人工智能（AI）和機器學習（ML）技術(shù)在自主性日益增強的系統(tǒng)中的應用越來越普遍，這將提高各行各業(yè)對更智能的安全系統(tǒng)的要求。關(guān)注重點已經(jīng)從節(jié)約成本轉(zhuǎn)向給用戶帶來便利性和安全性,。這需要一個完整的功能安全（FuSa）層,，其中包括安全協(xié)處理器與可信的輸入/輸出控制器，兩者協(xié)同工作來保護系統(tǒng),。單片機（MCU）為實現(xiàn)這些安全協(xié)處理器提供了低成本的解決方案,，是當今新一代自主系統(tǒng)的核心。

　　自主安全功能和規(guī)范

　　安全協(xié)處理器可以執(zhí)行部署的ML模型,，這種模型用于接收視頻,、音頻、環(huán)境和操作員數(shù)據(jù)等外部數(shù)據(jù)流,，而在某些情況下,，也可以同時接收所有這些數(shù)據(jù)流。這些數(shù)據(jù)流必須具有固有的可信度,。

　　同樣重要的是,，安全協(xié)處理器必須信任它們?yōu)殡姍C、繼電器,、指示器和其他執(zhí)行器產(chǎn)生的輸出狀態(tài)的真實再現(xiàn),。如果發(fā)生故障，主處理器也應該能夠依靠這些輸入/輸出（邊帶）控制器快速做出明智的決策。

　　使用MCU作為安全協(xié)處理器

　　在全面的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的支持下,，8位和32位MCU主要用于四大功能安全領域,，業(yè)內(nèi)為此制定了下列工業(yè)標準規(guī)范：

　　·ISO 26262：汽車安全完整性等級（ASIL），適用于汽車應用

　　·IEC 61508：安全完整性等級（SIL）,，適用于工業(yè)應用

　　·IEC 60730：家用電器功能安全標準

　　·IEC 60730：醫(yī)療設備功能安全標準

　　圖1. 工業(yè)機器人正在焊接大型重物

　　開發(fā)工具生態(tài)系統(tǒng)有兩個重要的后端要求,。第一個要求是在開發(fā)過程中以及在編譯成機器碼過程中采用穩(wěn)健的編碼。使用功能安全編譯器可滿足此要求,，這些編譯器通過TüV SüD（一家國際認可的測試機構(gòu)）等組織獲得ISO或IEC功能安全標準認證,。第二個后端功能是詳細分析在一個典型的測試周期中，哪些代碼被執(zhí)行,，哪些代碼被遺漏,。這需要一個代碼覆蓋率分析插件。

　　自主安全功能的工作原理

　　與外界的主要交互是通過硬件層實現(xiàn)的,，首先需要支持FuSa的MCU（位于邊緣）提供的直接傳感器和執(zhí)行器接口,。請參見下面的圖2。

　　圖2. 8位單片機的自主安全功能

　　主要功能包括：

　　欠壓檢測（BOD）

　　擁有理想電源的工作環(huán)境十分少見,。微波爐和激光打印機會導致燈光閃爍,，大型電動工具會觸發(fā)斷路器。自主系統(tǒng)必須提前預知其電源要發(fā)生故障,，從而可以啟用備用電源,，或者設置關(guān)鍵數(shù)據(jù)和輸出狀態(tài)以確保干凈的掉電。

　　這些MCU中的BOD電路可以持續(xù)監(jiān)視電源電壓,，并以兩種特定方式對下降的電壓作出反應,。首先，當電壓超過某個可選閾值時,，電壓監(jiān)視（VLM）功能將觸發(fā)中斷,，從而在超過實際BOD電壓閾值之前立即執(zhí)行緊急關(guān)斷任務。超過BOD電壓后,，設備將保持在復位狀態(tài),，直到消除此條件。同時,，也可以確定復位事件的原因,，以確保采取適當?shù)幕謴筒呗裕@可能與第一次的上電周期不同,。

　　窗口化看門狗定時器

　　現(xiàn)代MCU使用看門狗定時器作為故障恢復機制,，旨在終止無限循環(huán)（又稱“自旋鎖”）條件，這種條件除了采取嚴厲的措施外沒有任何解決方法,。早期版本設置了以秒或毫秒為單位的超時閾值,，然后需要在達到此閾值之前對運行代碼進行某種類型的“刺激”,。確認后，超時閾值重置,，倒計時重新開始,。懶惰的程序員使用周期性中斷服務程序來更新定時器，但是即使系統(tǒng)的其他部分卡在某個無限循環(huán)中,，這些程序仍會自行繼續(xù)執(zhí)行,，不會通過系統(tǒng)復位來解決這種情況。

　　窗口看門狗定時器通過允許指定看門狗服務窗口解決了部分問題,。這樣一來,，看門狗定時器的服務速度不能太慢，也不能太快,。這使得依賴已知執(zhí)行時間短于最大閾值的代碼變得更加困難。

　　循環(huán)冗余校驗（CRC）代碼掃描

　　CRC代碼掃描外設可確保已編程代碼映像的完整性,。它比單純的校驗和更加強大,，因為校驗和很容易被數(shù)學操作欺騙?？蓪⑻囟ǖ腗CU硬件模塊配置為在程序存儲器的自舉程序部分,、應用程序部分或整個閃存陣列上運行掃描。然后,，外設會將其CRC結(jié)果與附加在指定代碼空間末尾的正確校驗和進行比較,。如果這兩個16位數(shù)字匹配，則證明代碼空間未遭到修改,?？蓪⑵ヅ涫∨渲脼楫a(chǎn)生不可屏蔽中斷，以進一步處理該問題,。

　　實際輸入路徑通用輸入/輸出（GPIO）外設

　　在早期的MCU中,，如果將GPIO引腳配置為輸出，驗證引腳電壓（即5V）與控制位值（即1）相匹配的惟一方法是使用配置為輸入的單獨GPIO引腳來讀取電壓,。配置為輸出的GPIO引腳不能回讀實際電壓,，而只能回讀寫入的值；因此,，“輸入”值始終保持一致,。

　　實際輸入路徑GPIO單元可以提供到離散的內(nèi)部輸入寄存器的獨立電氣路徑，從而反映引腳上設置的實際電平,。雖然該電平只能以邏輯1或邏輯0的方式讀取,，但它仍可提供足夠的反饋來驗證寫入輸出控制寄存器的內(nèi)容。這兩個值應始終保持一致,。如果兩者之間存在差異,，則表明該特定GPIO引腳上存在短路或開路情況,，需要適當?shù)奶幚怼?/p>

　　具有這些功能的MCU可為完整的FuSa層奠定基礎。隨著基于AI/ML的自動化將關(guān)注重點從系統(tǒng)生產(chǎn)和維護成本節(jié)約轉(zhuǎn)向用戶體驗的安全性和便利性,，F(xiàn)uSa層的重要性將不斷提高,。

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