如何用低成本ARM Cortex-M微控制器讓家電變得更安全

如果將數據損壞的機率與讀寫次數聯系在一起，該解決方案的數據損壞風險是比較高的。雖然逆向冗余存儲安全關鍵變量可降低風險，但同時也會擴大存儲器B類測試的容量。

從微控制器資源角度看，測試代碼占用ROM和RAM空間，以及CPU帶寬：除正常處理任務外，如果內核臨時無法吸納測試負荷，就必須在家電運行關鍵階段終止測試。

最后，運行時RAM校驗會影響實時響應性(可能延遲甚至暫停其它中斷處理程序)，并可能與低延時或緊急任務要求沖突。測試程序的代碼長度無法最小化：耗合故障測試對被測連續存儲地址的數量有下限要求。如果軟件必須管理地址解擾，使其符合存儲器物理布局，則復雜度更高。圖1所示是軟件如何在運行時處理部分RAM測試。

IEC60730標準另提供一個由硬件校驗位組成的解決方案。雖然這是一個標準的DRAM存儲器流程，但是很少用于通用微控制器。不過，先進的芯片制程節點使得該方法更具成本效益。

硬件測試解決方案的本質是在每個存儲地址增加一個校驗位：存儲器每寫一次，計算一次校驗位，并將校驗位計算值與數據存儲在一起。當讀取數據時，同樣計算校驗值，然后與參考值對比，如圖2所示。如果數值不同，無論是數據損壞還是校驗位損壞，中斷或異常信號線都會置位。處理器內核將使用一個專用安全中斷處理程序處理錯誤，并關閉家電的電源。第二步，內核可能重啟應用(熱復位)或停止家電運行，同時顯示檢修代碼。

該解決方案的優勢十分明顯。B類RAM校驗變得完全透明：

· 不影響軟件開發方法

· 不必開發某一個微控制器廠商專用的測試程序，只需開發一個在任何情況下都會出現的全局故障處理函數

· 無需專用的RAM分區和鏈接腳本

· 不占用CPU帶寬(校驗不會增加存儲器讀操作延遲)

· 最優的實時性能

最后一個優勢是該解決方案在啟動時無需進行完整的RAM校驗，而且在上電復位后，寄偶校驗立即激活，因此降低了引導時間。

由于擁有高能效、靜音運行、高可靠性的特點，無刷電機被廣泛用于家電，但是需要復雜的控制算法和專用的PWM外設，需要特別注意故障防護和安全關機。因此，RAM校驗機制可提高可靠性和響應性，不是用軟件管理安全關閉功能，而是直接向PWM外設發送校驗錯誤信號，自動觸發緊急停機功能，避免系統時鐘和軟件相關的延遲。圖3所示框圖描述了一個實用的解決方案。

還必須注意系統的其它關鍵參數。電源監控系統可以設置電壓，如果Vdd 電壓降至預設電壓值，系統將發出一個中斷命令。同樣，時鐘安全系統檢查主時鐘運行是否正常，如果出現異常，則發出一個中斷命令。此外，當發生硬故障、在NMI處理程序內部出現錯誤或者在引導過程中發生總線故障時，Cortex內核進入鎖保護時態，在芯片級提供一個狀態顯示信號。這三個事件以及校驗值合并，產生一個內部緊急關斷信號，信號本身與外部斷路(break)輸入進行或運算。

該標準還需要一個防失效時鐘電路。當晶振失效時，時鐘安全系統外設(CSS)可自動將主時鐘切換到內部高速振蕩器，從而實現部分防失效功能。此外，還需要一個通過對比外部預計頻率與內部頻率來監視外部時鐘的方法。實時時鐘定時器可由LSI (內部低速)阻容振蕩器驅動，以便精確地測量主系統時鐘，發現晶體副諧波引起的50%的變化。在系統級，這可節省50/60Hz電網過零檢測電路的成本。

該標準提出一個獨立的時隙監視方案，防止CPU在程序計數器故障時失控，這是看門狗定時器的職責，多數微控制器均內置看門狗。但是，標準規定看門狗必須完全獨立。因此，意法半導體的32位Cortex-M STM32系列微控制器有兩個看門狗：第一個窗口看門狗使用主時鐘;第二個看門狗使用獨立的內部振蕩器，通過閃存內的選項字節啟動。這種設計可確保在晶體失效時，無論時鐘電路配置如何，都能確保至少有一個看門狗在運行。

最后，微控制器還內置一個32位硬件CRC計算器，可大幅加快閃存內容完整性檢查，同時將相關CPU負荷(在運行時占用的時間)降至可忽略不計的水平。該外設甚至可以用DMA控制器驅動。在微控制器運行期間，閃存數據完整性檢查可在后臺進行。

硬件校驗長期以來只用于計算機DRAM模塊和高可靠性系統。該方法被引進嵌入式市場的通用微控制器，如基于Cortex-M0的STM32F0x產品，隨著系統監控和安全功能數量日益增加，該方案可簡化產品認證、安全開發的執行，最重要一點是使家電變得更安全。