- 功能安全FFI概述
- 1 功能安全定义
功能安全是指在产品或系统设计中，确保其在发生故障或异常情况下仍能保持安全性的能力。这种安全能力通过特定的设计和措施实现，以降低由系统故障引起的风险。功能安全的概念广泛应用于多个领域，包括但不限于汽车、航空、医疗设备和工业自动化等。 - 2 FFI原则
FFI（Functional Safety Fieldbus Interface）是一种实现功能安全的通信接口。它遵循以下关键原则：
故障检测与诊断：FFI具备监测通信接口故障的能力，并通过内置诊断功能进行故障识别和定位，以及时发现并采取措施。
安全通信协议：采用特殊的通信协议，包括错误检测和纠正机制，以及数据加密和认证，确保数据传输的安全性和完整性。
可靠性和容错性设计：FFI在设计上考虑系统的可靠性和容错性，采用冗余设计提高系统的可靠性。在组件故障时，其他组件能够继续工作，保证系统运行。
安全监控和控制：FFI能够实时监测通信接口状态，并根据需要采取控制措施，如自动切换到备用通道，以确保系统的安全性和可用性。
故障恢复与重启：FFI能够在故障发生后进行故障恢复和重启操作，快速恢复系统功能。 - 功能安全标准ISO 26262
- 1 标准发展历程
功能安全标准ISO 26262的发展历程始于对电子电气系统在汽车行业中应用安全性的关注。最初，该标准在2011年首次发布，继承自更通用的IEC 61508标准，并专门针对汽车行业的特定需求进行定制。ISO 26262标准的制定是为了确保汽车中的电气和电子（E/E）系统的安全性能，避免因系统故障导致的不合理风险。
初始发布：2011年，ISO 26262首次发布，包括了10个部分，覆盖了从概念阶段到产品报废的整个生命周期。
更新与扩展：2018年，ISO 26262进行了更新，更名了Part 7，并增加了Part 11和Part 12，分别针对半导体制造商的应用指南和摩托车的适应性。
国际认可与应用：该标准已被全球汽车行业广泛认可和采纳，成为汽车功能安全开发的重要指导性文件。 - 2 主要内容与要求
ISO 26262标准详细规定了汽车电子电气系统在开发过程中应遵循的安全要求，以确保整个车辆生命周期内的安全性能。
安全生命周期：标准定义了从概念、设计、实施、验证、生产到操作的各个阶段的安全活动。
危害分析和风险评估（HARA）：在概念阶段进行，以识别潜在的危害和风险，并据此确定汽车安全完整性等级（ASIL）。
功能安全要求：基于HARA，为系统定义功能安全要求，并分配到相应的技术或安全机制。
系统设计：要求系统设计满足功能安全要求，包括冗余和故障检测机制。
硬件和软件开发：硬件和软件的开发流程必须遵循严格的安全要求，包括安全相关的硬件架构和软件单元。
生产和操作：确保生产过程的质量控制，并在产品操作阶段进行必要的安全监控和维护。
ASIL等级：根据风险的严重程度，将安全要求分为QM至ASIL D不同的等级，每个等级对应不同的安全措施和验证活动。
安全案例：开发过程中需要构建安全案例，以证明系统满足所有功能安全要求。
审核和评估：定期进行功能安全审核和评估，确保安全活动的适宜性和有效性。
ISO 26262标准是汽车行业功能安全领域的基石，它通过提供一套全面的安全开发框架，帮助制造商和供应商降低产品安全风险，提高汽车产品的安全性和可靠性。 - 功能安全开发流程
- 1 概念阶段
在功能安全开发的概念阶段，主要任务是确立安全目标和定义相关项。这个阶段是整个功能安全开发流程的基础，其目的是确保对潜在的危害有清晰的认识，并据此制定相应的安全措施。
危害分析与风险评估（HARA）：通过系统性的方法，如FMEA（失效模式与影响分析）和HAZOP（危害和可操作性分析），识别电子电气系统可能引起的所有危害，并评估这些危害的风险级别。
安全目标的确定：基于HARA的结果，为每个危害事件确定安全目标，这些目标将指导后续的设计和开发工作，确保产品在面对潜在危害时能够保持安全。
