功能安全需要應(yīng)對(duì)隨機(jī)故障和系統(tǒng)故障。軟件只有系統(tǒng)故障，因?yàn)檐浖]有隨機(jī)故障，因?yàn)槿绻霈F(xiàn)相同的情況，軟件故障通常每次都以相同的方式導(dǎo)致系統(tǒng)故障。達(dá)到更高安全水平的一種方法是實(shí)施雙通道系統(tǒng)，每個(gè)通道中都有不同的軟件。具有相同軟件的冗余通道會(huì)將軟件作為單點(diǎn)故障。如果兩個(gè)通道具有不同的軟件，那么爭(zhēng)論是它們不太可能同時(shí)以相同的方式失敗，從而允許更高的SIL索賠。聽起來不錯(cuò)，但有問題嗎？讓我們?cè)诓┛椭懈钊氲鼗虮M可能深入地了解。

首先，讓我們看一下IEC 61508中提供了哪些指導(dǎo)，然后看看文獻(xiàn)中提供了哪些指導(dǎo)以及一些基于多樣性的設(shè)計(jì)模式。

在IEC 61508-3：2010中，以下子條款涵蓋了這一點(diǎn)

圖 1 - IEC 61508-3 的相關(guān)摘錄

看看IEC 61508-2：2010子條款7.4.3說SC（系統(tǒng)能力）最多只能提高一個(gè)級(jí)別。因此，例如，如果兩個(gè)軟件的SIL聲明為SIL 1，那么組合最多為SIL 2。我想最多只允許增加一個(gè)的限制是存在的，因?yàn)閷⑦@兩個(gè)項(xiàng)目結(jié)合起來的人不知道各個(gè)開發(fā)的細(xì)節(jié)，也許可能存在一些隱藏的常見原因故障，例如使用的工具。如果從頭開始開發(fā)這兩個(gè)軟件，你可能會(huì)做得更好。

IEC 61508-3 附錄 A 中的表格提供了一些指導(dǎo)，表 A.2 提供了不同架構(gòu)的四種替代版本，表 A.10 要求對(duì)軟件進(jìn)行 CCF（常見原因故障）分析，此措施建議在 SIL 2 中，強(qiáng)烈建議用于更高的 SIL。

圖 2 - IEC 61508-3：2010 摘錄

但是開發(fā)各種軟件有多難。Philip Koopman在他的優(yōu)秀著作“更好的嵌入式系統(tǒng)軟件”第26.3.3節(jié)中對(duì)這個(gè)話題有一個(gè)很好的評(píng)論。在本節(jié)中，他指出，實(shí)現(xiàn)真正多樣化的軟件確實(shí)很困難，但很容易獲得一定程度的多樣性。他指出，量化所實(shí)現(xiàn)的多樣性也很難，這并不奇怪，因?yàn)橛布﨏CF分析在標(biāo)準(zhǔn)中有更多的指導(dǎo)，仍然更多的是工程判斷而不是科學(xué)。Philip Koopman進(jìn)一步警告說，“許多人（包括我們）認(rèn)為，如果你的時(shí)間和資源有限，你最好制作一個(gè)真正好的軟件版本，而不是試圖制作兩個(gè)獨(dú)立的版本，而這兩個(gè)版本本身就沒有那么好。兩個(gè)版本中可能會(huì)有太多相同的錯(cuò)誤。

我看了看是否有任何研究來支持這一觀點(diǎn)。我看到的關(guān)于這個(gè)主題最有趣的筆記是下面顯示的，他們給 27 名學(xué)生提供了一個(gè)規(guī)范，并要求他們編寫軟件來實(shí)現(xiàn)它，然后檢查有多少不同的軟件以同樣的方式失敗。它確實(shí)支持了編寫各種軟件確實(shí)很難的觀點(diǎn)。

圖3 - 關(guān)于不同軟件價(jià)值的有趣實(shí)驗(yàn)論文

然后是HSE數(shù)據(jù)，它們顯示了編碼階段（設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)）中很少的錯(cuò)誤，這表明除非規(guī)范具有多樣性，否則您不會(huì)獲得很多好處。

圖4 - 系統(tǒng)因HSE而失敗的原因

為波音777開發(fā)電傳飛行軟件的團(tuán)隊(duì)似乎已經(jīng)采用了三種不同的軟件，開發(fā)了三種不同的規(guī)格，使用三個(gè)不同的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，他們不應(yīng)該相互交談，運(yùn)行在三臺(tái)不同的（不同的）計(jì)算機(jī)上控制飛機(jī)。然后，當(dāng)其中一個(gè)產(chǎn)出與其他產(chǎn)出不一致時(shí)，使用選民來選擇行動(dòng)方案。

航天飛機(jī)使用了一種類似的架構(gòu)，使用五臺(tái)計(jì)算機(jī)，四臺(tái)相同，一臺(tái)不同。各種微型計(jì)算機(jī)上的軟件也多種多樣。

基于多樣性的功能安全軟件的一種設(shè)計(jì)模式是N版本編程，它使用根據(jù)同一組需求開發(fā)的不同代碼的多個(gè)版本，并對(duì)其輸出進(jìn)行投票。

圖 5 - N 版本編程模式的繪制（安全關(guān)鍵型嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式）)

如果我們將上述內(nèi)容視為可靠性框圖，那么投票者是CCF來源的明顯弱點(diǎn)，除非投票者是超可靠的，否則從高值N中獲得的好處將是有限的。

讓我們將多樣化的軟件方法與一些替代方案進(jìn)行比較。雙核鎖步微控制器不實(shí)現(xiàn)軟件分集，而是一種硬件安全機(jī)制，因?yàn)閮蓚€(gè)內(nèi)核將運(yùn)行相同的軟件。相比之下，軟件鎖步/軟件 RMT 與逐周期鎖步不同，可以實(shí)現(xiàn)軟件多樣性，但比時(shí)鐘逐周期鎖步方法檢測(cè)差異的時(shí)間更長(zhǎng)。軟件鎖步可以在不同的處理器上運(yùn)行，甚至可以在單個(gè)處理器的冗余線程上運(yùn)行，并在選定的觀察點(diǎn)比較它們的輸出。

即使您實(shí)施了各種軟件，用于生產(chǎn)軟件的工具呢？這些也可能是常見原因故障的根源，但如果在CCF中考慮到這一點(diǎn)并選擇了不同的工具，或者選擇的工具以滿足整體安全功能的SIL要求，或者您使用適合組合元件SIL的工具，您可能很高興。

審核編輯：郭婷