英飛凌AURIX? TC4x最詳技術(shù)解讀

2.5 信息安全

2.5.1 TC4x信息安全系統概述

隨著(zhù) R155R156 、國家標準《汽車(chē)整車(chē)信息安全技術(shù)要求》等汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )安全法規逐步強制執行，汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )安全的重要性被提升了到新的高度，因此從 OEM 到 Tier 1 再到 Tier 2 急需從 Security 方面優(yōu)化各自產(chǎn)品。

TC4x 系列在吸納 TC3x HSM 子系統的優(yōu)點(diǎn)后，針對當前區域控制器重構信息安全系統，首創(chuàng ) CyberSecurity Cluster 的概念，規劃出 CSRM（ Cyber Security Real-time Module）和 CSS （ Cyber Security Satellite） 兩個(gè)子系統，如下圖所示：

圖29

CSRM 和 CSS 主要負責密碼算法硬件加速，除了支持國際密碼算法，還支持國家密碼算法 SM234 ，其中：

CSRM 包含：

●   非對稱(chēng)算法加速引擎，支持 RSA 和 ECC；

●   隨機數生成器，支持 TRNG、DRNG 和 HRNG；

●   CSCU 用于與其他核通信、控制調試訪(fǎng)問(wèn)、PIN 腳輸出等

CSS 主要用于對稱(chēng)和摘要算法加速，包含：

●   內部私有 RAM 用于存儲密鑰和 IV；

●   內部支持多達 21 個(gè)通道(1 個(gè)給 CSRM 獨享)支持不同密碼任務(wù)；

在 Cluster里，除 CSRM、CSS 外，還包括 TC1.8替代 TC3x中HSMM3內核、內部獨立的 PFlash 和DFlash，同時(shí)可以用過(guò)軟件配置各種外設成為 Cluster 里的部件，例如配置 Secure SPI與外部 TPM 交互。在 inSE的大背景下，該方案提升了 OEMTier 1 在布局汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )安全的靈活性和可靠性。

2.5.2 針對通信場(chǎng)景的優(yōu)化

從上圖可以看到支持 sym 和 hash 算法的 CSS 在布局中更為靠近 Host CPU，這樣做的目的是什么呢？簡(jiǎn)單來(lái)講，架構變化要么是性能優(yōu)化，要么是安全優(yōu)化，安全這塊目前看不出來(lái)，但是從性能的優(yōu)化我們需要從特定場(chǎng)景進(jìn)行思考。

在 CP AUTOSAR 中，基礎軟件開(kāi)發(fā)工程師大多從 SecOC 入門(mén)信息安全。在現有 MCU 里，針對 SecOC 數據驗簽的做法通常是 Hsot CPU 將待校驗數據放置 Host 共享內存并置起請求 Flag，HSM CPU 側輪詢(xún)或者中斷接收該 Flag 后去共享內存獲取數據并進(jìn)行加解密，如下圖：

圖30

這種針對 ECU 間的安全通信在當前架構下對 MCU 的 HSMSHE 等要求不算嚴苛，但是在區域控制器多功能融合、多 VM 通信的場(chǎng)景下，當前 MCU 就存在加密引擎實(shí)例和性能不夠、多 Host 通道不足的問(wèn)題，例如當區域控制器里融合了網(wǎng)關(guān)和 BMS 功能，當二者同時(shí)要使用 HSM 時(shí)，勢必會(huì )形成資源競爭；

在車(chē)聯(lián)網(wǎng)的大背景下，TLS 被引入到 DoIP 安全會(huì )話(huà)流程，在車(chē)機端也被用于車(chē)云通信，而 TLS 的引入也帶來(lái)了巨大的通信負載（ 4 次握手，比 TCP 還多一次），流程定義了，那么只能在密碼服務(wù)的性能做優(yōu)化。

為此 CSS 站了出來(lái)，它提供獨立的 SRISlave 接口（類(lèi)似 TC3x 的 Bridge 模塊）來(lái)實(shí)現與 CPU 之間的通信，內置 21 個(gè)獨立通道和多個(gè)對稱(chēng)、摘要實(shí)例來(lái)實(shí)現多主機的并行訪(fǎng)問(wèn)，相較于之前 Host、HSM 之間交互，Host 僅需配置 SRISlave 接口里的特殊寄存器，即可完成 SYM 和Hash 引擎的使用。理論上省卻了 Host 與 HSM 通信交互，提供了多通道平行接口，確實(shí)可以提高不少效率。

