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      DO-254標(biāo)準(zhǔn)在機(jī)載電子硬件審定中的應(yīng)用

      2010-07-31 11:37:56鵬,田
      中國民航大學(xué)學(xué)報 2010年5期
      關(guān)鍵詞:局方構(gòu)型申請人

      王 鵬,田 毅

      (中國民航大學(xué)適航審定技術(shù)研究與管理中心,天津 300300)

      隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代飛機(jī)在飛行控制、綜合顯示等關(guān)鍵系統(tǒng)中越來越多地使用了復(fù)雜電子硬件,尤其是客戶化的可編程邏輯器件,這對于適航性設(shè)計和審定帶來了挑戰(zhàn)。這些復(fù)雜電子硬件的設(shè)計常常與基于微處理器控制的系統(tǒng)軟件一樣復(fù)雜,因此,隨著硬件復(fù)雜度的提高,由硬件設(shè)計錯誤帶來的負(fù)面影響已經(jīng)越來越難以控制。為了降低這種可預(yù)見的風(fēng)險,必須通過一些標(biāo)準(zhǔn)的和可驗(yàn)證的方式,來證明在設(shè)計和審定過程中這些潛在的硬件設(shè)計錯誤能夠被消除。

      通常,國際航空工業(yè)界采用美國RTCA協(xié)會的DO-254標(biāo)準(zhǔn)(等同于歐洲EUROCAE的ED-80標(biāo)準(zhǔn),簡稱為DO-254)《機(jī)載電子硬件設(shè)計保證指南》,來保證機(jī)載電子硬件(AEH)的安全性水平。FAA、EASA通過咨詢通告認(rèn)可了這部標(biāo)準(zhǔn),申請人可采用此標(biāo)準(zhǔn)作為客戶化可編程邏輯器件對適航要求的符合性方法。中國民用航空局(CAAC)目前雖未頒布相關(guān)的咨詢通告或程序,但在新支線客機(jī)ARJ21-700項(xiàng)目中以問題紀(jì)要(SE005)的形式,明確了以DO-254作為CCAR-25部1301和1309條款的符合性方法之一。

      然而,DO-254標(biāo)準(zhǔn)未能涵蓋機(jī)載電子硬件設(shè)計和審定中遇到的一些特殊工程問題,使申請人和適航審定人員在工程實(shí)踐中面臨困難,需要進(jìn)一步明確。本文介紹了機(jī)載電子硬件的設(shè)計過程和批準(zhǔn),并就DO-254中沒有明確的簡單電子硬件審定、成熟商用器件(COTS)、驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)等工程的關(guān)鍵問題,結(jié)合ARJ21-700型號合格審定中的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了分析說明。

      1 電子硬件設(shè)計過程和批準(zhǔn)

      1.1 硬件設(shè)計生命周期

      現(xiàn)代電子硬件設(shè)計過程中已普遍采用了硬件描述語言,采用以試驗(yàn)或分析為主體的傳統(tǒng)驗(yàn)證方法已不可行。因此借鑒了與機(jī)載軟件類似的管理辦法,相應(yīng)于硬件的關(guān)鍵程度,引入“設(shè)計保證”的概念,對其整個生命周期的每個過程都進(jìn)行嚴(yán)格控制,包括有效合理的計劃、對需求的確認(rèn)與驗(yàn)證(V&V)、全過程的構(gòu)型管理和質(zhì)量保證、針對不同等級的關(guān)鍵技術(shù)要求等,將由復(fù)雜電子硬件設(shè)計錯誤造成安全問題的可能性降到最低,以保證最終硬件產(chǎn)品的安全性水平是可接受的,并符合適航要求。

      按照DO-254標(biāo)準(zhǔn),一個典型硬件設(shè)計過程[1]如圖1所示,審定過程在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。

      設(shè)計過程包括需求捕獲、概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、設(shè)計實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)過渡、持續(xù)生產(chǎn)。持續(xù)生產(chǎn)過程不在DO-254的考慮范圍。需求捕獲用來確定和記錄硬件項(xiàng)目需求,包括由預(yù)期的硬件架構(gòu)、工藝選擇、基本和可選功能、環(huán)境和性能需求所帶來的衍生需求以及由系統(tǒng)安全評估附加的需求。概念設(shè)計過程形成一個高層級的設(shè)計概念,通過對這一概念的評估,以確定最終設(shè)計實(shí)現(xiàn)符合需求的可能性,并定義硬件的體系結(jié)構(gòu)。詳細(xì)設(shè)計過程使硬件項(xiàng)目需求和概念設(shè)計信息作為詳細(xì)設(shè)計的基礎(chǔ),得出詳細(xì)設(shè)計數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計實(shí)現(xiàn)過程利用硬件詳細(xì)設(shè)計數(shù)據(jù)形成硬件。生產(chǎn)過渡過程采用來自硬件設(shè)計實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證過程的輸出,將產(chǎn)品轉(zhuǎn)入生產(chǎn)。

