BMS功能安全开发流程（六）：汽车软件开发

上一篇介绍了《BMS功能安全开发流程（五）：硬件系统功能安全设计》，后一部分介绍软件部分。至此整个BMS的功能安全开发流程简单梳理了一遍。这个月标准化管理委员会发布了功能安全的GB/T版本，虽是推荐标准，但是以后越来越多的OEM会对供应商列为强制标准，对零部件企业的电子电气系统开发是个极大的挑战。

在汽车行业软件开发一般遵循V模型，左边是开发过程，右边对应的测试过程。ISO26262第六部分推荐的软件开发流程也V模型，如下图所示，跟硬件的V模型开发流程基本一样，需求–>架构–>详细设计。

1. 软件架构设计

软件开发流程跟硬件开发基本一样，由软件TSR和系统需求可以确定软件基本架构。软件安全要求需要与软件架构一起实施，以及与安全相关的其它软件要求。在软件架构中， 由于软件单元获得了分配给他们的不同软件安全性要求，因此考虑这些可能与不同ASILs的要求是否可以共存在同一软件单元中也很重要。 如果不符合这些标准，则需要根据所有分配的安全要求的高ASIL开发和测试软件。 这些标准可能包括内存保护和保证的执行时间。

软件架构包含静态和动态方面的，静态方面的主要和不同软件单元之间的接口：1）软件结构包括其分级层次； 2） 数据处理的逻辑顺序； 3) 数据类型和它们的特征参数； 4） 软件组件的外部接口； 5）软件的外部接口及 约束（包括架构的范围和外部依赖）。动态方面的涉及：1）功能性和行为； 2）控制流和并发进程；3） 软件组件间的数据流；4） 对外接口的数据流时间的限制。为了说明这两个方面，软件架构所用到的标记法有，非正式标记法，半正式标记法，正式标记法，ASIL 等级越高，标记法越正式。

在软件架构设计中，需要重点考虑软件的可维护性及可测试性。在汽车行业，软件在整个产品周期内都应当考虑维护性，同时还要考虑软件架构的设计测试的容易醒，在ISO 26262标准中，测试是非常重要的一方面，任何设计都应该同时考虑到测试的方便性。

为避免高度复杂性导致系统性故障， ISO26262列出来一些推荐的标准：

•   软件层次性，软件模块的高内聚性，限制软件模块大小
•   软件模块之间的接口应当尽量少且简单。这个可以通过限制软件模块的耦合度实现
•   软件调度应当避免使用中断，如果使用了中断，要注意考虑中断的优先级。目的是确保软件单元执行时间

在软件架构层面，可以检测不同软件单元之间的错误。ASIL等级越高，要求的安全机制越多。下面是ISO26262中提到的一些安全机制，有些安全机机制之间可能有重复。

• 数据范围检查：数据在不同的软件模组读写时，这个简单方法可以确保数据在正常合理范围之内。任何超出这个范围的数据，都可以被认为是错误的数据，比如电池cell电压超出5v，就可以认为这个数据是无效的。
• 真实性检查：软件模组之间的信号传递可以采用这种类型的合理性检查。比如汽车在1s内从静止状态加速到100km/h，这个减速度在汽车上是不现实的。同时可以采用参考模型或者其他来源信息来评估信号的合理性。
• 数据错误检查：有许多方法可以检查数据的正确性，比如数据校验(data checksums)，冗余数据备份
• 控制流监控：通过监控软件单元的执行流程，可以检测到某些故障，包括跳过的指令和软件卡在无限循环中。
• 多样化软件设计：在软件设计中使用多样性设计可以高效的检测软件故障。 该方法是设计两个不同的软件单元进行互相监控; 如果二者行为不同，那么说明其中一个故障。 因为软件设计师也犯了类似的错误并不罕见。 为了避免类似的错误，软件功能越多样化，这些类型的错误的可能性就越低。

一旦软件错误被检测到，应该有相应的错误处理机制。在软件架构级别ISO26262详列的错误处理安全机制如下：

• 静态恢复机制：目的是从破坏的状态回到可以继续正常运行的状态
• 适度降级：当发生故障时，该方法让系统进去一个安全运行模式。汽车软件的通常做法是亮起警示灯通知驾驶员某部件出现了问题，对高压系统而言，如BMS检测到轻度绝缘故障等。
• 独立并行冗余：该安全机制可能会需要硬件冗余，因此成本相对而言较高。这个概念假设基于两个冗余硬件同时发生错误的概率相对很低，并且有一个硬件一直处于正常无故障运行模式。
• 数据纠错码：对于数据错误，有机制可以纠正这些错误。 这些机制都是基于添加冗余数据来提供不同级别的保护。使用的冗余数据越多，可以更正的错误就越多。 这通常用于CD，DVD和RAM，但也可以在汽车领域使用。

