探究鎖步技術(shù)如何重新定義汽車與嵌入式系統(tǒng)的可靠性及安全性標(biāo)準(zhǔn)，以及它為何正成為下一代微控制器設(shè)計(jì)的核心支柱。

本文要點(diǎn)

• 理解鎖步架構(gòu)如何提升安全關(guān)鍵型微控制器系統(tǒng)的故障檢測(cè)能力、冗余性與實(shí)時(shí)可靠性。

• 探究鎖步處理器在汽車、航空航天及工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括其在滿足 ISO 26262 及 ASIL-D 安全標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)揮的作用。

在日新月異的微控制器（MCU）技術(shù)領(lǐng)域，保障穩(wěn)定可靠、性能強(qiáng)勁的運(yùn)行至關(guān)重要，尤其對(duì)于汽車系統(tǒng)這類關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景。在這一方向上，鎖步架構(gòu)已成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，能夠同步提升微控制器的性能與可靠性。

鎖步架構(gòu)在安全關(guān)鍵型系統(tǒng)中不可或缺 —— 這類系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，可能引發(fā)嚴(yán)重后果。鎖步處理器通過并行運(yùn)行兩套冗余系統(tǒng)并比對(duì)輸出結(jié)果，可快速檢測(cè)并響應(yīng)故障，助力保障系統(tǒng)運(yùn)行完整性與安全性。這也讓鎖步架構(gòu)在汽車、航空航天、工業(yè)控制系統(tǒng)等高可靠性需求領(lǐng)域成為必備技術(shù)。

本文將解析鎖步架構(gòu)的基本原理，及其在強(qiáng)化微控制器性能方面的重要意義，同時(shí)探討鎖步技術(shù)在硬件芯片領(lǐng)域的廣泛影響與應(yīng)用，重點(diǎn)聚焦汽車行業(yè)。

什么是鎖步架構(gòu)？

鎖步架構(gòu)是一種微控制器 / 處理器設(shè)計(jì)方法，該架構(gòu)中兩個(gè)或多個(gè)冗余內(nèi)核會(huì)同步執(zhí)行完全相同的指令。這種同步執(zhí)行機(jī)制使系統(tǒng)能夠通過比對(duì)冗余內(nèi)核的輸出結(jié)果，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正。若檢測(cè)到輸出不一致，即表明某一內(nèi)核出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)隨即啟動(dòng)糾錯(cuò)措施，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。

鎖步架構(gòu)在安全性與可靠性為核心要求的應(yīng)用場(chǎng)景中至關(guān)重要。即便單個(gè)內(nèi)核因瞬時(shí)故障或硬件損壞失效、輸出錯(cuò)誤結(jié)果，另一內(nèi)核仍可提供正確信號(hào)，為系統(tǒng)增添一層容錯(cuò)保障。因此，鎖步架構(gòu)成為高功能安全等級(jí)系統(tǒng)的首選方案。

鎖步架構(gòu)的核心優(yōu)勢(shì)，是能夠在不影響系統(tǒng)性能的前提下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)錯(cuò)誤檢測(cè)。與傳統(tǒng)錯(cuò)誤檢測(cè)方法需要額外的校驗(yàn)糾錯(cuò)周期不同，鎖步架構(gòu)可在主運(yùn)算執(zhí)行的同時(shí)完成故障檢測(cè)，這種并行處理方式在維持系統(tǒng)高性能的同時(shí)，保障了運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性。

面向安全關(guān)鍵型系統(tǒng)的鎖步處理器

鎖步架構(gòu)可顯著提升汽車等安全關(guān)鍵型場(chǎng)景所用微控制器的安全性與可靠性。該架構(gòu)采用雙核或多核并行設(shè)計(jì)，所有內(nèi)核同步執(zhí)行完全一致的指令（見圖 1）。這種冗余設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)即時(shí)故障檢測(cè)，內(nèi)核間任何輸出差異都能被快速識(shí)別并處理。

雙核鎖步架構(gòu)

鎖步處理器的核心優(yōu)勢(shì)在于其故障檢測(cè)與糾錯(cuò)機(jī)制，這對(duì)可靠性為首要指標(biāo)的車規(guī)級(jí)處理器至關(guān)重要。該架構(gòu)可確保單個(gè)內(nèi)核發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)依托同步運(yùn)行的內(nèi)核繼續(xù)安全工作，這一能力能夠滿足 ISO 26262 等嚴(yán)苛安全標(biāo)準(zhǔn) —— 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了道路車輛電子電氣系統(tǒng)的功能安全要求。

例如，英飛凌 AURIX TC4 微控制器采用其獨(dú)創(chuàng)的 “差異化鎖步” 架構(gòu)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高可靠性與高性能，支撐高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）等高要求應(yīng)用。