      除設(shè)計過程外,DO-254提出了非常關(guān)鍵的支持過程,這包括確認(rèn)過程、驗(yàn)證過程、構(gòu)型管理過程、過程保證過程、審定聯(lián)絡(luò)過程。確認(rèn)過程保證系統(tǒng)安全性分析過程分配到硬件所對應(yīng)的衍生需求的正確性和完整性[2]。驗(yàn)證過程保證硬件實(shí)現(xiàn)滿足所有的需求(包括衍生需求),系統(tǒng)需求不必在硬件的V&V過程進(jìn)行確認(rèn)。構(gòu)型管理過程要提供能夠持續(xù)更替的構(gòu)型項(xiàng),再現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品,在必須更改時控制構(gòu)型項(xiàng)的更改。對于復(fù)雜電子硬件構(gòu)型管理,僅使用頂層圖紙是不夠的,需采用附加方法來控制客戶化可編程器件中的嵌入邏輯,硬件構(gòu)型索引便是其選擇之一。過程保證確保了開發(fā)活動按照計劃進(jìn)行,使生命周期目標(biāo)得到實(shí)現(xiàn),對于偏離的事件進(jìn)行了標(biāo)識。多數(shù)情況下,該活動由獨(dú)立于開發(fā)團(tuán)隊(duì)的質(zhì)量保證系統(tǒng)或機(jī)構(gòu)完成。各過程的關(guān)聯(lián)[3]如圖2所示。

      1.2 機(jī)載電子硬件的批準(zhǔn)方式

      機(jī)載電子硬件并沒有一個獨(dú)立的審定批準(zhǔn)證書,其總是作為飛機(jī)、系統(tǒng)或設(shè)備的一部分,不會單獨(dú)存在。它一般通過型號合格審定(TC)、補(bǔ)充型號合格審定(STC)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(TSO)、零部件制造人批準(zhǔn)書(PMA)等形式獲得適航批準(zhǔn)。另一方面,含有機(jī)載電子軟硬件的飛機(jī)、系統(tǒng)或設(shè)備得到批準(zhǔn)的前提之一便是所含的電子硬件和軟件已得到批準(zhǔn)。機(jī)載設(shè)備最常見的審定形式為隨型號合格審定和單獨(dú)審定兩種。

      在ARJ21-700型號合格審定項(xiàng)目中,對機(jī)載電子硬件的相關(guān)適航要求主要體現(xiàn)在對系統(tǒng)和設(shè)備的要求,即 CCAR25.1301“功能和安裝”、CCAR25.1309“設(shè)備、系統(tǒng)及安裝”和CCAR33.28“發(fā)動機(jī)電氣和電子控制系統(tǒng)”(發(fā)動機(jī)具備單獨(dú)的TC,不在該項(xiàng)目審定范圍內(nèi))。

      對于單獨(dú)審定項(xiàng)目,其審定基礎(chǔ)一般為對應(yīng)的適航標(biāo)準(zhǔn)和附加要求。在ARJ21-700項(xiàng)目中最主要的就是TSO形式。值得注意的是,許多TSO是在適航局方提出機(jī)載電子硬件審定要求前發(fā)布,可能不包含相關(guān)硬件的要求,但考慮到現(xiàn)代飛機(jī)的需求,也意味著即使新申請較早版本TSOA的項(xiàng)目,也必須關(guān)注機(jī)載電子硬件的適航要求。

      但無論何種審定形式,對于機(jī)載電子硬件的適航要求都是統(tǒng)一的。對于不同項(xiàng)目,審定中存在差異的是局方介入項(xiàng)目的深度,這取決于申請人經(jīng)驗(yàn)、申請人背景、工程師的設(shè)計質(zhì)量和經(jīng)驗(yàn)、項(xiàng)目的創(chuàng)新性或唯一性以及項(xiàng)目的關(guān)鍵程度等。

      中國的絕大部分申請人是第1次依照DO-254來開發(fā)復(fù)雜電子硬件。CAAC的介入程度都應(yīng)當(dāng)是最高等級,需要對所有的階段進(jìn)行現(xiàn)場審核。為了滿足符合性,適航審定貫穿于整個硬件生命周期,局方有4個典型的介入階段[4],分別是計劃評審、設(shè)計評審、確認(rèn)與驗(yàn)證評審、最終評審。對于某些項(xiàng)目,根據(jù)需求,現(xiàn)場審核也可能不限于這4個階段。例如:一個大系統(tǒng)擁有許多小系統(tǒng)或一個項(xiàng)目有許多問題時,局方將會要求更深的介入。

