根據(jù)ISO26262，功能安全是指不存在因電氣和電子系統(tǒng)故障行為引起的危害而導(dǎo)致的不合理風(fēng)險(xiǎn)。

無論垂直市場(chǎng)如何，這個(gè)定義都意味著對(duì)任何安全相關(guān)系統(tǒng)有很多非常具體的要求。

各種安全標(biāo)準(zhǔn)還定義了不同級(jí)別的安全完整性，即特定系統(tǒng)需要有多“安全”。例如，控制車輛制動(dòng)器的系統(tǒng)將具有最高級(jí)別的安全性，因?yàn)檫@種系統(tǒng)的故障可能是災(zāi)難性的。

然而，控制駕駛員座椅電機(jī)的系統(tǒng)雖然仍具有安全要求，但相對(duì)沒有那么高的要求。在ISO26262中，這被定義為“汽車安全完整性等級(jí)”或“ASIL”。ASIL目前被定義為四個(gè)不同的級(jí)別，從“A”（最低）到“D”（最高）。這些級(jí)別與系統(tǒng)必須達(dá)到的診斷覆蓋率直接相關(guān)，換句話說，與給定系統(tǒng)預(yù)期檢測(cè)到的故障數(shù)量直接相關(guān)。

根本挑戰(zhàn)

隨著汽車行業(yè)向完全自主實(shí)施邁進(jìn)，人們期望這場(chǎng)革命將帶來一個(gè)更安全的世界。超過90%的車輛事故是由人為錯(cuò)誤引起的，新一代車輛最終可以極大地降低死亡數(shù)字。然而，在車輛上實(shí)現(xiàn)功能安全，仍有幾個(gè)基本挑戰(zhàn)需要解決。自動(dòng)化的系統(tǒng)需要消耗大量的計(jì)算性能，并且，由于它們能夠控制車輛的方向和速度，因此它們需要具備最高水平的安全完整性。

那么，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)選擇是什么？

1. 鎖步（lock-step）

在“鎖步”中配置兩個(gè) CPU 內(nèi)核是實(shí)現(xiàn)高級(jí)別診斷覆蓋率的傳統(tǒng)方法 - 能夠檢測(cè)錯(cuò)誤情況的發(fā)生。原理很簡(jiǎn)單，每個(gè)內(nèi)核執(zhí)行完全相同的代碼，每個(gè)內(nèi)核都將輸出反饋給一個(gè)比較邏輯模塊。

比較邏輯模塊逐周期比較輸出，只要結(jié)果相等，一切正常。如果結(jié)果之間存在差異，則可能表明需要做更多檢查或處理故障情況。

需要進(jìn)行的操作由系統(tǒng)開發(fā)人員定義，并取決于相關(guān)系統(tǒng)。它既可以直接重新啟動(dòng)，或者在給定一段時(shí)間后重新檢查錯(cuò)誤條件是否仍然存在。鎖步設(shè)計(jì)固定在芯片中，因此沒有靈活性，因此，雖然擁有兩個(gè)內(nèi)核，但實(shí)際只能運(yùn)用到單個(gè)內(nèi)核的性能。

這種方法運(yùn)用的非常普遍，多年來一直適用于微控制器和不太復(fù)雜的確定性微處理器。

2. 冗余執(zhí)行(Redundant execution)

提供更高性能功能的 CPU 通常更復(fù)雜，確定性更低，因此對(duì)鎖步更具挑戰(zhàn)性。這導(dǎo)致了解決上述挑戰(zhàn)還需要考慮更多方案，軟件冗余或冗余執(zhí)行就是一種選擇。

此方法假定兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序，運(yùn)行在不同的 CPU 內(nèi)核上，甚至在不同的虛擬機(jī)中（如果實(shí)施了虛擬化）。當(dāng)應(yīng)用的輸出可用時(shí)，它們與額外的高安全完整性內(nèi)核進(jìn)行比較，以確保正確性，由于其獨(dú)立的時(shí)鐘和電源，通常被稱為“安全島”。這個(gè)安全島將負(fù)責(zé)最后的“決定和啟動(dòng)”階段。此方法可以降低高計(jì)算群集上的診斷覆蓋率要求，還可以在實(shí)現(xiàn)中引入更大程度的靈活性，同時(shí)提高效率。

然而，它也大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，再加上交叉檢查的顆粒度較低。由于軟件靈活性的優(yōu)勢(shì)，這種方法可能會(huì)在未來幾年更廣泛地用于某些需要安全性和高計(jì)算性能的應(yīng)用程序。

3. 分核鎖(Split-Lock)：兩全其美

最終的解決方案必須是將兩種方法的優(yōu)勢(shì)（靈活性、性能、簡(jiǎn)單性和經(jīng)過驗(yàn)證）結(jié)合在一起的解決方案。通過引入“分核鎖”功能，高計(jì)算性能與高安全完整性支持相結(jié)合。

分核鎖與鎖步有何不同？從本質(zhì)上講，它增加了鎖步 CPU 實(shí)現(xiàn)中不可用的靈活性。它允許系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)配置為“拆分模式”（兩個(gè)獨(dú)立的CPU，可用于不同的任務(wù)和應(yīng)用程序）或“鎖定模式”（CPU的鎖定步進(jìn)，用于高安全性完整性應(yīng)用）。這種靈活性甚至可以擴(kuò)展到支持潛在的故障操作模式 - 繼續(xù)在降級(jí)模式下運(yùn)行而不是完全關(guān)閉系統(tǒng)的能力。例如，在鎖定模式下運(yùn)行時(shí)，如果一個(gè)內(nèi)核開始出現(xiàn)故障情況，系統(tǒng)可能會(huì)被靜默，故障內(nèi)核可能會(huì)下線（拆分），從而允許在降級(jí)的操作模式下繼續(xù)運(yùn)行。這種“拆分可用”功能對(duì)于部署自主功能的系統(tǒng)都至關(guān)重要。