【導讀】隨著越來越多的工業(yè)應用對產品的可靠性和安全性要求越來越高,我們在做產品設計的時候不僅要正確的實現(xiàn)產品功能,同時也需要通過一些功能安全認證,比如家電行業(yè)的IEC60730等或者ISO13849等。一般的系統(tǒng)故障可以通過設計的迭代和嚴格測試來避免,但是硬件的隨機失效理論上是無法完全消除的,所以要想提高硬件隨機失效的診斷覆蓋率,就需要軟硬件診斷機制來保障。
作為系統(tǒng)的核心控制部分,MCU主平臺的診斷機制就是最關鍵的部分。針對一般通用的MCU,以Piccolo C2000系列為例,硬件上提供了一些診斷或者校驗機制,如下所示:
同時TI也提供了一些軟件診斷方案,如MSP430 IEC60730 Software Package和C2000 SafeTI 60730 SW Packages軟件庫等,可以提供很多的診斷測試功能,例如CPU、時鐘、外設、RAM等的診斷,已經可以滿足一部分的需求。如下圖所示為C2000 SafeTI 60730 SW Packages中的功能和資源消耗。
然而在實際的應用中,有些安全標準要求對RAM進行周期性的在線診斷,同時不能影響程序的正常運行。但是程序在運行過程中存儲在RAM中的數(shù)據(jù)會實時的變化,而RAM的診斷往往會破壞這些存儲的數(shù)據(jù),比如電機控制類的實時性要求較高的場合。所以在沒有ECC的情況下,如何對RAM進行實時在線的診斷是一個值得討論的問題。
下面以電機控制為例,討論硬件校驗的實現(xiàn),尤其是RAM在線檢測的過程。
1. 系統(tǒng)軟件流程
非破壞性的診斷可以放在背景循環(huán)里面進行,這些軟件診斷不會對實時性中斷造成影響,例如看門狗測試,內部晶振測試,F(xiàn)LASH CRC校驗,靜態(tài)變量RAM CRC校驗,堆棧溢出判斷,以及GPIO口診斷等。另外一些破壞性的或者對實時控制有影響的診斷,可以放到主中斷中進行,如RAM March校驗,ALU診斷以及CPU寄存器診斷等。具體流程圖如下所示:
2. RAM診斷的方法
以C2000 SafeTI 60730 SW Packages為例,主要提供了兩種RAM檢測方式。
一種是CRC檢測STL_CRC_TEST_testRam,此功能用于測試RAM的位錯誤。該測試以0和1的交替模式填充被測RAM區(qū)域,并使用PSA計算RAM的CRC。對于給定的RAM存儲器區(qū)域,如果RAM存儲器中沒有任何stuck bit,則CRC值應始終相同。并行串行分析器(PSA)是c28x器件中的一個模塊,可用于生成40位給定存儲區(qū)域上的CRC。 PSA多項式為Y = x40 + x21 + x19 + x2 + 1。PSA通過監(jiān)視數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)總線(DRDB)來計算CRC值。 一旦激活就會監(jiān)控Data Read Data Bus (DRDB),當CPU通過DRDB讀取數(shù)據(jù)時,PSA每個時鐘周期會為DRDB上的數(shù)據(jù)生成一個CRC。由于此測試具有破壞性,因此需要將要測試的RAM內容保存到單獨的RAM位置。
當然也可以使用軟件CRC的方式,使用起來更靈活,并且可以選擇非破壞性的方式來計算CRC,對一些靜態(tài)常量存儲的區(qū)域可以考慮這種CRC方式。另外一點是軟件CRC算法可以更方便的進行代碼評估,以滿足不同安全標準的要求。
另一種是MARCH檢測STL_MARCH_TEST_testRam,此功能直接對RAM進行32bit的讀寫測試,可以選擇進行MarchC 13N或者MarchC-測試。由于此測試具有破壞性,因此也需要將要測試的RAM內容保存到單獨的RAM位置。
3. RAM在線檢測的實現(xiàn)
由于需要周期性的RAM檢測,以電機控制為例,可以將RAM檢測放到主中斷里面執(zhí)行。同時關鍵是不能影響控制程序的運行和實時性,所以主要考慮兩點:
第一是主中斷時間有限,要盡可能減小RAM檢測的時間,所以可以將RAM分成多個小段進行檢測,每段RAM越小,占用中斷的時間越小,但是所有RAM檢測一遍的時間會變長,這個需要綜合考慮。
第二是不能破壞RAM中的變量值,所以在檢測是之前將RAM段中的內容保存到專門區(qū)域,戴檢測完成并且通過之后,再將保存好的數(shù)據(jù)恢復過來,使用memCopy來提高效率。
具體實現(xiàn)方法如下:
首先定義好各個RAM區(qū)間的地址范圍,可以參考具體的數(shù)據(jù)手冊,如下所示:
然后定義好檢測的范圍和每次檢測的數(shù)據(jù)長度:
注意由于STL_MARCH_TEST_testRam函數(shù)執(zhí)行32位讀/寫測試,而在測試RAM單元陣列時,由于RAM單元的16位體系結構,所以要求起始地址為偶數(shù),結束地址為奇數(shù),可以測試的最大內存范圍限制為65535個32位字。所以要求測試長度也需要為奇數(shù)。
在主中斷里面的RAM在線檢測函數(shù)里,首先將要檢測區(qū)域的RAM值保存下來:
if ((gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart >= MARCH_RAM_START)
&& (gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart <= (MARCH_RAM_END-RAM_CHK_NUM)))
{
gStructSTLMonitor.NowRamAddrEnd = gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart + RAM_CHK_NUM;
memCopy((uint16_t *)gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart,(uint16_t *)
gStructSTLMonitor.NowRamAddrEnd,(uint16_t *)MARCH_RAM_BK);
}
然后進行檢測:
gStructSTLMonitor.status = STL_MARCH_TEST_testRam((uint32_t *)
gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart,(uint32_t *)gStructSTLMonitor.NowRamAddrEnd);
if(gStructSTLMonitor.status != SIG_RAM_MARCH_TEST)
{
STL_SetFail();
}
else
{
memCopy((uint16_t *)MARCH_RAM_BK,(uint16_t *)(MARCH_RAM_BK + RAM_CHK_NUM),
(uint16_t *)gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart);
gStructSTLMonitor.NowRamAddrStart = gStructSTLMonitor.NowRamAddrEnd + 1;
gStructSTLMonitor.gTestStep++;
}
注意檢測成功之后馬上恢復當前區(qū)域的RAM值,并為下一次檢測做好準備。如果檢測發(fā)現(xiàn)故障,則進入故障處理函數(shù)。
參考文檔:
1. IEC60730 Safety Library for TMS320F2806x USER’S GUIDE
2. Safety Manual for C2000™ MCUs in IEC60730 Safety Applications (SPRUHI3A)
推薦閱讀: