運用ARM處理器系列軟件工具可加速遵循安全至上的規(guī)范

越來越多程序設計人員在設計安全相關(guān)應用程序時采用ARM處理器，范圍遍及醫(yī)療、運輸、航空電子與工業(yè)領(lǐng)域。因此，透過這些處理器所執(zhí)行的軟件也受到更為嚴格的檢查，因為任何一個小錯誤都有可能導致嚴重后果。

為了避免導致這樣的后果，包括IEC 61508，還有最近才通過的汽車業(yè)ISO 26262等安全標準應運而生，以確保開發(fā)人員與客戶在軟件方面能符合業(yè)界最先進的最佳實務準則。

即便如此，要決定標準當中有哪些元素適用，哪些不適用，接下來還要確保整體設計符合標準，整個過程非常耗時以致于令人卻步。由于消費類器件的設計周期極短且逐漸與汽車安全系統(tǒng)整合，開發(fā)人員也因此面臨更大的時間壓力，必須在日益緊迫的設計周期期限前完成設計改動。

所幸針對軟件開發(fā)工具與相關(guān)作業(yè)，軟件系列工具廠商具備一般軟件開發(fā)人員所沒有的信息與知識，因此在市場中具有獨特定位，能為所有安全相關(guān)軟件開發(fā)人員提供支持。

對編譯器來說更是如此，因為編譯器能直接影響系統(tǒng)安全性，而且其有可能產(chǎn)生的注入錯誤，后續(xù)功能設計測試卻無法檢測。因此，系列軟件工具組很適合那些使用基于ARM核心處理器的開發(fā)人員，能使開發(fā)人員確保系統(tǒng)符合法規(guī)規(guī)范，并同時應付日益增加的產(chǎn)品上市時間的壓力。

ARM 處理器逐漸拓展應用

伴隨移動的風潮，加上持續(xù)擴展的生態(tài)系統(tǒng)提供支持，基于ARM核心處理器的應用已從智能手機與嵌入式等器件，拓展到基礎(chǔ)架構(gòu)設備及數(shù)據(jù)服務器?，F(xiàn)在，設計人員也逐漸開始將它們導入安全相關(guān)的應用。

這類應用涵蓋了工業(yè)(馬達控制、工廠自動化、遠距監(jiān)控);汽車(底盤控制、車身與安全、儀表板、智能傳感器、引擎控制、防抱死剎車);醫(yī)療(注入泵、起搏器、病患監(jiān)控);鐵路(信號與通訊控制);核能(控制面板、馬達控制、系統(tǒng)監(jiān)控)與航空電子等領(lǐng)域。

ARM處理器橫跨消費類與數(shù)據(jù)服務器應用領(lǐng)域，打入汽車電子、工業(yè)電子等各種產(chǎn)業(yè)，然而在這些領(lǐng)域當中，IEC 61508、ISO 26262等標準所規(guī)范的功能性安全需求，為微控制器軟件開發(fā)社群帶來了新的壓力。

整體而言，系統(tǒng)對智能功能的需求增加，帶動了ARM處理器為市場所廣泛采用，但這也要求業(yè)者必須具備整合能力與彈性以降低成本，提供更多功能，并隨時更新系統(tǒng)。與此同時，許多采用硬編碼邏輯來提供各種功能的設計，現(xiàn)在都逐漸整合到由軟件所控制的32位微控制器，從而又產(chǎn)生出新的問題。

設計重心逐漸移轉(zhuǎn)至微控制器與程序編碼功能，也同時將安全問題推向軟件領(lǐng)域，讓安全應用程序符合IEC 61508標準的責任，也因此落在軟件開發(fā)人員的肩上。這套標準原本規(guī)范的是電氣與/或電子系統(tǒng)的功能安全性，現(xiàn)在則同時涵蓋安全系統(tǒng)的電子組件。

IEC 61508及相關(guān)產(chǎn)業(yè)專用標準，能協(xié)助安全相關(guān)的電氣、電子與可編程系統(tǒng)符合最新要求。

功能性安全能讓安全相關(guān)系統(tǒng)針對輸入做出正確響應，進而避免不必要的直接或間接風險以及損傷。

由于IEC 61508標準用語模糊，因此衍生出各種產(chǎn)業(yè)專用的標準，例如專供鐵路運輸使用的EN50126/8/9、醫(yī)療器件專用的IEC 60601、核能專用的IEC 60880，還有陸上交通工具專用的ISO 26262。 ISO 26262適用于3,500公斤以下量產(chǎn)客用車的安全相關(guān)系統(tǒng)，但不包括殘障專用等特殊用途車輛。

一般汽車里的微控制器往往多達150個，而隨著消費者導向的導航系統(tǒng)被整合到駕駛輔助、運動檢測系統(tǒng)、推進、車載動態(tài)控制與主動/被動安全系統(tǒng)時，汽車逐漸成為運算裝置涉足安全系統(tǒng)的一個研究案例。

安全系統(tǒng)開發(fā)人員所面臨的壓力與日俱增，汽車也成為典型案例。相較于過去動輒長達3到10年的產(chǎn)品生命周期，現(xiàn)在還得配合消費類裝置(12到18個月)的設計周期。

汽車里的150個微控制器都仰賴軟件程序運轉(zhuǎn)，有時甚至像編譯器這樣的基本組件也會造成系統(tǒng)故障，只因注入了不容易發(fā)現(xiàn)的錯誤，并在功能測試階段有可能無法檢測。

這會對系統(tǒng)持續(xù)造成風險，但只要符合IEC 61508標準，再加上ISO 26262，就能將風險降至可以容忍的程度。舉例來說，IEC 61508最佳實務準則建議一開始就要使用可以信賴的工具。

一般普遍認為編譯器是T3分類的離線支持工具，表示編譯器會直接或間接影響安全系統(tǒng)的可執(zhí)行代碼，因此選擇編譯器“是有其正當性的”。

我們可以藉由通過驗證且正在使用的實證，來展現(xiàn)工具的成熟度與穩(wěn)定性，再加上來自業(yè)界專家的第三方評估以及廠商擔保，藉此證明選擇的正當性。

最佳實務準則還能加以延伸，用來驗證輸出以及語言子集的使用，像是MISRA C/C++。測試目標所使用的軟件自然重要，但要如何得知已經(jīng)測試了每種可能發(fā)生的狀況?畢竟沒有執(zhí)行的程序代碼就無法測試。這時就要利用代碼覆蓋率分析，來辨識尚未執(zhí)行的程序代碼，進而確保整個應用程序均已測試完畢。分析代碼覆蓋率可利用源代碼插裝或跟蹤數(shù)據(jù)，因為串流跟蹤的影響程度最小。

至于語言子集，在許多案例當中，高階程序設計語言的定義不完整或模糊不清，造成不同編譯器的行為也有所不同。

“嚴格模式”，還有MISRA C/C++之類的語言子集，就是為了消除這些模棱兩可的狀況所設計，同時還能：確保使用的語言與標準語言一致;替未定義的行為設定規(guī)則;移除免工具使用選項;強制統(tǒng)一編碼式樣(例如：/*...*/ versus //);改善可讀性;并縮小整體所需測試范圍。

ISO 26262比IEC 61508更進一步，提供的架構(gòu)更講究細節(jié)，在這樣的架構(gòu)下可考慮采用以其它技術(shù)為基礎(chǔ)所開發(fā)的安全系統(tǒng)。涵蓋范圍從產(chǎn)品周期管理到供貨商關(guān)系，但對于軟件開發(fā)人員來說，它提供了一種專為汽車設計、以風險為基礎(chǔ)的方法來評判完整性，而這套方法就稱為汽車安全完整性等級。

使用ASILs明確定義ISO 26262的適用要求，以避免不合理的剩余風險，同時提供驗證需求與確認措施，以確保達到足夠且可接受的安全程度。

建議：遵守默認標準

好消息是，在ISO 26262公布后才開始的設計，并不一定要遵循其設計指南，才能成就“最先進”的設計準則并取得法律保護。不過聰明的業(yè)者會強制遵循其廣泛的標準，因為傳統(tǒng)上說這確實是一種好的做法也能確保一致性，同時還能降低成本，因為目前不包括在標準里的要求，很可能明天就會被列入，所以最好從一開始就加以制度化。

但要同時符合IEC 61508與ISO 26262，每個步驟都必須準備說明文件，從離線工具使用的合理性，一直到工具行為、手冊、危險分析、編譯器缺失報告、歷史版本、測試報告，還有實際及預期結(jié)果的差異報告，都只是其中少數(shù)幾個項目。

這樣的說明文件需要投入極大心力，花費時間且成本昂貴，這時軟件系列工具供貨商就能派上用場。他們是工具的專家。舉例來說，他們熟知編譯器如何運作、如何利用安全應用程序，也了解如何利用它來取得既定輸出并利于安全相關(guān)開發(fā)。

ARM Compiler系列軟件工具就是一個很好的使用案例，它最近取得了德國安全技術(shù)檢驗機構(gòu)TüV SüD的認證。取得該認證后客戶便能將ARM Compiler建立工具應用在安全相關(guān)開發(fā)，最高可達安全完整性等級第三級(SIL3, IEC 61508)以及汽車SILD(ASILD, ISO 26262)，而無須進行其他合格驗證。還有ARM Compiler 規(guī)范套件可擴充TüV SüD驗證功能，其中包括安全手冊、缺失報告、測試報告與開發(fā)程序報告做為支持數(shù)據(jù)。

對于生產(chǎn)汽車應用程序可編程系統(tǒng)的業(yè)者來說，要符合IEC 61508與ISO 26262軟件功能安全要求，就必須提供大量說明文件與報告。

這樣的第三方認證與支持廠商保證，能即時節(jié)省人員工時、投入心力與相關(guān)成本，同時還能讓產(chǎn)品或設計更快上市，甚至可以保證應用程序設計還會繼續(xù)被市場所采用，因為在快速設計周期的時代，時間就是一切。