咱們做出這樣一個(gè)暢想：在 SecOC AES-CMAC 校驗時(shí)只需要告訴引擎在哪里獲取數據，引擎自動(dòng)獲取數據并分塊、填充完成數據校驗，不需要像以前通知 HSM CPU 去獲取數據，手寫(xiě)代碼對數據進(jìn)行分塊、做填充。從代碼層面上至少省卻了通信這一大模塊，然后減少 For 循環(huán)分塊填充數據到引擎的代碼，效率大大增加。

2.5.3 針對強標的對策

隨著(zhù)車(chē)輛網(wǎng)的發(fā)展，汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )安全已經(jīng)被提升到了需要強制 OEM 考慮和執行的階段，耳熟能詳的就是 UNECE R155、 R156 以及對應國標《汽車(chē)整車(chē)信息安全技術(shù)要求》、《汽車(chē)軟件升級通用技術(shù)要求》。

以 R155 為例，讀過(guò)這份標準的同學(xué)應該最開(kāi)始都是云里霧里，它主要涉及汽車(chē)的網(wǎng)絡(luò )安全管理體系（ CSMS）及特定車(chē)輛型式認證（ VTA）兩部分。

前者要求每個(gè) OEM 都必須有一個(gè)穩定的網(wǎng)絡(luò )安全管理體系，但是沒(méi)有具體說(shuō)應該如何去建立；后者要求 OEM 去識別特定車(chē)型的相關(guān)網(wǎng)絡(luò )安全風(fēng)險，但傳統汽車(chē)人對這塊確實(shí)一頭霧水。

為此，ISO 和 SAE 與 2021 年聯(lián)合發(fā)布了 ISOSAE 21434 標準，旨在指導 OEM、Tier1 如何建立起有效的網(wǎng)絡(luò )安全組織，同時(shí)為車(chē)輛的整個(gè)生命周期(從研發(fā)到報廢)建立起有效的流程體系，以保證其免受信息網(wǎng)絡(luò )安全攻擊。

換句話(huà)說(shuō)，R155 是指導性文件，告訴做什么；ISOSAE 21434 是執行性文件，告訴 OEM 怎么做。

圖31

由于 R155 針對 OEM 提出了宏觀(guān)綱領(lǐng)，那么分解到 Tier 1 、2 ，自然就需要 21434 來(lái)進(jìn)行指導如何干活；

TC4x 信息安全子系統不僅符合 EVITA-Full，還通過(guò)了 ISOSAE 21434 的認證，英飛凌從企業(yè)內部建立起 CSMS(Cyber Security Management System) ，針對風(fēng)險評估方法、概念階段、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、運維、持續網(wǎng)絡(luò )安全活動(dòng)等方面定義了相關(guān)流程，致力于輔助加速 OEM 針對 R155 的認證。

2.6 功能安全

2.6.1 SMU繼續發(fā)揮作用

如果說(shuō)重構的信息安全系統是 TC4x 在跨域融合產(chǎn)品的亮點(diǎn)，那么 TC4x 的功能安全則是整個(gè)芯片正常運行的基石。

在 TC4x 中，大部分功能安全機制沿用 TC3x，而與我們開(kāi)發(fā)最相關(guān)的 SMU 仍繼續發(fā)光發(fā)熱。在 TC3x SMU 的基礎上，新增了關(guān)于 Security Domain 的 alarm 處理模塊，同時(shí)設計了 Security 方面的 alarm；為滿(mǎn)足區域控制下多 vECU 對于 alarm 處理的資源競爭，設計了兩個(gè) safety  alarm 處理模塊。

其結構如下圖：

圖32

雖然沒(méi)有了解到具體 Safety Manual，但是從 SMU 整體架構我們不難得出，所有功能安全機制觸發(fā)的 alarm 可以被分為三大類(lèi)：

●   Safety相關(guān)的alarm；

●   Security相關(guān)的alarm；

●   Safety和Security兼顧的alarm。

因此，針對這些 alarm 的處理，首先就是需要選擇路由給哪些 alarm 處理模塊。在 SMU 模塊里提供了 alarm 選擇功能，可以根據寄存器配置路由給不同的處理模塊等，那么路由到目標處理模塊后，對應行為是什么呢？

不難推測，為實(shí)現 TC3x 到 TC4x 的平穩遷移，當然就是繼續采用內部行為和外部行為，如下圖：

圖33

內部行為對應 NMI、 IRQ、SYS_RESET、CPU_RESET，外部行為毫無(wú)疑問(wèn)就是 FSP 等。

不過(guò)在 SMU_CS 的處理上，由于涉及到 Security，因此行為多在 Security 子系統里內部處理，包括 CSIRQNMIRET，以及特殊的對所有秘鑰上鎖、對 Debug 方面進(jìn)行上鎖等。

