作者：Aaron Behman 和 Adam Taylor

嵌入式視覺 (EV) 系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)是無所不在，高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS)、機(jī)器視覺、醫(yī)療成像、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及眾多其他應(yīng)用等等， 都離不開一個(gè)高效的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)。

　　然而， 采用 EV 系統(tǒng)雖然能給最終應(yīng)用帶來明顯優(yōu)勢，但也要確保采用該系統(tǒng)后不會(huì)造成人身傷亡或財(cái)產(chǎn)損失，這對(duì)開發(fā)人員來說義不容辭。要做到這點(diǎn)，不僅要考慮設(shè)計(jì)的安全性，嚴(yán)格遵循工程壽命周期和公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，還需要考慮 EV 系統(tǒng)的保密性，防止被惡意或其它方式修改。

　　EV 系統(tǒng)的終端應(yīng)用是安全性和保密性需求強(qiáng)弱的驅(qū)動(dòng)因素。例如，消費(fèi)類應(yīng)用對(duì)于安全性和保密性的要求，就比 ADAS 或機(jī)器視覺系統(tǒng)的要求低得多。

　　為在這些設(shè)計(jì)考慮因素和安全性與保密性要求方面協(xié)助我們，行業(yè)制定了多個(gè)知名的國際標(biāo)準(zhǔn)（如 IEC61508），為眾多要求功能安全性的電子系統(tǒng)保駕護(hù)航。另外，還有更多專用標(biāo)準(zhǔn)，例如用于汽車應(yīng)用的 ISO26262、用于機(jī)器設(shè)備的 IEC62061 和用于飛行應(yīng)用的 DO178/DO254。此外，根據(jù)最終市場的情況，商業(yè)應(yīng)用也要求 CE、UL 或 CSA 標(biāo)識(shí)。這些標(biāo)準(zhǔn)中的每一項(xiàng)都有相應(yīng)的開發(fā)和驗(yàn)證要求，需要落實(shí)在機(jī)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)和交付生命周期中以確保合規(guī)性。

　　而 EV 系統(tǒng)的核心是處理內(nèi)核，該系統(tǒng)一般會(huì)采用一個(gè) FPGA 或可編程的 SoC，以用于解決目前提出的一系列問題。

這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際意義是什么？
許多此類安全標(biāo)準(zhǔn)使用不同的名稱定義安全級(jí)別，比如 IEC61508 的“安全完整性級(jí)別”（SIL）、DO254 的“設(shè)計(jì)保障級(jí)別”（DAL）和 ISO26262 的“汽車 SIL”（ASIL）。在 SIL、DAL 和 ASIL 內(nèi)包含一系列不同級(jí)別，可根據(jù)應(yīng)用的危害程度采用不同的安全級(jí)別。一般來說，這些級(jí)別是按失效時(shí)間（小時(shí)數(shù)）定義的，正確的說法是“失效時(shí)間（小時(shí)數(shù)）”。雖然這些不同的標(biāo)準(zhǔn)總體上保持一致，但也存在如下差異。

表1：安全標(biāo)準(zhǔn)和不同級(jí)別

在開展設(shè)計(jì)分析時(shí)，會(huì)演示如何達(dá)到認(rèn)證要求的級(jí)別。工程師習(xí)慣使用時(shí)間失效（FIT）率，即失效時(shí)間（小時(shí)數(shù)）的倒數(shù)。在 SIL4 和 DAL A 安全級(jí)別下運(yùn)行時(shí)，這要求采用正確架構(gòu)的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這些要求。

系統(tǒng)考慮因素
安全系統(tǒng)的開發(fā)要求出色的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，同時(shí)在每個(gè)開發(fā)層級(jí)上配合明確定義且可跟蹤的要求。

　　如上所述，工程生命周期由最終應(yīng)用和所需的結(jié)果認(rèn)證共同決定。該生命周期將決定從 EV 系統(tǒng)的概念、生產(chǎn)到處置所采取的總體工程方法。

　　在這個(gè)生命周期內(nèi)，您可以定義工程評(píng)審門，以控制項(xiàng)目的進(jìn)展。在這些評(píng)審中，由獨(dú)立技術(shù)專家審核需求、設(shè)計(jì)、技術(shù)報(bào)告和測試結(jié)果，以確保設(shè)計(jì)成熟度足以支撐進(jìn)入到下一階段，或是需要進(jìn)行進(jìn)一步工作來達(dá)到所需的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖 1：交付與工程生命周期示例

工程計(jì)劃也要勾勒出每個(gè)層級(jí)的驗(yàn)證和確認(rèn)流程，通過履行這一流程獲得達(dá)到適用標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)要求的證據(jù)。這可能要求在各種環(huán)境工作范圍、動(dòng)態(tài)振動(dòng)與沖擊下測試 EV 系統(tǒng)。您甚至可能必須讓 EV 系統(tǒng)接受加速壽命測試，以確保能夠達(dá)到系統(tǒng)的使用壽命。