      對于國產(chǎn)型號的國外供應(yīng)商,根據(jù)具體情況,處理方式也各不相同,具體取決于中國與該國適航雙邊協(xié)議(BASA),當(dāng)然也取決于審定的類型。例如:對于美國供應(yīng)商,具有TSOA的設(shè)備就可以通過設(shè)計批準(zhǔn)認(rèn)可(VDA)的形式進(jìn)行批準(zhǔn),CAAC將主要進(jìn)行文件審定,而不會對其進(jìn)行現(xiàn)場審核;對于未取得TSOA隨機(jī)取證的設(shè)備,CAAC將直接負(fù)責(zé)所有審定工作。

      2 DO-254標(biāo)準(zhǔn)未能涵蓋的問題解析

      2.1 適用范圍

      依照DO-254標(biāo)準(zhǔn)定義,DO-254適用于整個機(jī)載電子設(shè)備,但在具體實(shí)踐工程中,局方往往并不這樣要求,而是主要針對于客戶化可編程邏輯器件。

      在ARJ21-700項(xiàng)目中,有18個系統(tǒng)、33個設(shè)備,包含了可編程邏輯器件。AEH的審定主要關(guān)注于設(shè)計保證等級(DAL)為A、B、C級的下列器件:

      1)客戶化可編程器件,其中包括專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯器件(PLD)以及在航空系統(tǒng)和設(shè)備中使用的相似電子元器件等。

      2)COTS器件,如微處理器、橋接器、圖形處理器等。

      3)知識產(chǎn)權(quán)(IP)核,如 PCI、CAN 總線等。IP 包括硬IP、軟IP和固件IP。

      其中第1)項(xiàng)必須按照DO-254進(jìn)行硬件研制。對于COTS器件和IP,基于目前工業(yè)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),要求其遵循DO-254是不現(xiàn)實(shí)的。中國審定局方對于該如何處理還沒有給出指導(dǎo)性的意見,但申請人可基于下述方法來表明這類器件的適航符合性:

      1)從已知關(guān)于IP功能和設(shè)計的信息中利用反向工程獲取所需要的生命周期數(shù)據(jù);

      2)加強(qiáng)IP測試與分析;

      3)設(shè)備、板卡、LRU或系統(tǒng)級體系結(jié)構(gòu)消解;

      4)產(chǎn)品服務(wù)經(jīng)驗(yàn);

      5)避免在A、B級功能中直接使用COTS產(chǎn)品。

      2.2 驗(yàn)證的完成標(biāo)準(zhǔn)

      DO-254沒有明確指出驗(yàn)證活動的完成標(biāo)準(zhǔn),只在附錄B中討論了元素分析的使用,用于判斷完成的標(biāo)準(zhǔn)。本文并不討論所有的驗(yàn)證活動,而僅限于硬件描述語言(HDL)。與DO-178B不同,DO-254未針對不同的等級提出不同的“標(biāo)準(zhǔn)”覆蓋率要求,如對應(yīng)于軟件的A、B、C級要求修訂條件判斷覆蓋(MC/DC)、條件判定覆蓋(C/DC)和語句覆蓋。進(jìn)行代碼覆蓋率分析是為了確保驗(yàn)證過程將執(zhí)行所有的代碼、指示測試集是否完善,對于必須寫出而又無法測試到的代碼要保證其不會影響設(shè)計功能,并且找出死代碼。對于硬件來說,常見的有語句覆蓋、分支覆蓋、條件覆蓋、表達(dá)式覆蓋、有限狀態(tài)機(jī)覆蓋和翻轉(zhuǎn)覆蓋。

      語句覆蓋,能確保每個語句都被執(zhí)行,尤其是一行代碼包含多個語句。分支覆蓋,能說明是否執(zhí)行了所有可能的分支。條件覆蓋著重檢查分支條件是否都執(zhí)行了。表達(dá)式覆蓋率將跟蹤輸入或輸出的狀態(tài),確保每一個輸入進(jìn)表達(dá)式的真假值都執(zhí)行了,類似于軟件中的C/DC或MC/DC覆蓋。有限狀態(tài)機(jī)覆蓋,確保測試執(zhí)行了所有狀態(tài)以及狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。翻轉(zhuǎn)覆蓋比較容易引起迷惑,雖然很多仿真工具提供支持,但并不能真正用來做RTL代碼分析,而是在制造階段用來支持芯片測試,尋找引起芯片內(nèi)部某個節(jié)點(diǎn)停留在邏輯1或0狀態(tài)的缺陷。

