汽车电子ISO 26262功能安全系列(第19期):硬件开发入门——从HSR到硬件架构设计

硬件开发在V模型里是什么位置?

ISO 26262 Part 5(硬件级产品开发)位于V模型的左侧下半部分 ------在系统级开发(Part 4)之后,与软件开发(Part 6)并行进行。

关键点 :硬件开发和软件开发是并行 的------在系统阶段把TSR分给硬件和软件之后,两个团队就可以同时开工了。

硬件开发遵循V模型,但有两个关键区别于传统V模型开发流程:

  1. 概率论定量分析 :硬件需要计算SPFM、LFM、PMHF等量化指标
  2. 随机硬件失效评估:硬件会"自然老化"失效,需要量化评估其概率

第一步:从TSR导出HSR------"翻译"和"具象化"

HSR在整个需求链中的位置

功能安全的需求体系从上到下分为四层:

TSR说的是"系统要做什么",HSR说的是"硬件具体怎么实现" 。

根据ISO 26262-5:2018第6.1节,HSR有三个核心目的:

目的 大白话
📌 来源于TSC和系统架构 从系统阶段的需求中"翻译"出硬件要做什么
📌 细化HSI规范 把软硬件接口说清楚,硬件和软件别"打架"
📌 验证一致性 证明硬件需求跟系统需求对得上

从TSR到HSR:一个"翻译"实例

在ISO 26262硬件开发中,HSR的推导过程就是把系统级的TSR"翻译"和"具象化"成硬件工程师能直接干活的需求。

关键原则 :一个TSR可能衍生出好几个HSR。

TSR说:"当检测到主控芯片内部时钟异常时,应在5毫秒内进入安全状态。"

硬件工程师把它"翻译"成HSR:

HSR编号 硬件安全需求 关键属性
HSR-01 硬件需实现一个独立于主时钟的看门狗电路,用于监控主控芯片时钟 ---
HSR-02 看门狗电路的溢出时间应小于5毫秒,时间基准误差≤±2% FTTI ≤ 5ms
HSR-03 该安全机制对时钟失效模式的诊断覆盖率目标需达到99% 诊断覆盖率 ≥ 99%
HSR-04 从检测到失效到触发复位或安全状态切换,总延迟需小于5毫秒 响应时间 < 5ms

一个TSR衍生出4条HSR------每条都具体、可量化、可验证。

HSR的三个核心维度

根据ISO 26262 Part 5和行业实践,HSR需要覆盖三个维度:

维度 大白话 示例
🛡️ 防止硬件内部失效 "芯片自己别坏" 看门狗、ECC、电压监控
🔗 应对外部相关失效 "外面出事了也别影响我" 外部短路保护、通信超时处理
📊 控制随机失效概率 "硬件老化失效的概率要足够低" SPFM、LFM、PMHF指标

HSR的11个关键特性

一个好的HSR,需要具备以下特性:

特性 大白话
✅ 无歧义 "响应要快"不行,"响应时间<5ms"才行
✅ 可验证 能通过测试或分析来证明它实现了
✅ 可追溯 能追溯到上层的哪一条TSR
✅ 完整 覆盖功能失效、瞬态故障、外部干扰、老化失效
✅ 分配ASIL等级 继承TSR的ASIL等级,取最高值

HSR不是一次性写出来的 ,它是一个继承加迭代的过程------先基于系统架构设计得到初步硬件架构,做安全分析(FMEA、FTA、DFA),分析出的新需求反过来更新HSR。

第二步:硬件架构设计------"搭骨架"

HSR写完之后,就要开始硬件设计了。硬件设计分为两个层次:

层次 大白话 输出物
硬件架构设计 "搭骨架"------确定用什么芯片、它们怎么连 硬件架构图、模块框图
硬件详细设计 "填肉"------画原理图、选元器件、做Layout 原理图、PCB、BOM

硬件架构设计 表示所有的硬件组件以及它们彼此的相互关系。从安全的角度来看,架构设计必须能够满足HSR,设计中必须考虑安全机制的存在。

实战:ACC雷达模块的硬件架构设计

以ACC系统的前向雷达模块为例(ASIL-D),设计硬件架构:

Step 1:确定核心组件

组件 选型考虑 ASIL等级要求
主控MCU 需要ASIL-D等级,带锁步核 D
雷达传感器 77GHz毫米波,探测距离≥200m D
通信接口 CAN-FD,支持冗余通信 D
电源管理 宽压输入,带过压/欠压保护 D

Step 2:部署安全机制

安全机制 部署位置 作用
双核锁步(DCLS) MCU内部 两个CPU核心同步运行,比较输出结果,发现偏差立即报警
看门狗定时器 MCU外部独立硬件 监控程序是否跑飞
电压监控器 电源管理单元 实时监测关键电压,确保稳定供电
传感器自诊断 雷达模块内部 上电自检,检测硬件状态

Step 3:画出硬件架构图

第三步:芯片选型------怎么挑"安全"的芯片?

芯片选型是硬件开发中最关键的决策之一。ISO 26262-2018版第8部分第13条首次提出了"ASIL认证"的集成电路的概念。

芯片选型的核心考量因素

考量因素 大白话 示例
ASIL等级 芯片本身支持什么等级? ASIL-D、ASIL-B
硬件冗余能力 有没有锁步核?有没有双核? 英飞凌TC3xx LockStep核
安全机制 有没有看门狗、ECC、BIST? 硬件看门狗、内存ECC
诊断覆盖率 对故障的检测能力有多强? 99%、90%、60%
🔗 工具链支持 有没有配套的安全开发工具? 编译器认证、调试器支持

实战:ACC雷达模块的MCU选型

对于ASIL-D的ACC雷达模块,MCU选型需要考虑:

需求 选型要求
ASIL等级 芯片需支持ASIL-D系统开发
冗余架构 需具备双核锁步(DCLS) 或多处理器架构
安全机制 需集成硬件看门狗、ECC、BIST等安全机制
诊断覆盖率 关键故障的诊断覆盖率需达到99%

选型原则 :ASIL等级越高,对硬件冗余的要求就越多。ASIL-D的系统通常需要双MCU 或锁步核设计。

行业实战:地平线HSD 600的硬件安全设计

2026年7月,地平线HSD 600域控制器正式通过UL Solutions的ISO 26262功能安全产品认证,达到ASIL-D等级。

硬件层面的关键设计:

  • 电源管理:内置过压/欠压保护、电压监控器
  • 计算冗余:采用多核异构架构,关键路径具备冗余设计
  • 通信链路:关键通信链路支持冗余和故障检测

关键洞察 :ASIL-D等级的硬件设计,不是"堆料",而是系统性地在每一个环节嵌入安全机制------从电源到计算到通信,全覆盖。

硬件开发中容易踩的"坑"

坑1:把HSR写成TSR的"复制粘贴"

❌ 直接把TSR抄过来当HSR

✅ 把TSR"翻译"成硬件能实现的具体需求------加参数、加指标、加诊断覆盖率

坑2:只关注功能,不关注安全机制

❌ "芯片能跑多快、内存有多大"

✅ "芯片有哪些安全机制?看门狗?ECC?锁步核?"

坑3:忘了考虑外部失效

❌ 只关心芯片内部会不会坏

✅ 还要考虑外部短路、电源波动、通信中断等外部失效场景

坑4:选了ASIL-D的芯片,但没验证

❌ "芯片手册上写的是ASIL-D,肯定没问题"

✅ 需要通过硬件要素评估来验证芯片是否符合ASIL要求。

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