　　當(dāng)涉及到保密性時(shí)，您必須考慮一系列方面的因素，即工程師在試圖確保其設(shè)計(jì)安全性時(shí)面臨的高層次問題。這些方面包括如下：
●　競爭對(duì)手對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行逆向工程操作
●　未經(jīng)授權(quán)對(duì)設(shè)計(jì)的改動(dòng)
●　未經(jīng)授權(quán)訪問設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)
●　未經(jīng)授權(quán)控制或操控最終應(yīng)用

有多種方法可供您解決一部分此類難題。您可以使用加密比特流，從而控制對(duì)設(shè)計(jì)和制造文件的訪問。或是您可以通過限制對(duì)最終產(chǎn)品 JTAG 端口的訪問，同時(shí)根據(jù)選擇的器件的架構(gòu)采取軟件保密性措施，可以保護(hù)物理設(shè)計(jì)。

高質(zhì)量設(shè)計(jì)
顯然您需要根據(jù)終端應(yīng)用應(yīng)用考慮選擇什么樣的組件和制造標(biāo)準(zhǔn)，以確保您符合應(yīng)用的質(zhì)量要求。在處理內(nèi)核方面，您可以使用賽靈思 FPGA 和 SoC 器件，此類器件既符合標(biāo)準(zhǔn)商用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)，也符合工業(yè)、汽車、航空航天與軍用等更嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)。這樣通過選擇正確的組件等級(jí)，工程師團(tuán)隊(duì)從一開始就提高質(zhì)量。

　　另外，還有一系列設(shè)計(jì)技術(shù)可供您用于幫助滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。為了力助確保您滿足可靠性要求（也即常稱的成功概率），在必要時(shí)，您可以使用可靠性工程技術(shù)為系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能創(chuàng)建可靠性方框圖，并確保避免任何危險(xiǎn)的失效模式和單點(diǎn)失效。在設(shè)計(jì)自身內(nèi)，您可以進(jìn)行失效模式影響與危害性分析 (FMECA)。開展這一分析的層級(jí)可視應(yīng)用而定，可以從功能模塊級(jí)直至組件級(jí)。FMECA 將考慮潛在故障模式、后效和對(duì)系統(tǒng)的最終影響，它還將考慮故障是否能被內(nèi)置的自檢和監(jiān)控系統(tǒng)檢測到。如果您要開發(fā)組件級(jí)的 FMECA，您就需要考慮設(shè)計(jì)中每個(gè)組件的部件應(yīng)力分析 (PSA)，以確保組件在正確的降額條件下工作。您應(yīng)用的降額水平將取決于選擇的常用標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)包括國防部 (Mil-STD 1547) 和歐洲太空總署(ESCC-Q-30-11A)。如果您不進(jìn)行 PSA 分析，就可能在過應(yīng)力情況下使用器件，造成這些器件成為設(shè)備使用壽命的限制因素。根據(jù) FMECA 的預(yù)測，這些器件的失效可能導(dǎo)致也可能不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的損耗或性能衰減。

　　在分析可靠性的同時(shí)，您還能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行威脅分析，根據(jù)使用案例確定系統(tǒng)威脅以及對(duì)識(shí)別出的威脅可能采取的緩解策略。

架構(gòu)案例分析
在硬件層面，您需要考慮系統(tǒng)功能以及您如何實(shí)現(xiàn)功能安全性與保密性。雖然這可以從頭開始實(shí)現(xiàn)，但更好的方法是選擇已經(jīng)支持這些功能的組件，例如賽靈思 Zynq? All Programmable SoC。

　　任何 EV 系統(tǒng)的核心都是圖像處理流水線。這要求將高帶寬處理能力與監(jiān)視及控制功能相結(jié)合。相對(duì)于傳統(tǒng)的處理器與 FPGA 組合，Zynq 全可編程 SoC 能讓我們擁有緊密集成的架構(gòu)。

　　這種處理器和邏輯結(jié)構(gòu)之間更緊密的集成不僅能帶來更出色的 SAWP-C 解決方案，由于處理器和邏輯結(jié)構(gòu)之間的交互不對(duì)外暴露，不給惡意訪問或其他訪問可乘之機(jī)，從而提供更安全的系統(tǒng)。

　　在電子架構(gòu)內(nèi)部，您可使用 Zynq全可編程SoC 的嵌入式安全架構(gòu)提供安全配置功能。在可編程系統(tǒng) (PS) 和可編程邏輯 (PL) 中，您可使用三段法確保系統(tǒng)分區(qū)的安全性。三段法包括散列消息認(rèn)證代碼 (HMAC)、高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 解密和 RSA 認(rèn)證。AES 和 HMAC 都使用 256 位私鑰，而 RSA 使用 2,048 位密鑰。Zynq 全可編程 SoC 的安全架構(gòu)還允許啟用或禁用 JTAG 訪問。