      這里要指出的是,達(dá)到100%的代碼覆蓋率并不能保證設(shè)計的功能正確,還需要功能覆蓋率。功能覆蓋率包含了一套捕獲和描述設(shè)計行為的機(jī)制,自動生成捕獲測試結(jié)果,并判斷是否違規(guī)。除此之外,對于ASIC還有固定值故障、路徑延遲故障以及橋接故障等,每種故障都有相應(yīng)指標(biāo),有時統(tǒng)稱為測試覆蓋率。

      在當(dāng)前的項(xiàng)目中,局方針對不同的案例可能會提出不同的要求,如空客A350和A380型號審定中的要求是不一樣的。無論如何申請人應(yīng)當(dāng)至少滿足需求的100%覆蓋,并表明與局方約定的HDL代碼的相應(yīng)覆蓋率。

      2.3 可更改客戶化可編程器件

      有些數(shù)字設(shè)備不用更換其硬件本身,就可從外部更改其內(nèi)部嵌入邏輯和功能,這就是可更改客戶化可編程器件,這些器件具有被用戶在現(xiàn)場改變其構(gòu)型的可能性。在機(jī)載設(shè)備中很少使用現(xiàn)場可更改客戶化可編程器件,因?yàn)槠渚哂胁淮_定性,但DO-254沒有就這類硬件的現(xiàn)場更改情況提出相關(guān)要求。在審定過程中,為保證硬件不會發(fā)生在非構(gòu)型控制狀態(tài)下的更改,就需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┛刂破淝度脒壿嫺姆椒?。因此對于此類硬件,局方要求除了DO-254外,申請人還必須遵循DO-178B第2.4~2.5節(jié),或者能夠證明具有相同的安全性。此外,8110.49的第5~7章也應(yīng)當(dāng)被考慮。ARJ21-700項(xiàng)目則明確規(guī)定了不允許在現(xiàn)場對可編程邏輯器件進(jìn)行更改。

      2.4 多時鐘域問題

      在DO-254編寫時,由于工藝和設(shè)計水平的限制,多時鐘域問題并不是一個棘手的問題,但在今天卻是一個普遍存在的問題,雖然DO-254涉及到了設(shè)計裕度,但這里仍然需要強(qiáng)調(diào)。比較嚴(yán)重的是由于多時鐘域而帶來的亞穩(wěn)態(tài)特性,在普通的仿真和靜態(tài)時序分析中很難發(fā)現(xiàn)問題,這對于安全性相關(guān)的功能帶來了潛在威脅。DO-254雖然沒有明確提出要進(jìn)行跨時鐘域的驗(yàn)證,但是要求檢查“反常行為”,而亞穩(wěn)態(tài)可以被認(rèn)為是由設(shè)計錯誤而引起的反常行為。申請人應(yīng)當(dāng)提供處理亞穩(wěn)態(tài)性的數(shù)據(jù),包括是否有同步策略、同步策略如何使用以及效果如何。此外,申請人還應(yīng)進(jìn)行由于多時鐘域而帶來的環(huán)境方面的考慮。

      2.5 邏輯綜合問題

      這是一個經(jīng)常被忽略的地方。DO-254要求設(shè)計的每一步都有可重復(fù)性,理想的情況下,重新運(yùn)行同樣的設(shè)計步驟,一定可以得到相同的結(jié)果。但是工具在綜合階段會進(jìn)行邊界優(yōu)化、資源共享以及流水線優(yōu)化,每次綜合可能得到不同的內(nèi)部數(shù)據(jù)和不可重復(fù)的結(jié)果。申請人需在此方面對工具進(jìn)行鑒定,并且在設(shè)計中考慮一些設(shè)計保證措施以保證改動部分的設(shè)計不影響已經(jīng)固定下來的設(shè)計部分。

      2.6 簡單電子硬件(SEH)的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)

      對于簡單電子硬件的審定,同樣關(guān)注于客戶化可編程器件。如果申請人將該類器件定義為“簡單”的,并且不選擇DO-254作為符合性方法,則CAAC將要求申請人進(jìn)行窮盡測試和分析。圖3展示了一個簡單的執(zhí)行A級輸入控制功能的案例,說明“簡單”電子硬件的測試和分析要求。

