我們詳細地介紹了系統開發階段，TSR，安全機制，TSC，安全分析等相關的內容，今天我們聊系統開發階段最后一部分內容，即系統安全架構:

系統架構作用

系統架構相關安全機制

系統安全架構

01

系統架構作用

架構是一門藝術，在整車汽車系統，軟/硬件開發過程中非常重要，尤其在基于模型的系統開發(MBSE)中，架構是整個開發過程的核心之一。

一般來講，系統架構一般采用通用化建模語言UML或SysML在相關架構開發軟件，如Enterprise Architect， Cameo等，進行開發。但可惜的是，目前大部分車企都沒有完整的系統架構或多基于PowerPoint等形式的簡單架構描述。

在功能安全第三部分概念開發和第四部分系統開發過程中，都需要系統架構作為輸入條件，借助系統架構進行安全分析，導出功能安全需求(FSR)和技術安全需求(TSR)，并將相應的安全需求分配至系統架構。

但在系統開發階段，我們還需要對系統架構進行功能安全相關內容進一步開發，將架構相關的安全機制融入系統架構當中，形成系統安全架構(Safety Architecture)，以此勾勒出實現系統技術安全需求所需要的核心技術框架，為后續軟件和硬件架構的詳細設計提供基礎。

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系統架構相關安全機制

很多朋友一直有個疑問，對于不同的ASIL等級應該具體采取哪些安全機制呢?

這是個很好的問題，一般來說ASIL等級越高，需要采取的安全機制數目及質量要求越高。

但ISO 26262并沒有，其實也沒有辦法明確哪個ASIL等級應該具體采取哪些安全機制，只有對硬件部分，不同覆蓋率(中，高，低)對應的安全機制的推薦。

主要原因在于:?

雖然有一些通用的安全機制，但研究對象不同，采用的安全機制也不盡相同。

為功能安全技術實施多樣性提供更多空間和選擇，便于不同企業根據自身技術積累和開發條件進行實施。

為技術更新換代提供可能性。隨技術發展，很多新的安全機制得以實現或得以在汽車行業應用。

如果ASIL等級和安全機制一一掛鉤，強制執行，可能很多車企的車都沒辦法上市了(你懂的)。

我們先看看不含安全機制的系統架構長什么樣??

系統架構旨在描述相關項組成和相互作用和約束。根據ISO 26262定義，相關項由一到多個系統構成，而一個系統應該至少包括一個傳感器，一個控制單元，一個執行器。當然，一個系統也可以包含多個子系統。

所以一個最簡單的系統架構如下:

那有哪些系統層面的安全機制可以融入系統架構，進而形成系統安全架構呢？

既然一個最簡單的系統由三個部分構成，那么系統級別和架構相關的安全機制肯定也是和這三個部分以及三者之間的通訊安全相關。

下面我們一起看看系統層面和架構相關的常見的安全機制:

傳感器

─?傳感器硬件冗 ─?獨立供電 ─?多通道冗余采集 ─?信號質量檢測

控制單元

─?在線診斷

─?比較器

─?多數投票器

執行器

─?執行器硬件冗余

─?執行器控制信號質量檢測

通訊

─ 冗余發送

─?信息冗余(CRC)

─?時間監控

─?問答機制

需要注意的是，系統階段的安全機制主要作用是勾勒出實現系統功能安全所需的核心技術框架，明確應該采取哪些技術手段實現相應的安全目標，不會涉及具體的實施細節，這個會在后續軟件和硬件開發階段進一步明確。

從上述安全機制可以看出，雖然安全機制的種類有很多，但無非都源于以下三個角度:?

1

冗余性: 使用相同的功能組件(多指硬件)降低硬件隨機失效，增加功能安全的可靠性，例如傳感器，執行器冗余等。

2

多重性: 多用于故障關閉路徑，使用多個關閉路徑或保護設備，提供了防止單個設備失效的保護。

3

多樣性: 使用不同類型的設備或者軟件多樣化設計，降低共因失效的可能性。

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系統安全架構設計

了解系統架構相關的安全機制，接下來我們就將這些安全機制融入原有的系統架構，分別看看系統不同組成部分，融入安全機制后形成的系統安全架構長什么樣？

3.1 傳感器部分

首先，我們在系統中融入傳感器部分安全機制，需要注意的是，此處的傳感器代表廣義的輸入信息，可以是具體傳感器信號，也可以是其他類型通訊信息，例如CAN，SENT等。

傳感器的硬件冗余(當然傳感器必須獨立供電)多適用于對于ASIL等級要求非常高的信號，如ASIL ?C, D，尤其是D，其主要目的是為避免傳感器硬件隨機失效，通過信號相互校驗，增加系統輸入信息可靠性。

這里的傳感器硬件冗余采集，可以是利用相同的兩個傳感器，對同一信號進行重復采集(例如，踏板信號)，也可以是利用不同類型傳感器，對強相關的兩個信號分別進行采集(例如，制動踏板位置和壓力信息等)。

當然，傳感器輸入冗余信息，在控制單元中，必須進行多路采集，除傳感器本身提供診斷信息外，還需要對其信號有效性進行檢驗，包括數值有效范圍檢測，在線監控，Test Pattern，輸入對比，相關性，合理性檢測等。

3.2 控制單元

控制單元屬于整個系統中最重要的部分，控制單元相關的安全機制其實很大程度上決定了系統安全架構和系統復雜程度。

提到控制單元相關的安全機制，很多朋友第一反應是，控制器軟件分層，控制器硬件冗余(雙控制器，Dual Core LockStep雙核鎖步等)，看門狗，程序流監控等。

雖然這些都是控制單元常用的安全機制，但從系統角度而言，它們相對過于具體，只是針對某一類故障而設計的軟件或硬件安全機制，需要在系統安全架構基礎上具體明確。

接下來我們從系統角度，先看看系統級別安全架構，后續無非就是將具體的軟件和硬件安全機制逐步應用于系統架構當中去。

一般來說，所有的安全機制本質上都服務于兩類安全架構:

Fail to safe?

