一個值得討論的問題。

下面以電機控制為例，討論硬件校驗的實現，尤其是RAM在線檢測的過程。

1. 系統軟件流程

非破壞性的診斷可以放在背景循環里面進行，這些軟件診斷不會對實時性中斷造成影響，例如看門狗測試，內部晶振測試，FLASH CRC校驗，靜態變量RAM CRC校驗，堆棧溢出判斷，以及GPIO口診斷等。另外一些破壞性的或者對實時控制有影響的診斷，可以放到主中斷中進行，如RAM March校驗，ALU診斷以及CPU寄存器診斷等。

2. RAM診斷的方法

以C2000 SafeTI 60730 SW Packages為例，主要提供了兩種RAM檢測方式。

一種是CRC檢測STL_CRC_TEST_testRam，此功能用于測試RAM的位錯誤。該測試以0和1的交替模式填充被測RAM區域，并使用PSA計算RAM的CRC。對于給定的RAM存儲器區域，如果RAM存儲器中沒有任何stuck bit，則CRC值應始終相同。并行串行分析器（PSA）是c28x器件中的一個模塊，可用于生成40位給定存儲區域上的CRC。 PSA多項式為Y = x40 + x21 + x19 + x2 + 1。PSA通過監視數據讀取數據總線（DRDB）來計算CRC值。 一旦激活就會監控Data Read Data Bus (DRDB)，當CPU通過DRDB讀取數據時，PSA每個時鐘周期會為DRDB上的數據生成一個CRC。由于此測試具有破壞性，因此需要將要測試的RAM內容保存到單獨的RAM位置。

當然也可以使用軟件CRC的方式，使用起來更靈活，并且可以選擇非破壞性的方式來計算CRC，對一些靜態常量存儲的區域可以考慮這種CRC方式。另外一點是軟件CRC算法可以更方便的進行代碼評估，以滿足不同安全標準的要求。

另一種是MARCH檢測STL_MARCH_TEST_testRam，此功能直接對RAM進行32bit的讀寫測試，可以選擇進行MarchC 13N或者MarchC-測試。由于此測試具有破壞性，因此也需要將要測試的RAM內容保存到單獨的RAM位置。

3. RAM在線檢測的實現

由于需要周期性的RAM檢測，以電機控制為例，可以將RAM檢測放到主中斷里面執行。同時關鍵是不能影響控制程序的運行和實時性，所以主要考慮兩點：

第一是主中斷時間有限，要盡可能減小RAM檢測的時間，所以可以將RAM分成多個小段進行檢測，每段RAM越小，占用中斷的時間越小，但是所有RAM檢測一遍的時間會變長，這個需要綜合考慮。

第二是不能破壞RAM中的變量值，所以在檢測是之前將RAM段中的內容保存到專門區域，戴檢測完成并且通過之后，再將保存好的數據恢復過來，使用memCopy來提高效率。

具體實現方法如下：

首先定義好各個RAM區間的地址范圍，可以參考具體的數據手冊，如下所示：

然后定義好檢測的范圍和每次檢測的數據長度：

注意由于STL_MARCH_TEST_testRam函數執行32位讀/寫測試，而在測試RAM單元陣列時，由于RAM單元的16位體系結構，所以要求起始地址為偶數，結束地址為奇數，可以測試的最大內存范圍限制為65535個32位字。所以要求測試長度也需要為奇數。

在主中斷里面的RAM在線檢測函數里，首先將要檢測區域的RAM值保存下來：

if ((gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart >= MARCH_RAM_START)

&& (gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart <= (MARCH_RAM_END-RAM_CHK_NUM)))

{

gStructSTLMonitor.NowRamAddrEnd = gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart + RAM_CHK_NUM;

memCopy((uint16_t *)gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart,(uint16_t *)

gStructSTLMonitor.NowRamAddrEnd,(uint16_t *)MARCH_RAM_BK);

}

然后進行檢測：

gStructSTLMonitor.status = STL_MARCH_TEST_testRam((uint32_t *)

gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart,(uint32_t *)gStructSTLMonitor.NowRamAddrEnd);

if(gStructSTLMonitor.status != SIG_RAM_MARCH_TEST)

{

STL_SetFail();

}

else

{

memCopy((uint16_t *)MARCH_RAM_BK,(uint16_t *)(MARCH_RAM_BK + RAM_CHK_NUM),

(uint16_t *)gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart);

gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart = gStructSTLMonitor.NowRamAddrEnd + 1;

gStructSTLMonitor.gTestStep++;

}

注意檢測成功之后馬上恢復當前區域的RAM值，并為下一次檢測做好準備。如果檢測發現故障，則進入故障處理函數。

參考文檔：

IEC60730 Safety Library for TMS320F2806x USER’S GUIDE

Safety Manual for C2000? MCUs in IEC60730 Safety Applications (SPRUHI3A)

審核編輯 黃昊宇