　　當(dāng)您在為我們的非易失性引導(dǎo)介質(zhì)生成引導(dǎo)文件和配置分區(qū)時(shí)，這些安全特性是啟用的。還可以定義一個(gè)回滾分區(qū)，這樣如果最初的第一階段引導(dǎo)加載程序加載其應(yīng)用失敗，就能回滾到存儲(chǔ)在不同內(nèi)存位置的該應(yīng)用的另一個(gè)備份。

　　在您成功啟動(dòng)設(shè)備并開始運(yùn)行時(shí)，我們可以使用 ARM Trust Zone 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)正交環(huán)境，限制對(duì) Zynq AP SoC 內(nèi)的硬件功能的訪問，包括可編程邏輯 (PL) 外設(shè)在內(nèi)。您還可以細(xì)分內(nèi)存和 L2 緩存，確保安全環(huán)境和非安全環(huán)境間的交互受到限制。

圖2：Zynq SoC Secure Boot和Trust Zone實(shí)現(xiàn)

如果要在 Zynq AP SoC 的可編程邏輯架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)圖像處理流水線，您還可以使用 Trust Zone 提供對(duì)可編程邏輯架構(gòu)中的 IP 核的安全或非安全訪問。這樣您就能夠使對(duì)圖像處理鏈的關(guān)鍵方面進(jìn)行安全訪問，避免發(fā)生對(duì)配置的無授權(quán)修改。

　　圖像處理流水線可使用定制開發(fā)模塊或來自 IP 庫的模塊實(shí)現(xiàn)。

　　部分安全性與保密性實(shí)現(xiàn)方案（例如 IEC61508）可能要求彼此隔離設(shè)計(jì)元，這可能是建立模塊冗余，區(qū)分安全區(qū)域或測試功能的結(jié)果。通過使用隔離設(shè)計(jì)流程 (IDF)，您可以在已確認(rèn)區(qū)域間強(qiáng)制實(shí)施物理隔離。在使用 Vivado? Design Suite 時(shí)，支持對(duì) Zynq 器件開展這種操作。

圖3：用于安全關(guān)鍵型 FPGA 的 IDF 強(qiáng)制政策

如果您想在處理鏈或其他控制邏輯中實(shí)現(xiàn)多數(shù)表決，隔離設(shè)計(jì)流程對(duì)您而言就非常有用。使用隔離設(shè)計(jì)流程可確保冗余模塊間的唯一互聯(lián)是通過可信路徑實(shí)現(xiàn)的。

　　在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的時(shí)候，您還需要考慮一系列針對(duì)器件和工具的設(shè)計(jì)考慮因素。當(dāng)然終端應(yīng)用應(yīng)用和您的總體工程管理計(jì)劃將決定采用這些技巧的必要性。
●　在內(nèi)存上使用檢錯(cuò)糾錯(cuò) (EDAC) 碼。必要時(shí),該功能還可與擦除功能相結(jié)合，定期讀取和糾正內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，不管應(yīng)用是否正在訪問內(nèi)存。
●　在定義控制字時(shí)運(yùn)用漢明(Hamming) 碼的不同，增大命令字之間的漢明距離，同時(shí)要求實(shí)現(xiàn)更多位，有助于提高設(shè)計(jì)的可靠性。
●　對(duì)關(guān)鍵命令使用 ARM 和 FIRE 方法，該方法要求動(dòng)作關(guān)鍵型功能使用兩個(gè)單獨(dú)命令。
●　在外部通信接口上使用 EDAC 碼
●　綜合性內(nèi)建測試（BIT）功能能報(bào)告系統(tǒng)的健康狀態(tài)或其他狀態(tài)Zynq XADC 是 BIT 系統(tǒng)功能非常強(qiáng)大的一個(gè)組件，因?yàn)橥ㄟ^多路復(fù)用器引入外部信號(hào)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)器件電壓和溫度的監(jiān)測。

總結(jié)
對(duì)您的嵌入式視覺系統(tǒng)應(yīng)用正確的功能安全工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是能夠做到的，有相當(dāng)數(shù)量的組件、工具和開發(fā)方法可供系統(tǒng)開發(fā)人員使用。

　　要確保我們滿足您的 EV 系統(tǒng)的認(rèn)證要求，您需要從設(shè)計(jì)之初就開始正確判斷適用標(biāo)準(zhǔn)，并生成工程管理計(jì)劃，定義工程生命周期，用以收集通過認(rèn)證所需的證據(jù)。