Fail to operational?

3.2.1 Fail to safe?

Fail to safe是目前汽車行業應用最廣泛的安全架構，最典型的應用就是在線監控，將整個控制單元分為功能實現和在線監控兩部分，即所謂的的1oo1D類型系統，具體如下圖所示:

其中:?

功能實現部分一般按正常開發流程就行開發，主要實現系統的功能性需求，不需要考慮功能安全需求(也就是全部QM)。

監控單元用于實現系統功能安全相關的需求，主要目的在于對功能實現部分進行安全監控，在線監測功能實現部分是否按照預期運行。一旦發現問題，就將系統導入安全狀態，停止提供系統原有功能或者維持最必要的功能。

需要注意的是，監控單元非功能層全部功能的多樣化復現，不能獨立于功能實現部分單獨存在，ASIL等級則直接決定了監控單元的硬件及軟件復雜度。

對于ASIL等級要求較高的系統，監控單元軟件一般獨立于功能層。為實現有效監控，在監控單元不僅需要對功能層中，和功能安全相關的輸入和輸出進行診斷，還需要對功能安全相關的計算邏輯進行監控，計算執行器關鍵控制信號的安全輸出范圍，并和功能層計算結果進行對比，甚至需要對控制器硬件進行額外的硬件監控。

如下圖所示，發動機控制單元最常見的E-Gas三層安全架構就屬于典型的1oo1D的應用，包括功能應用層，功能監控層，控制器監控層。

E-Gas三層安全架構，雖然是針對發動機控制單元，但屬于非常經典安全架構，廣泛應用于傳統控制系統(例如傳動，整車控制)當中，三層分層架構本質為原有ASIL等級的分解，即QM (ASILD)+ X(ASILX):

1

功能層:?功能實現部分，使得較為復雜的功能實現部分得以按照QM開發，無需考慮功能安全需求，專注于復雜功能軟件的開發和復用。

2

功能監控層:?按照原有ASIL等級進行獨立開發，對功能層中功能安全相關部分進行監控，包括輸入輸出診斷，邏輯監控，故障分類及故障優先級仲裁等。

3

控制器監控層:?對功能控制器，尤其是功能監控層控制器硬件進行監控，一般采用獨立的監控單元(一般采用ASIC基礎芯片)對功能控制器中內存，CPU，通訊，定時器等進行監測和保護。

目前E-Gas三層安全架構已經更新了很多版，強烈建議朋友們多讀幾遍，一定會深受啟發，之后有機會也可以給朋友們專門介紹一下。

當然，分層安全架構只是1oo1D其中一種實現方式，對于ASIL等級要求不高或者功能簡單的控制系統，不一定非得采用分層架構，監控層也可以相應簡化。

3.2.2 Fail to operational?

Fail to operational 屬于相對高級的安全架構，比較器和多數投票器都屬于這類安全架構，整個系統由相對獨立的兩條或多條功能鏈路構成，每條功能鏈路都有擁有自己獨立的傳感器，控制單元，甚至執行器。當其中一條功能鏈路出現異常，控制系統可以切換到其他功能鏈路，保證系統繼續正常工作或者降級運行。

獨立功能鏈路的實現需要大量的硬件冗余和多樣化的軟件設計，直接提高了系統成本，所以Fail to operational在汽車產品一般最多有兩個獨立功能鏈路，主要應用在對功能安全要求極高或者功能極為復雜的系統，例如自動駕駛。其中最典型的是1oo2架構，如果每個功能鏈路擁有獨立的診斷單元(和在線監控類似)，則可以實現1oo2D安全架構，如下圖所示:

其中:?

兩條功能鏈路功能可以保持一致，通過多樣化軟件設計保證系統安全，或者形成主副功能鏈路，主功能鏈路利用高性能計算單元實現復雜的功能計算，副功能鏈路對控制器硬件安全性及可靠性要求高，承擔系統功能安全任務，只實現系統功能安全相關的功能，一旦主功能鏈路出現故障，則系統切換至副功能鏈路。

3.3 執行器

執行器屬于系統功能實現終端，執行器冗余會極大增加系統成本，一般在Fail to operational 安全架構中才會采用。例如EPS系統，制動系統等，除電動執行單元外，還必須保留機械執行路徑。這也是目前自動駕駛系統，為什么還必須保留駕駛員自主駕駛所需要的全部執行輸入(例如，踏板，方向盤)的根本原因。

3.4 通信安全

系統組件之間以及組件內部的通信安全，也是系統功能安全的重要內容，一般都采用信息冗余(CRC)，時間監控，問答機制等安全保護機制，主要應用就是AUTOSAR中的E2E保護，利用數據控制信息，保證信息通訊安全。

審核編輯：劉清