一旦软件架构设计结束后，就需要对软件架构的需求进行测试。ISO26262详列了一些方法：

• 设计走查：一种同行审查的形式，软件架构设计者将这种架构描述为一组审查人员，目的是检测任何潜在的问题。
• 设计检查：与走查相比，检查更正式。 它包括几个步骤：规划，离线检查，检查会议，返工和更改的后续工作
• 仿真：如果软件架构可以通过软件进行仿真，那么仿真是一种有效的方法，特别是在架构的动态部分找到故障。
• 生成原型：与仿真一样，原型设计对于动态部件来说也是非常有效的。 分析原型和预期目标之间的任何差异也是很重要的。
• 形式验证：这种方法用数学证明或反驳正确性，很少用于汽车行业。 它可用于确保预期的行为，排除意外行为，并证明安全要求。
• 控制流分析：这种类型的分析可以用在在静态代码分析。目的是在架构层的软件执行中找到任何安全关键路径。
• 数据流分析：这种类型的分析可以用在在静态代码分析。目的是在软件架构层面找到任何安全关键的变量

2. 软件单元测试

一旦软件安全要求确定了，单元级别的软件架构已完成，那么就可以展看软件单元的设计和实施。 ISO 26262支持手动编写的代码（manually written code）和自动生成的代码。 如果生成代码，则可以省略对软件单元的要求，前提是使用的工具已经通过ASIL等级认证。 在本节中，重点将是人工编写的代码。

与软件架构的规范一样，ISO 26262规定了应用于软件单元设计的符号。 ISO 26262要求适当组合所使用符号。并且始终强烈推荐自然语言。 此外，该标准建议使用非正式符号，半正式符号和正式符号。

关于软件单元实施，ISO26262中提到的许多设计原则。 有些可能不适用，取决于开发过程。 有些也可能被使用的编码指南所涵盖:

1. 子程序和函数采用一个入口和一个出口：多个出口点通过代码使控制流复杂化，代码难以理解和维护。
2. 无动态对象或动态变量，在其产生过程中也没有在线测试：动态对象和变量存在两个主要挑战，不可预测的行为和内存泄漏。 两者都可能对安全产生负面影响。
3. 变量初始化：没有初始化变量，变量可能是任何值，包括不安全的和非法的值。这两者都可能对安全产生负面影响。
4. 不能重复使用变量名称：使用相同名称的不同变量有风险
5. 避免全局变量，否则需证明对全局变量的使用是合理的：全局变量从两个方面来说都是坏的： 它们可以被任何人读取并被任何人写入。开发安全相关的代码，强烈建议从这两个方面控制变量。有些时候，可能存在全局变量优先的情况，如果使用全局变量的相关风险的使用可以被证明安全，ISO 26262允许这些情况。网上文章说丰田的踏板事件中，28万行代码，有1w多个全局变量。
6. 限制使用指针：使用指针的两个重大风险是变量值的破坏和程序的崩溃; 两者都应该避免。
7. 无隐式类型转换：即使编译器支持某些编程语言，应避免这种情况，因为它可能导致意外的行为，包括数据丢失。
8. 无隐藏数据流或控制流：隐藏的流程使代码更难以理解和维护。
9. 没有无条件跳转：无条件跳转使得代码更难以分析和理解
10. 无递归：递归是一种强大的方法。 然而，它使代码复杂化，使其难以理解和验证。

在软件单元设计和实现的时候，需要验证硬件 – 软件接口和软件安全要求是否满足安全需求。 此外，应确保软件代码符合编码准则，软件单元设计与预期硬件兼容。ISO推荐了的方法基本和软件架构的一样。

• 静态代码分析： 分析的基础是调试源代码而不执行它。 通常包括语法和语义的分析，检查编码指南，如MISRA-C，变量估计，控制流和数据流的分析。
• 语义代码分析：该方法一般考虑到的是源代码的语义方面，是一种静态代码分析。 可以检测的示例包括未正确定义和以不正确方式使用的变量和函数。