功能安全概念：根据安全目标，开发功能安全概念，这通常包括冗余设计、故障检测机制和故障响应策略等。 - 2 系统开发阶段
系统开发阶段侧重于将概念阶段的安全目标转化为具体的系统设计要求，并进行系统架构的设计。
技术安全要求的制定：将功能安全要求细化为技术安全要求，这些要求将直接影响系统设计，如传感器的冗余配置、处理器的故障检测能力等。
系统架构设计：设计系统的架构以满足技术安全要求，包括硬件的布局、通信协议的选择、电源管理等。
安全分析方法的应用：使用FMEA和FTA（故障树分析）等方法，对系统设计进行安全性分析，确保设计能够抵御潜在的系统性失效和随机硬件失效。 - 3 硬件与软件开发阶段
硬件与软件开发阶段是将系统设计具体化为硬件电路设计和软件代码实现，并进行相应的验证和测试。
硬件层面的安全设计：根据技术安全要求，进行硬件的安全设计，包括选择合适的元件、电路的冗余设计、故障检测电路的集成等。
软件层面的安全设计：软件设计需遵循安全编码标准，实现安全机制，如错误检测、状态监控、故障响应等。
验证与测试：开发完成后，进行严格的验证与测试，包括单元测试、集成测试和系统测试，确保硬件和软件均满足功能安全的要求。
安全措施的有效性验证：通过测试和分析，验证所采取的安全措施是否有效，是否能够降低风险至可接受的水平。这包括对SPFM（单点故障度量）、LFM（潜伏故障度量）和PMHF（随机硬件失效概率度量）的评估。 - 硬件度量指标计算实践
- 1 单点故障度量SPFM
单点故障度量（Single Point Fault Metric, SPFM）是衡量系统对单点故障容忍度的指标。在功能安全标准ISO 26262中，SPFM的计算对于确保系统的安全性至关重要。
定义与重要性
SPFM定义为在系统运行期间，由于单点故障导致违反安全目标的概率。它直接关系到系统的可靠性和安全性。
计算方法
SPFM的计算通常基于以下公式：
\text{SPFM} = 1 - \left(\frac{\lambda_{\text{SPF}}}{\lambda_{\text{total}}}\right)
其中，\lambda_{\text{SPF}} 是单点故障的失效率，而 \lambda_{\text{total}} 是系统总的失效率。
影响因素
影响SPFM的因素包括硬件设计的冗余度、诊断机制的有效性以及系统的安全架构。
行业实践
在汽车行业中，例如，为了达到更高的安全完整性等级（ASIL），系统设计者会采用多重冗余和高级诊断策略来降低SPFM。
4.2 潜伏故障度量LFM
潜伏故障度量（Latent Fault Metric, LFM）是指在单点故障被系统诊断机制发现之前，该故障未被处理而可能导致违反安全目标的概率。
定义与重要性
LFM关注的是那些未被立即检测到的故障，它们可能在系统内部潜伏，增加了安全风险。
计算方法
LFM的计算公式为：
\text{LFM} = 1 - \left(\frac{\lambda_{\text{LF}}}{\lambda_{\text{total}} - \lambda_{\text{SPF}}}\right)
其中，\lambda_{\text{LF}} 是潜伏故障的失效率。
影响因素
LFM受系统诊断覆盖率、故障检测时间以及故障处理策略的影响。
行业实践
在航空电子系统中，通过增加定期的自我检测和冗余设计来降低LFM，确保系统的高安全性。
4.3 随机硬件失效概率度量PMHF
随机硬件失效概率度量（Probabilistic Metric for Hardware Failures, PMHF）是评估随机硬件失效导致安全目标违反的概率。
定义与重要性
PMHF是衡量系统在随机硬件失效情况下，安全目标被违反的可能性，对于评估系统的随机硬件风险至关重要。
计算方法
PMHF的计算较为复杂，需要考虑多点故障和潜伏故障的概率，计算公式如下：