針對信息安全子系統設計的相關(guān) SecuritySafety 機制，解答了我一直以來(lái)的疑惑，Security 與 Safety 到底應該如何融合：個(gè)人理解，雖然 Safety 和 Security 有各自的重點(diǎn)和側重點(diǎn)，但它們的共同目標都是保護車(chē)輛、乘員和其他道路使用者的安全；同時(shí)二者關(guān)系也非常緊密，例如車(chē)輛的信息系統受到黑客攻擊或惡意軟件感染，可能會(huì )導致車(chē)輛失去控制、系統故障或其他安全問(wèn)題，從而危及車(chē)輛和乘員的安全。

正如我們設計系統安全啟動(dòng)功能時(shí)，不僅要從 Safety 角度進(jìn)行 HARA 分析，還需要從 Security 角度進(jìn)行 TARA 分析，雙劍合璧，才能加固系統。

2.6.2  功能安全閉環(huán)設想

在區域控制器架構下，不同 vECU 都會(huì )有自己的功能安全方案，有些方案甚至已有量產(chǎn)經(jīng)驗，那么在做跨入融合如何降低集成成本？我們這樣設想，vECU 在運行中感覺(jué)不到自己是虛擬環(huán)境里，那么我們仍然可以從以往控制器的功能安全方案中吸取經(jīng)驗。

英飛凌官方應用筆記對于TC3xxSMU使用上強烈推薦與之搭配的PMICTLF35584、TransceiverTLE9252v，從而形成較為完整的系統級功能安全解決方案，如下圖所示：

圖34

TC3x 的 ErrorPin(P33.8) 與 PMIC TLF35584 的 Error PIN 相連接， 35584 在接收到相應的錯誤狀態(tài)后，可以通過(guò) SSx(Safety State)腳再向外輸出錯誤狀態(tài)，例如控制逆變器功能降級、通知 Transceiver 關(guān)閉通信等，使 ECU 進(jìn)入到安全狀態(tài)。

采用這樣的思路，在區域控制器的大背景下，需要解決的就是多 vECU 對于 SMU 的資源競爭。

我們以 SMU 中 Alarm 行為 IRQ 為例來(lái)預估這樣一條路徑，如下圖所示：

圖35

當功能安全機制觸發(fā)對應 IRQ 行為的 alarm 給到 SMU 后，通過(guò) IR 給到目標 CPU，然后就是中斷虛擬化的處理，Hypervisor 下對 VM 調度進(jìn)行上下文切換，并通知相應 VM 進(jìn)行功能降級。

如果使用到了 FSP，我們最關(guān)心的 Error Pin 繼續兼容 TC3x， 并在此基礎上新增了兩個(gè) PIN，這樣相對來(lái)說(shuō)資源上是能夠支持與外部 PMIC 或者用戶(hù)自定義引腳相連。

在 TC4x 推出的同時(shí)，配套 PMIC TLF4xx85 也同時(shí)推出，提供整套電源管理方案。

2.7 TC4x在調試、標定上的優(yōu)化

2.7.1 Overlay繼續沿用

TC1.8 繼續沿用 CPU 視角下的 Overlay，這個(gè)功能我之前已經(jīng)講過(guò)多次，主要是用于 XCP 中頁(yè)切換的實(shí)現同時(shí)也減少軟件標定棧集成工作，具體如下：

當我們在上位機選擇 WP 時(shí)，此時(shí)對應下位機(ECU)應該反饋 RAM 的值；選擇 RP 時(shí)，對應下位機應該反饋 Flash 的值，如下圖：

圖36

在最初沒(méi)有 Overlay 功能，要實(shí)現頁(yè)切換，需要定義多塊 RAM，其中包括一塊臨時(shí) RAM，如下圖：

圖37

切換 WP 或者 RP，為保證 WP 數據不丟失，此時(shí)需要將 WP copy 至 Temp RAM；然后將 Flash 值 Copy 至 RAM；而這樣內存 COPY 對于資源消耗和性能都有比較大的影響，為此英飛凌基于內核視角提出了 overlay 機制，如下圖：

圖38

這樣的好處在于，假設修改標定量導致系統進(jìn)入臨界工況，例如車(chē)速突然增加(同一油門(mén)踏板開(kāi)度，不同輸出曲線(xiàn))；此時(shí)快速切回 RP，可有效降低工程事故。

需要注意的是，當虛擬化開(kāi)啟后，如何通過(guò) MPU 、Hypervisor 來(lái)保證不同 VM 的資源隔離，特別是對于 overlay 的 Flash 的選定，這是需要在實(shí)際工程中進(jìn)行重新布局和調整。