AURIX TC4 符合 ISO 26262 體系中最高安全完整性等級(jí) ASIL-D 標(biāo)準(zhǔn)，集成雙核鎖步執(zhí)行機(jī)制，可在不影響系統(tǒng)性能的前提下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)故障檢測(cè)。

鎖步處理器的進(jìn)一步技術(shù)升級(jí)還包括集成硬件級(jí)錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，強(qiáng)化處理器應(yīng)對(duì)突發(fā)運(yùn)行異常的能力；軟件編程同樣至關(guān)重要，尤其是在配置鎖步機(jī)制、高效管理并行執(zhí)行與錯(cuò)誤處理流程方面。

在支持多達(dá)六內(nèi)核的多核配置中，鎖步執(zhí)行可擴(kuò)展至多組雙核單元，在提升算力的同時(shí)增強(qiáng)容錯(cuò)能力。該方案不僅能保障高等級(jí)安全與可靠性，還可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程，降低開發(fā)成本與工作量。

鎖步技術(shù)在硬件芯片與汽車領(lǐng)域的其他應(yīng)用

鎖步架構(gòu)的應(yīng)用已突破傳統(tǒng)場(chǎng)景，為系統(tǒng)提供高可靠性與安全性。例如，在航空電子設(shè)備的飛控系統(tǒng)中，鎖步技術(shù)是保障控制算法精準(zhǔn)運(yùn)行、即時(shí)糾錯(cuò)的核心；在通信領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)處理器采用鎖步技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)并糾正錯(cuò)誤，維護(hù)數(shù)據(jù)完整性與業(yè)務(wù)連續(xù)性。

在汽車行業(yè)，鎖步架構(gòu)已深度融入各類應(yīng)用場(chǎng)景?，F(xiàn)代車輛搭載大量電子控制單元（ECU），負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)控制、制動(dòng)、安全氣囊觸發(fā)等各類功能。鎖步架構(gòu)可保障這些 ECU 穩(wěn)定運(yùn)行，快速檢測(cè)并響應(yīng)故障，守護(hù)行車安全。

在自動(dòng)駕駛車輛中，處理傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行實(shí)時(shí)駕駛決策的中央處理器均采用鎖步設(shè)計(jì)。這種冗余執(zhí)行機(jī)制可即時(shí)識(shí)別數(shù)據(jù)處理故障，快速啟動(dòng)糾錯(cuò)措施，維持車輛安全運(yùn)行。

車道保持、碰撞預(yù)警等高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）同樣依賴鎖步技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)可靠的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步提升車輛安全性。在部分鎖步應(yīng)用中，兩顆處理器并行同步執(zhí)行相同指令，強(qiáng)化可靠性與容錯(cuò)能力；若一顆處理器故障，備用處理器可無縫接管實(shí)時(shí)運(yùn)算，直至故障排除（見圖 2）。

鎖步內(nèi)核冗余機(jī)制

通過硬件信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)或軟件機(jī)制實(shí)現(xiàn)同步，確保兩顆處理器每執(zhí)行一條指令后均處于相同狀態(tài)。備用處理器檢測(cè)到故障后立即接管控制，維持系統(tǒng)運(yùn)行連續(xù)性。這種冗余設(shè)計(jì)對(duì)汽車控制單元、航空航天設(shè)備等安全關(guān)鍵型系統(tǒng)至關(guān)重要，保障實(shí)時(shí)運(yùn)算不中斷，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行。

此外，針對(duì)通過 ASIL-D 認(rèn)證的微控制器抵御故障注入攻擊的防護(hù)能力，鎖步架構(gòu)同樣發(fā)揮關(guān)鍵作用。它為針對(duì)硬件的攻擊、汽車安全重大威脅提供了堅(jiān)固防御機(jī)制，通過冗余運(yùn)算與持續(xù)交叉校驗(yàn)，有效識(shí)別并緩解此類攻擊引發(fā)的運(yùn)行異常，提升汽車系統(tǒng)抵御惡意攻擊的安全性與抗干擾能力。

結(jié)語

鎖步架構(gòu)具備不影響系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)錯(cuò)誤檢測(cè)與糾錯(cuò)能力，同時(shí)提供冗余保障，使其在汽車、航空、通信等安全與可靠性為核心的行業(yè)中不可或缺。

該技術(shù)不僅保障系統(tǒng)運(yùn)行完整性，還能提升系統(tǒng)抵御隨機(jī)故障與安全威脅的能力，尤其在汽車領(lǐng)域可有效防范硬件攻擊相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)；其并行處理架構(gòu)在提升可靠性的同時(shí)，進(jìn)一步強(qiáng)化了行車安全。

因此，選用搭載鎖步架構(gòu)的設(shè)備，是滿足高安全與高性能標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。隨著該技術(shù)持續(xù)發(fā)展，相關(guān)硬件還將適配更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為復(fù)雜電子系統(tǒng)的安全防護(hù)帶來更顯著的突破。