汽车电子ISO 26262功能安全系列(第14期):技术安全概念(TSC)——系统安全架构的设计蓝图

TSR是一堆技术需求条目,TSC是把这些需求组织成一套完整的系统安全方案------包括系统架构长什么样、安全机制怎么部署、软硬件怎么分工、接口怎么定义。

TSC到底是什么?

ISO 26262对技术安全概念(TSC)没有给出一个"一句话定义",但行业实践对它有一个共识:

TSC = 技术安全需求(TSR)+ 系统安全架构 + 安全机制 + 软硬件接口(HSI)的"打包文件"

简单说:TSC是系统阶段围绕TSR开发的工作内容汇总,形成的系统化工作输出结果

如果把FSC比作"产品说明书"------"这个产品要做什么、有什么功能、要防止什么风险";

那么TSC就是"施工蓝图"------"这个产品具体怎么造、用什么材料、各部件怎么配合、出问题了怎么修"。

TSC和FSC的核心区别

对比维度 FSC(功能安全概念) TSC(技术安全概念)
所属阶段 概念阶段(Part 3) 系统阶段(Part 4)
核心内容 SG + FSR TSR + 系统安全架构 + HSI
组织方式 安全目标(SG) 组织 系统组件/功能集合组织
抽象层级 "要什么" "怎么做"
后续输入 导出TSR 分配给硬件和软件

一句话总结:FSC按"目标"组织,TSC按"组件"组织。因为TSC最终要分配到硬件和软件去实现,按组件组织更方便分工。

TSC的核心组成部分

一个完整的TSC应该包含以下四大核心内容

1️⃣ 技术安全需求(TSR)清单

上期我们已经完成了从FSR到TSR的转化,这一步是TSC的"原材料"。

2️⃣ 系统安全架构(System Safety Architecture)

这是TSC的核心骨架 。系统架构的作用是描述相关项的组成、相互作用和约束 。而在TSC中,我们还需要把安全机制融入系统架构,形成系统安全架构。

一个最简单的系统架构包含三个部分:传感器 → 控制器 → 执行器。系统安全架构就是在这三个部分以及它们之间的通信中,嵌入安全机制。

3️⃣ 安全机制(Safety Mechanism)部署

安全机制是TSC的灵魂。它回答的问题是:"系统出故障了,怎么发现、怎么处理?"

4️⃣ 软硬件接口(HSI)规范

HSI是TSC的接口说明书。它定义了硬件和软件之间怎么配合、怎么通信。没有HSI,硬件团队和软件团队各干各的,最后集成的时候必然"打架"。

HSI是系统开发的最后一个开发工件 ,也是硬件和软件并行开发的起点。它需要在硬件和软件团队之间架起一座"沟通的桥梁"。

系统安全架构:把安全机制"嵌入"系统

系统安全架构是TSC中最核心、最"烧脑"的部分。它的本质是:在原有的系统架构上,叠加一层"安全防护网"

不含安全机制的系统架构长什么样?

一个最简单的系统架构是这样的:

就这么简单------传感器采集信号 → 控制器处理决策 → 执行器执行动作。

问题来了:如果传感器坏了怎么办?控制器算错了怎么办?执行器失灵了怎么办?

答案 :在架构里嵌入安全机制

常见的安全机制有哪些?

系统级别的安全机制主要围绕传感器、控制器、执行器、通信四个环节展开:

环节 常见安全机制 大白话
📡 传感器 硬件冗余、信号合理性检查 "用两个传感器,互相验证"
🧠 控制器 在线诊断、比较器、多数投票器 "自己检查自己,多个核心对比结果"
执行器 执行器硬件冗余、控制信号质量检测 "两个执行器,一个坏了另一个顶上"
🔗 通信 冗余发送、CRC校验、时间监控、问答机制 "多发一次、加校验码、超时就报警"

这些安全机制从三个角度来保障安全:

  • 冗余:多一套备份,坏了也不怕
  • 多样性:用不同的技术手段实现同一功能,避免"同一种故障把两个备份都干掉"
  • 监控:持续检查系统是否正常,发现问题及时报警

安全机制怎么融入架构?

以ACC系统为例,融入安全机制后的系统安全架构长这样:

这个架构体现了几个关键安全机制:

  • 传感器冗余:双雷达+摄像头,三路信号互相验证
  • 控制器监控:主MCU干活,监控MCU独立盯着,发现异常立即介入
  • 执行器冗余:主执行器失效,备份执行器接管
  • 输出限幅:无论控制器怎么算,执行器输出的减速度不能超过安全阈值

软硬件接口(HSI):硬件和软件的"握手协议"

HSI是TSC中最容易出问题的部分。它定义了硬件和软件之间的技术依赖关系,是硬件团队和软件团队各干各的"分界线"。

HSI为什么重要?