2.7.2 調試系統

在調試系統上繼續沿用 TC3x 的 Debug 接口，例如 JTAGDAPDAPE； 不過(guò)針對 Trace 接口提出了新的優(yōu)化。整體架構如下圖：

圖39

在之前我們做高速測量時(shí)供應商都會(huì )針對 Trace 接口設計相應的 POD 接口，具體結構如下圖所示：

圖40

這對于 OEM 或者 Tier 1 在使用上有成本和性能上的綜合考慮。

在 TC4x 的設計中，Trace 的數據可以通過(guò) SRI 總線(xiàn)路由到 ETH 和 SRAM；我們做出這樣猜想，在高速測量場(chǎng)景中，可以直接通過(guò) ETH 將 Trace 數據給到上位機，這樣不僅節省了成本，也提高了效率：

圖41

在上圖中，Trace數據通過(guò) Trace 模塊存放在 SRAM(作為臨時(shí) Buffer) ，CPU 僅需觸發(fā) DMA 搬運數據到 ETH 模塊，通過(guò) Ethernet 與標定測量系統進(jìn)行數據傳輸，雖然會(huì )消耗很少部分 CPU 資源，但是相較于之前 MCU 從通用性和成本上確實(shí)提升了不少。

2.8 工具鏈及生態(tài)解讀

2.8.1 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境及調試器

據統計，目前我們常用的商業(yè)版集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(含編譯器)Tasking、Hightec、GHS 全面支持 TC4x 產(chǎn)品，調試器勞特巴赫、iSystem、PLS 均已全面支持。

圖42

圖43

英飛凌也推出里免費集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 ADS Limited，將代碼編寫(xiě)、編譯、調試融為一體，供 TC4x 新用戶(hù)上手評估。

圖44

2.8.2 基于 TC4x 的 AUTOSAR 基礎軟件

英飛凌本身不提供 AUTOSAR 基礎軟件，但行業(yè)中的主流 AUTOSAR 工具鏈廠(chǎng)商都已完成了 TC4X 的適配，國產(chǎn)的包括東軟睿馳、普華基礎軟件、經(jīng)緯恒潤，國際廠(chǎng)商包括 Vector、ETAS、EB、SIEMENS 都對 TC4x 做了適配。

圖45 東軟睿馳基于TC4x的配套產(chǎn)品

#03

區域控制器MCU資源對比

#04

區域控制器市場(chǎng)前景預測

2019 年，特斯拉這條鯰魚(yú)帶來(lái)的汽車(chē)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化震撼人心，隨著(zhù)這股風(fēng)潮的推動(dòng)，汽車(chē)電子電氣架構逐步由傳統分布式 ECU 向域控/中央集中架構方向發(fā)展。

在以往傳統分布式 E/E 架構下，汽車(chē)智能化程度的提高主要依靠整車(chē) ECU 數量的增加，往往一臺高端車(chē)型的 ECU 數量就超百個(gè)；然而 ECU 數量的增加勢必造成整車(chē)布線(xiàn)復雜冗長(cháng)、線(xiàn)束成本劇增，同時(shí)不同 ECU 之間信息交互的效率和精度也大打折扣，為此域控概念開(kāi)始提出。

博世關(guān)于整車(chē)EE 架構的演進(jìn)在之前文章里已經(jīng)談過(guò)多次，它主要是依據控制器功能劃分為動(dòng)力域、底盤(pán)域、信息娛樂(lè )域、自動(dòng)駕駛域和車(chē)身域五大域控，這也是目前多數 OEM 的架構；

特斯拉領(lǐng)先一步，根據空間位置分為 CCM（中央計算模塊）、LBCM（左車(chē)身域控）、RBCM（右車(chē)身域控），這也是中央集中架構的雛形。

雖然上述兩類(lèi)控制器均帶有域，但是英語(yǔ)單詞上存在比較大的差異，

●   域控制器：DomainController，針對的是控制器功能，我們常見(jiàn)的是五域架構：智駕域、座艙域、動(dòng)力域、底盤(pán)域、車(chē)身域就是此類(lèi)域控制器；它按功能對整車(chē)布線(xiàn)，以提供對整個(gè)車(chē)輛的控制。但隨著(zhù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)發(fā)展，新的需求和功能導致ECU 增多（據統計智能汽車(chē)含 100-150 個(gè)ECU），汽車(chē)內部布線(xiàn)逐步復雜。從電源到ECU 再到執行器的連接導致了整車(chē)布線(xiàn)多半是打補丁的方式，冗余且浪費。這種方式在未來(lái)智能駕駛的實(shí)現有著(zhù)極大的擴展限制。