      所有的輸入(429_DATA1/2、SENSOR1/2、Re復(fù)位信號、UART),輸出(OUT_A、OUT_EN),內(nèi)部信號(全局復(fù)位信號、邏輯控制信號、監(jiān)控信號等),內(nèi)部模塊(全局復(fù)位、MONITOR、LOGIC CONTROL、多路選擇器)以及器件中所有的寄存器、鎖存器、邏輯器件和門,應(yīng)該證明它們在所有可能的組合、排列和并發(fā)狀態(tài)均無異常行為。當(dāng)然也要考慮動態(tài)特性,如輸出信號OUT_EN的建立時間應(yīng)該是有限的(如小于5 ns),并且與其他模塊是并發(fā)的。因此,在模塊層級還不能完全完成測試,需要延伸到內(nèi)部模塊,如邏輯控制模塊[5],并且最終到達(dá)寄存器傳輸級或門級。局方最認(rèn)同的驗(yàn)證方式是物理測試,這就要求申請人采用必要的方法以觀測內(nèi)部節(jié)點(diǎn)信號。

      除了上面提到的測試與分析之外,覆蓋分析需要證明完整地實(shí)現(xiàn)了特定標(biāo)準(zhǔn)。所有的門或節(jié)點(diǎn)及其內(nèi)部的模塊組織(如多路選擇器可能由許多的與非門、或門和觸發(fā)器組成),應(yīng)確定的是其的確執(zhí)行了恰當(dāng)?shù)牟僮鱗6]。同時,還應(yīng)分析最好和最壞時序,這是硬件驗(yàn)證與軟件不同之處,在驗(yàn)證電路時,設(shè)計者應(yīng)考慮電路物理特性。

      但是,在工業(yè)實(shí)際中,如果硬件邏輯如本案例一樣復(fù)雜,這幾乎不可能達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)。如果申請人將如此復(fù)雜的硬件定義為“簡單”,他們將要承擔(dān)巨大的風(fēng)險,并且有可能不得不再次按照DO-254要求重新開始研制。當(dāng)用戶將微編碼器件用于選擇器、分頻器等簡單功能時,通常是可以被定義為“簡單”的。

      3 結(jié)語

      許多國家的適航局方已認(rèn)可DO-254作為一個可接受的符合性方法來滿足機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備中的客戶化可編程器件相應(yīng)的規(guī)章。經(jīng)過工業(yè)證明,DO-254巨大提升了需求質(zhì)量,并明顯降低了由于錯誤和需求缺失帶來的返工概率,提升了構(gòu)型管理,確保更高的硬件質(zhì)量。但其仍是一個不完善的標(biāo)準(zhǔn),有許多不明確問題需要進(jìn)一步說明。

      RTCA/SC-180委員會(DO-254)與 RTCA/SC-167委員會(DO-178B)聯(lián)系較多,因此很容易發(fā)現(xiàn)DO-254標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)載軟件的標(biāo)準(zhǔn)DO-178B有許多過程和要求是相似的,然而恰好也是這種延承使得DO-254沒有很好考慮硬件自身的特性,如動態(tài)測試、并發(fā)過程、時鐘偏移和時序等問題,同時一些航空領(lǐng)域之外的工業(yè)實(shí)踐方法也沒有很好地被利用。

      對于硬件設(shè)計或者審定工程師,在遵照DO-254標(biāo)準(zhǔn)的同時,還應(yīng)當(dāng)關(guān)注本文中所討論的一些關(guān)鍵問題,這有可能成為機(jī)載電子硬件的潛在安全性問題。本文所推薦的方法并不能直接當(dāng)作適航要求使用,但可以為審定和設(shè)計工作提供參考。

      [1]RTCA.Design Assurance Guidance for Airborne Electronic Hardwar,DO-254[S].Washington D C:RTCA Inc,2000.

      [2]SAE.Certification Considerations for Highly Integrated or Complex Aircraft Systems,ARP4754[S].Warrendale,PA:The Engineering Society for Advancing Mobility Land Sea Air and Space,1996.

      [3]PAUL S MINER,VICTOR A.A Case-Study Application of RTCA DO-254:Design Assurance Guidance for Airborne Electronic Hardware[C]//AIAA/IEEE 2000 Digital Avionics Systems Conference,Philadelphia,PA,2000.

      [4]FAA.Conducting Airborne Electronic Hardware Reviews[S].Seattle:Aircraft Certification Service,2008.

      [5]STEVEN C BELAND.Functional Failure Path Analysis of Airborne Electronic Hardware[C]//AIAA/IEEE 2000 Digital Avionics Systems Conference,Philadelphia,PA,2000.

      [6]FAA.Simple and Complex Electronic Hardware Approval Guidance,Order8110.105-Chg1[S].Seattle:Aircraft Certification Service,2008.

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