\text{PMHF} = \lambda_{\text{SPF}} + \lambda_{\text{RF}} + \lambda_{\text{MPF,DP}} \times \lambda_{\text{MPF,L}} \times T_{\text{lifetime}}
其中，\lambda_{\text{RF}} 是残余故障失效率，\lambda_{\text{MPF,DP}} 和 \lambda_{\text{MPF,L}} 分别是可探测和潜伏的多点故障失效率，T_{\text{lifetime}} 是系统的预期寿命。
影响因素
PMHF受系统设计、多点故障的诊断能力、系统使用环境和预期寿命的影响。
行业实践
在核电站控制系统中，通过采用高可靠性的硬件组件和增强的故障检测机制来降低PMHF，确保长期的系统安全运行。
5. AUTOSAR与功能安全
5.1 AUTOSAR内存分区机制
AUTOSAR内存分区机制是一种关键的功能安全特性，旨在通过操作系统将不同的软件组件（SWC）隔离在独立的内存区域，以防止潜在的干扰和数据损坏。这种机制基于硬件支持的内存保护单元（MPU）或内存管理单元（MMU）实现。
独立内存区域：每个OS-Application被分配到独立的内存区域，确保了组件之间的隔离性。
硬件支持：内存分区依赖于微控制器中的MPU或MMU，这些硬件单元可以配置多个内存访问权限，如只读、读写等。
错误检测与响应：当发生内存访问违规时，硬件将触发异常，操作系统将采取措施，如关闭或重启受影响的分区，以维护系统的安全性。
性能考量：内存分区可能会增加上下文切换的开销，从而对系统性能产生一定影响。
5.2 通信与代码共享
在AUTOSAR架构中，通信与代码共享是实现软件组件之间互操作性的重要机制，同时也需要考虑到功能安全的要求。
RTE通信：AUTOSAR运行时环境（RTE）提供了组件间通信的框架，确保了不同SWC之间的交互在受控的环境下进行。
通信保护：为了防止通信故障，如信息丢失或延迟，AUTOSAR实施了端到端（E2E）保护机制，包括CRC校验、序列号、超时检测等。
代码共享限制：为了防止潜在的代码冲突和数据不一致，AUTOSAR规定代码共享只能在同一个SWC内部进行，不同SWC之间的通信必须通过RTE。
功能安全集成：在设计通信协议和代码共享策略时，需要遵循ISO26262等标准的功能安全要求，确保系统的安全性和可靠性。
通过这些机制，AUTOSAR为汽车电子系统的开发提供了一套完整的功能安全支持方案，帮助开发者构建符合安全标准的复杂嵌入式系统。
6. 功能安全案例分析
6.1 危害分析与风险评估(HARA)
危害分析与风险评估（HARA）是功能安全开发流程的起点，其目的是识别潜在的危害并评估它们的风险级别。以下是HARA流程的关键步骤和考虑因素：
危害识别：首先，需要识别与系统或产品相关的所有潜在危害。例如，在汽车行业中，这可能涉及识别自动驾驶系统可能对乘客、行人或其他车辆构成的风险。
风险估计：对每个识别出的危害进行风险估计，考虑其严重性（Severity）、暴露频率（Exposure）和可控性（Controllability）。这些因素共同决定了风险的优先级。
风险评价：根据风险估计的结果，为每个危害分配一个安全完整性等级（ASIL），从QM（无安全要求）到ASIL D（最高等级）。例如，如果一个危害的严重性是高（S3），暴露频率是高（E4），可控性是低（C3），则可能被评为ASIL D。
风险控制：一旦确定了风险等级，就需要制定措施来降低风险到可接受的水平。这可能包括设计变更、增加冗余系统或实施新的安全机制。
6.2 功能安全概念与产品开发
在功能安全概念和产品开发阶段，重点是将HARA阶段的发现转化为具体的技术要求，并开发出满足这些要求的产品：
功能安全概念：基于HARA结果，开发功能安全概念（FSC），这包括定义系统应如何设计以满足安全目标。例