想象一下这个场景:

硬件团队 :"我们设计好了,芯片是A型号,内存映射是这样的,中断号是这些......"

软件团队:"啊?你用的中断号跟我预期的不一样啊!代码全白写了!"

这就是没有HSI的后果。HSI的核心价值是在硬件和软件开发开始之前,就把接口定死------硬件团队按照HSI设计硬件,软件团队按照HSI写代码,最后集成的时候才能"严丝合缝"。

HSI应该包含哪些内容?

根据ISO 26262和行业实践,一个完整的HSI规范应包含以下内容:

类别 具体内容 大白话
硬件设备的工作模式 默认模式、初始化模式、测试模式、高级模式 "芯片在什么状态下工作"
配置参数 增益控制、带通频率、时钟分频器 "芯片的参数怎么调"
内存映射 各功能模块在内存中的地址分配 "数据存在哪里"
寄存器定义 各寄存器的地址、位定义、读写属性 "怎么通过寄存器控制芯片"
定时器配置 定时器周期、中断频率 "多久中断一次"
中断分配 各中断源的优先级、中断向量 "哪个中断先处理"
I/O端口分配 各I/O引脚的功能定义 "哪个引脚接什么"
共享/专用硬件资源 哪些资源是共享的、哪些是专用的 "CPU、内存、DMA怎么分配"
独立性保障 确保不同安全等级模块之间的隔离 "ASIL-D和QM的代码不能互相干扰"

HSI的核心原则 :HSI必须在硬件和软件开发开始之前完成定义。它是两个团队并行工作的"契约"。

实战:ACC系统的TSC编写

咱们拿ACC系统,完整走一遍TSC的编写过程。

Step 1:回顾TSR清单(上期的产出)

ID 技术安全需求 ASIL 分配给谁
TSR-01-01 选用77GHz毫米波雷达,探测距离≥200m D 雷达硬件
TSR-01-02 雷达探测精度在全温度范围内满足±2m D 雷达硬件+软件
TSR-01-03 雷达应在上电时执行自检 D 雷达固件
TSR-01-04 雷达数据应每50ms通过CAN-FD发送 D 雷达软件
TSR-02-01 控制器应选用ASIL-D等级的MCU D 控制器硬件
TSR-02-02 控制器应运行在QNX安全操作系统上 D 控制器软件
TSR-02-03 安全跟车距离计算应使用双路冗余算法 D 控制器软件
TSR-03-01 制动执行器应支持减速度限制功能 D 制动执行器硬件
TSR-03-02 执行器应监控实际减速度,超限时切断制动指令 D 制动执行器软件

Step 2:设计系统安全架构

基于TSR,设计ACC的系统安全架构:

Step 3:定义HSI(软硬件接口)

以雷达模块的HSI为例:

HSI项 定义内容
通信接口 CAN-FD,波特率2Mbps
数据周期 50ms,超时50ms触发报警
数据格式 目标距离(uint16,单位0.1m)、相对速度(int16,单位0.01m/s)、目标角度(int8,单位0.1°)
自检接口 上电后100ms内完成自检,通过CAN-FD发送自检状态(0=正常,1=故障)
供电要求 12V±10%,功耗<5W
温度范围 -40℃~85℃

Step 4:编写TSC文档

Step 5:建立可追溯性

在TSC中,必须建立完整的可追溯性

在功能安全评审中,审核员会要求你证明"每个安全目标都被实现了"。可追溯性矩阵就是你的"证据链"------从SG一路追溯到具体的硬件引脚和软件代码行。

TSC开发中容易踩的"坑"

坑1:TSC和FSC混为一谈

❌ 把FSC的内容直接复制到TSC里

✅ TSC按组件 组织,FSC按安全目标组织。两者结构不同,内容不同,不能混用。

坑2:只有TSR,没有架构

❌ 文档里堆了一堆TSR,但没有系统架构图

✅ TSC的核心是系统安全架构。TSR只是"零件",架构才是"整机"。

坑3:没有定义HSI

❌ 硬件和软件各干各的,最后集成时发现接口对不上

✅ HSI是硬件和软件并行开发的起点,必须在开发开始前定义好。

坑4:没有可追溯性

❌ 审核员问"这个TSR是怎么来的?"回答不上来

✅ 建立SG ↔ FSR ↔ TSR的完整追溯链,这是功能安全评审的必查项

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