工業(yè)環(huán)境中的設(shè)備通常24/7/365全年無休運(yùn)行，因此安全性和可靠性至關(guān)重要。這意味著無論電源是否接通，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉或啟動(dòng)時(shí)，任務(wù)關(guān)鍵型工業(yè)設(shè)計(jì)都必須得到充分保護(hù)。

　　雖然關(guān)于故障安全嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)制已有詳盡的文獻(xiàn)記錄，但工業(yè)領(lǐng)域有新要求，那就是增加功能安全合規(guī)性。功能安全技術(shù)為注重可靠性的工業(yè)設(shè)計(jì)帶來了完全標(biāo)準(zhǔn)化的全新安全保護(hù)層。

　　從自主式機(jī)器人到對生命至關(guān)重要的醫(yī)療設(shè)備再到智能交通，大量工業(yè)設(shè)計(jì)都受到功能安全技術(shù)的影響。具有功能安全性的元器件包括CPU、SRAM和閃存芯片。利用通過安全認(rèn)證的元器件，系統(tǒng)開發(fā)人員可以證明所聲稱的特定安全完整性等級(jí)（SIL）。

　　支持功能安全的MCU

　　功能安全是開發(fā)人員在工業(yè)設(shè)計(jì)中常常要全力解決的一項(xiàng)復(fù)雜而耗時(shí)的任務(wù)。一個(gè)很好的例子是處理機(jī)器人與人交互的系統(tǒng)。若要按照最新的功能安全規(guī)范設(shè)計(jì)系統(tǒng)，不僅需要解讀嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，還要選擇第三方提供軟件支持。

　　在這樣的例子中，雙MCU配置可以在使用診斷軟件的同時(shí)實(shí)現(xiàn)簡單的安全驗(yàn)證。因此，嵌入式設(shè)計(jì)人員將無需開發(fā)MCU專用功能安全軟件。

　　RenesasElectronics的RX系列微控制器就是例證。該系列微控制器與IEC60730功能安全標(biāo)準(zhǔn)兼容，并能在所服務(wù)的工業(yè)設(shè)備中幫助實(shí)現(xiàn)故障安全操作。最重要的是，Renesas最近為其RX系列MCU增加了經(jīng)IEC61508SIL3認(rèn)證的功能安全軟件。這項(xiàng)新的安全特性將為基于該公司RXv2內(nèi)核的所有RenesasMCU提供服務(wù)。

　　該功能安全解決方案帶有SIL3系統(tǒng)軟件套件，后者具有相互診斷功能（以雙MCU結(jié)構(gòu)為前提），并實(shí)現(xiàn)了安全和非安全功能之間的軟件隔離（圖1）。雙結(jié)構(gòu)MCU設(shè)計(jì)圍繞RX71M和RX651微控制器構(gòu)建。

　　圖1：Renesas聲稱，通過在雙MCU架構(gòu)中執(zhí)行相互診斷，獲得世界上第一個(gè)SIL3認(rèn)證。（圖片來源：RenesasElectronics）

　　另一種提供工業(yè)應(yīng)用所需功能安全能力的微控制器是TexasInstruments的HerculesRM57Lx。采用該器件，設(shè)計(jì)人員可以輕松快速地符合IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，并為航空防滑、可編程邏輯控制器（PLC）、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、鐵路信號(hào)等各種工業(yè)應(yīng)用提供多種安全特性。

　　RM57Lx微控制器以HerculesMCU的安全特性為基礎(chǔ)，具有單比特糾錯(cuò)和雙比特錯(cuò)誤檢測功能，且指令和數(shù)據(jù)高速緩存以及精選外設(shè)RAM緩沖器采用糾錯(cuò)碼（ECC）。

