集成不同安全等级的软件组件到一个ECU

新近建立的汽车标准ISO 26262定义了开发安全相关的ECU软件的过程。对于各个的软件组件来说，都需要具有高等级的内在安全性，来确保得到的系统级的安全目标能符合标准。这对于出错的情况下，防止发生潜在的危险情况，也是必要的。

在开发与安全相关的ECU时，主要焦点的是新的定制功能的安全性。另一个也必须克服的挑战是：旧的需要沿用的“经过检验而可靠的”功能，必须合并到“服务功能”（如诊断或引导程序）和关键核心组件，同时必须符合ISO 26262的所有功能安全要求。这需要评估新的和现有功能的潜在风险，并按照该标准进行实现。对潜在风险将被按汽车安全完整性等级（ASIL：Automotive Safety Integrity Level）来进行分类。

当各种安全等级被分配到车辆功能时，就得到了从QM（“Quality Managed”，无安全相关性）到ASIL D（最大安全相关性）的广泛分布。被集成的具有不同安全相关等级的功能，按该标准要求，必须保证“免受干扰（freedom from interference）”[1]。沿用的基于QM过程开发的部件和软件，不得干扰安全相关功能。因此，将不同的ASIL等级的功能与进行结合，可能需要成本高昂的开发，原因是经过验证的功能需要修改。在考虑到开发周期的狭窄时间窗口和许多子组件的紧密相互作用，就会发现，这往往是不可能实现的。

为了达成对该标准的需求的精简实现，比较理想的是，模块化的软件平台；它必须允许不同生产商和不同的安全等级（从QM到ASIL D）的软件功能集成到单个ECU上。下面将介绍这样的实现。对于客户来说，该平台能够以未经修改的形式，重新使用经过验证的非安全相关软件，同时保持最高级别的安全要求。

将来自不同制造商和混合的ASIL等级的软件功能集成到单个ECU上

ISO 26262对于混合的关键系统部件的集成，其核心需求是安全相关软件不得受到影响或干扰。“免受干扰”的概念由三个子要求组成：

接下来描述的一种策略，允许在一个ECU上共存安全相关和非安全相关的软件模块，例如安全相关的逆变器监控单元和非安全相关的诊断模块。这个策略的独立响应确保了满足上述的三个要求。

标准不一定要求现存的软件（例如AUTOSAR基础软件）必须重新开发以保证“免受干扰”，只要安全相关软件没有受到负面影响或干扰就可以。尽管如此，为了整个系统的安全，必须始终保证不受所有软件组件之间的干扰（达到ASIL D级）的限制。

通过使用针对内存访问、程序流程和通信区域的独立的安全模块，对软件组件进行附加保护，如图1所示。以下列出了各个安全模块的功能，根据ISO 26262的需求，这些模块用于实现按ASIL D等级整个系统的验证——包含重用现有的基础软件组件。德国质量专家TÜV已经预先认证这个解决方案到ISO 26262。

 

图1：MICROSARE安全

针对内存违规的防护

针对未经授权访问安全相关软件组件的内存区域的防护，是由支持内存保护机制的操作系统来保证，这里是指可扩展性等级3或4（AUTOSAR OS SC3 / SC4）的MICROSAR操作系统。在这种情况下，内存保护单元（MPU：Memory Protection Unit）实现了内存保护机制; 该解决方案假定使用合适的微处理器。

MICROSAR操作系统中，这个部分的软件被称为安全上下文（SafeContext），控制了软件组件在任务切换和中断的期间的隔离。防止了一个软件组件在未经许可的情况下，写入另一个软件组件的内存。安全上下文被开发为ASIL D等级，因此被授权在运行期间，重新配置受MPU保护的各种任务和中断的内存范围。这种安排也保证了在保存和恢复上下文数据（包括MPU配置）方面，与ASIL D的一致性。

AUTOSAR中定义的操作系统应用程序（OS Application）的概念，被用于配置操作系统。这涉及对操作系统对象（如任务和中断）进行逻辑分组，并将其对应到MPU配置中。根据QM过程开发的基础软件模块被合并到一个单独的操作系统应用程序中，并与ASIL等级的软件隔离。这也避免了ASIL软件的内存被基础软件改写。

针对运行时干扰的防护

安全看门狗管理器（SWdgM：Safe Watchdog Manager）是负责时序和程序流程监控的安全机制（图2）。安全相关的功能被监控，以确保功能是按正确的顺序流程执行。在所有相关的软件组件中的检查点（Checkpoints）定期向安全看门狗管理器报告程序流程。这使得对所有类型的运行时干扰，都可以可靠的检测到。如果一个应用程序、中断或功能没有被及时激活，安全看门狗管理器会检测到这一点，并启动错误处理。程序流是否随着时间的推移，按正确顺序执行也被监视着。安全看门狗管理器也使用独立的硬件看门狗，作为最后的手段，可以在发生错误时将ECU重置为安全状态。如果安全看门狗管理器自身没有被正确激活，那么将不会对独立的安全看门狗进行喂狗，并且在这种情况下也会可靠的启动错误处理。

图2：MICROSAR安全看门狗管理器

针对输入/输出数据的损坏的防护

E2E库（E2ELib：End-To-End Library）保护着发送和接收方向上的安全相关的通信（图3）。在这里，数据通过校验和进行保护，可以检测到任何对数据内容的损坏。使用消息计数器可以检测不正确的消息序列，消息失败或不希望的重复。

图3：SafeCOM架构

总结

这里介绍的所有三个安全模块在功能上相互补充，并且一起实现了“免受干扰”。它们满足ISO26262的最高要求，也可用于ASIL D的ECU。当它们被集成到MICROSAR（Vector的AUTOSAR解决方案）中时，单从这点来看，也可以表明基础软件经过验证。

这个开发工作通过为使用不同级别的安全相关的软件组件提供“免受干扰”，能够避免在没有必要的情况下，必须将软件提高到更高的ASIL等级。这带来大量的成本优化。集成或链接符合ISO 26262 ASIL D标准开发的预认证的安全模块，创建了一个符合最高ASIL要求的整体软件平台。安全模块可以与软件应用程序和根据QM标准开发的AUTOSAR基础软件组件集成在一起。集成可以保证“免受干扰”的ASIL D安全模块，使不同安全相关等级的软件模块可以共存。这可以在开发与安全相关的模块方面节省大量成本。这也缩短了开发周期。

[1] ISO/DIS 26262: Road vehicles – Functional safety, Part 1-10.
International Organization for Standardization, 2009.
http://www.iso.org/

本文是对在德国发行的“HANSER automotive, 3-4/ 2012”里面刊登的文章内容的英文翻译。

图像提供方：TTTech Automotive和Vector Informatik GmbH

作者：

Matthias Krause 自然科学博士

在Vector的嵌入式软件产品管理方面工作，负责与安全相关的AUTOSAR基础软件的概念和实施。

Carsten Weich 工商管理硕士
TTTech的汽车软件开发负责人。他曾担任奥迪系列产品开发项目的负责人，以及根据IEC 61508和ISO 26262的安全相关项目。

文章来源 公众号  IoVSecurity