●   區域控制器：Zonal Controller，面向的是整車(chē)空間的一個(gè)布局，在區域控制器下可能會(huì )實(shí)現多個(gè)功能，這也是下一代 MCU 考慮的事情，在硬件層面重新規劃 I/O 等硬件資源，打破域控架構下的原有功能邊界，大大縮短了布線(xiàn)長(cháng)度，簡(jiǎn)化了電源和信號傳輸，并釋放了更多空間，為下一次電子電氣架構演進(jìn)奠定了基礎。

當架構逐漸集中，對于汽車(chē)軟件功能新增和聚合的需求也日益凸顯。據《中國汽車(chē)基礎軟件發(fā)展白皮書(shū)》統計，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)運行代碼量已經(jīng)高達 2 億行，在未來(lái) L3L4 及以上級別的自動(dòng)駕駛汽車(chē)代碼量甚至會(huì )增加到4 億行 。代碼量的增加對汽車(chē)芯片的資源、算力、外設、性能的要求與日俱增，這對在汽車(chē)芯片占比高達 30% 的 MCU 提出了更大的挑戰，各大國際 MCU 廠(chǎng)商紛紛加大投入，融入新技術(shù)，即將推出的汽車(chē) MCU 產(chǎn)品更像是一顆低端 SoC 芯片，這對以往基于 MCU 研發(fā)的工程師來(lái)說(shuō)將會(huì )是一個(gè)新的領(lǐng)域。

那么具體來(lái)看，區域控制器會(huì )為整車(chē)帶來(lái)什么的好處？

1.線(xiàn)束減少影響整車(chē)重量

據統計，在當前功能域架構下的整車(chē)線(xiàn)束在 50-60 公斤，展開(kāi)長(cháng)度可達 5-6 公里，這對于電動(dòng)汽車(chē)的成本、日常使用續航等有著(zhù)重大影響；采用區域架構可以有效減少線(xiàn)束，減輕了車(chē)輛的重量。這對電動(dòng)汽車(chē)尤其有益，因為每節省一公斤就意味著(zhù)里程的增加和性能的提高。特斯拉采用類(lèi)區域控制架構，將整車(chē)線(xiàn)束重量減小至至 20 公斤，大家可以發(fā)現在 18 、19 年續航里程上國產(chǎn)電動(dòng)車(chē)宣傳都有一點(diǎn)虛高，特斯拉則是實(shí)打實(shí)標稱(chēng)；

值得一提的是隨著(zhù)車(chē)輛從 12V 電氣系統遷移到 48V 電氣系統，可以在更低的電流下提供相同的功率，從而減少電線(xiàn)的厚度和相應的重量，這種重量進(jìn)一步得到改善。通過(guò)更細的線(xiàn)束和更簡(jiǎn)單的布線(xiàn)，也為其他功能系統騰出了更多的空間。

2.提升整車(chē)制造裝配的效率

隨著(zhù)區域架構采用標準化和模塊化的設計，整車(chē)裝配線(xiàn)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，模塊化使得線(xiàn)束可以預組裝，標準化使得整車(chē)裝配模塊即插即用。這些進(jìn)步帶來(lái)了更大的靈活性，更容易自動(dòng)化，更少的錯誤，并大大降低了電氣子系統的制造成本。

3.簡(jiǎn)化OTA難度

在分布式甚至功能域架構下，ECU 個(gè)數仍居高不下；如今智能網(wǎng)聯(lián)大背景下，汽車(chē)軟件 OTA 更加頻繁，因此 OEM 需花費大量成本、人力資源來(lái)協(xié)調和管理 ECU 供應商的軟件更新和管理。

在中央集成+區域控制架構下，ECU 數量減少，中央計算平臺與區域控制器采用以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數據交互，區域控制器下掛節點(diǎn)利用高速總線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )，不僅簡(jiǎn)化了 OTA 升級節點(diǎn)個(gè)數，還提高了 OTA 升級速度。

就目前來(lái)說(shuō)，域集中已經(jīng)成為了汽車(chē)行業(yè)共識，我們可以從主機廠(chǎng)發(fā)布的域架構可以看出，汽車(chē)電子電氣架構沿著(zhù)預軌道發(fā)展，正朝著(zhù)中央式進(jìn)發(fā)，如下圖所示：

圖46

“ 中央集成+ 區控制器”架構將是長(cháng)期趨勢，也是當前汽車(chē)未來(lái)研發(fā)重點(diǎn)。