　　功能安全的閃存

　　功能安全通常與汽車設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起，但如上面的MCU例子所示，它也與工業(yè)設(shè)計(jì)高度相關(guān)，尤其是24/7/365全年無休運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備。鑒于這一點(diǎn)，對閃存必須認(rèn)真考慮，因?yàn)樗侨蝿?wù)關(guān)鍵型工業(yè)系統(tǒng)中的另一個(gè)關(guān)鍵構(gòu)建塊。它也必須符合適用的功能安全標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)設(shè)計(jì)中，這一要求將閃存推到最前沿，以提供安全存儲(chǔ)以及可靠訪問復(fù)雜的系統(tǒng)代碼和算法。

　　有些閃存架構(gòu)具有多個(gè)分區(qū)，這些分區(qū)經(jīng)過獨(dú)立優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)高耐久性和長期數(shù)據(jù)保留。高耐久性和數(shù)據(jù)保留能力對于保護(hù)工業(yè)設(shè)計(jì)免受系統(tǒng)故障影響至關(guān)重要。

　　例如，CypressSemiconductor的Semper?NOR閃存是圍繞該公司的EnduraFlex架構(gòu)而構(gòu)建（圖2）。在-40°C至+125°C的極端溫度下，其耐久性超過一百萬次編程/擦除周期，數(shù)據(jù)保留期限至少為25年。針對頻繁的數(shù)據(jù)寫入，EnduraFlex架構(gòu)提供了一個(gè)可以配置的分區(qū)，其512Mb密度部分可提供多達(dá)128萬次編程-擦除周期，1Gb部分可提供多達(dá)256萬次編程-擦除周期。

　　圖2：SemperNOR閃存架構(gòu)框圖重點(diǎn)顯示了嵌入式功能安全性和可靠性構(gòu)建塊。（圖片來源：CypressSemiconductor）

　　SemperNOR閃存提供安全啟動(dòng)（SafeBoot）和糾錯(cuò)特性，以確保工業(yè)運(yùn)行安全可靠。此外，它能在存儲(chǔ)器陣列編程期間生成嵌入式ECC，從而也支持單ECC和雙ECC。請注意，MCU供應(yīng)商NXPSemiconductors就在其工業(yè)MCU產(chǎn)品中運(yùn)用了SemperNOR閃存。

　　功能安全工具集

　　這是難題的最后一部分——安全關(guān)鍵型工業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備的工具集?，F(xiàn)在，服務(wù)于工業(yè)嵌入式系統(tǒng)的工具集正趕上功能安全的潮流。

　　具有功能安全要求的嵌入式系統(tǒng)的數(shù)量正在穩(wěn)步增長，與此同時(shí)，對安全分析工具的需求也在增長。這類工具能夠在功能安全認(rèn)證的元器件上運(yùn)行并分析常見故障等問題。

　　諸如故障模式影響和診斷分析（FMEDA）之類的定量分析技術(shù)，可幫助確定元器件（例如MCU的安全集成）的有效性。然后，還有診斷軟件工具，可填補(bǔ)硬件安全措施與已明確的安全要求之間的空白。

　　例如，Renesas一直使用IARSystems的認(rèn)證工具套件來開發(fā)嵌入式應(yīng)用的診斷軟件。如圖3所示，用于RXMCU的IAREmbeddedWorkbench包含一個(gè)高性能編譯器和調(diào)試器，其已整合到易于使用的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）中。

　　圖3：此圖顯示IAREmbeddedWorkbench如何促進(jìn)RenesasRX微控制器的安全相關(guān)軟件開發(fā)。（圖片來源：IARSystemsSoftware）

　　為了提高工業(yè)設(shè)計(jì)的可靠性，用來驗(yàn)證安全關(guān)鍵型系統(tǒng)的工具集可以僅聚焦于相關(guān)的安全方面。工具集通常帶有豐富的圖形內(nèi)容以及警告指示符和文字。

　　最重要的是，安全性設(shè)計(jì)必須“軟硬兼施”。幸運(yùn)的是，這兩個(gè)部分現(xiàn)在都可供開發(fā)人員使用。