鎖步架構如何提升MCU性能？

（本文編譯自Electronic Design）

在日新月異的微控制器（MCU）技術領域，保障穩定、高魯棒性的性能表現至關重要，對于汽車系統這類關鍵應用而言更是如此。在此背景下，鎖步（lockstep）架構已成為一項核心技術，既能提升MCU的性能，又能增強其可靠性。

在故障可能引發嚴重后果的安全關鍵型系統中，鎖步架構的作用不可或缺。通過讓兩套冗余系統并行運行并對輸出結果進行比對，鎖步處理器能夠快速檢測故障并做出響應，助力保障系統的運行完整性與使用安全性。這也讓鎖步架構成為汽車、航空航天、工業控制系統等對可靠性要求極高的領域中必不可少的技術方案。

那鎖步架構的基本原理是怎樣的？以及其在提升MCU性能方面的重要意義有哪些？鎖步技術在硬件芯片領域有哪些廣泛的應用價值與實際場景呢，特別是在汽車行業？

什么是鎖步技術？

鎖步架構是一種MCU/處理器設計方法，該方法中兩個或多個冗余內核同步執行完全相同的指令。這種同步執行機制使系統能夠通過比對各冗余內核的輸出結果，實現故障的檢測與修正。一旦檢測到結果存在差異，即表明某一內核出現故障，系統會隨即啟動修正措施，確保整體持續正常運行。

在對安全性和可靠性要求嚴苛的應用場景中，鎖步架構至關重要。即便某一內核因瞬時故障或硬件損壞發生失效、輸出錯誤結果，另一內核仍能提供正確輸出，這為系統增添了一層容錯保障，也讓鎖步技術成為各類高功能安全等級系統的優選方案。

鎖步架構的核心優勢在于，能夠在不影響系統性能的前提下實現實時故障檢測。與傳統故障檢測方法不同，這類傳統方法需要額外的檢錯和糾錯周期，而鎖步架構可在主運算過程中同步完成上述檢測與修正工作。這種并行執行的方式，讓系統在兼顧高魯棒性與高可靠性的同時，始終保持高性能運行。

面向安全關鍵型系統的鎖步處理器

鎖步架構可提升安全關鍵型系統中微控制器的安全性與可靠性，汽車領域的各類應用便是典型場景。該架構采用雙內核或多內核并行運行的方式，所有內核同步執行完全相同的指令（見圖1）。這種冗余設計支持故障的即時檢測，內核間的任何輸出差異都能被快速識別并處理。

圖1：雙核鎖步

鎖步處理器的核心優勢在于其故障檢測與糾錯機制，這一點對于可靠性至上的車規級處理器而言至關重要。該架構確保當其中一個內核發生故障時，系統可依托同步內核的輸出持續安全運行。這一能力有助于滿足嚴苛的安全標準要求，例如規范道路車輛電氣和電子系統功能安全的ISO 26262標準。

以英飛凌AURIX TC4微控制器為例，該產品憑借其獨有的“異構鎖步”架構技術實現了高可靠性與高性能的兼顧，為高級駕駛輔助系統（ADAS）、發動機控制單元（ECU）等對性能和安全性要求嚴苛的應用提供了技術支撐。

鎖步處理器的技術進階還體現在錯誤檢測硬件機制的集成上，該設計進一步強化了處理器應對突發運行異常的能力。軟件編程同樣發揮著關鍵作用，尤其是在對鎖步機制進行配置，以高效管控并行執行流程和錯誤處理過程方面。

在最高支持六核的多核配置中，鎖步執行模式可拓展至多組內核對，在提升計算能力的同時增強系統容錯性。這一設計方案不僅能保障系統達到高安全、高可靠性水平，還能通過簡化系統設計與驗證流程，降低開發成本、減少研發工作量。

鎖步技術在硬件芯片及汽車領域的其他應用

目前，鎖步架構的應用已突破傳統場景，為更多領域帶來高可靠性與高安全性保障。例如，航空電子設備的飛行控制系統中，鎖步技術是核心必備環節，能夠確保控制算法的運算精度，實現故障的即時修正；電信領域的網絡處理器也引入了鎖步技術，通過實時檢測并修正錯誤，保障數據完整性與服務的持續穩定運行。

在汽車行業，鎖步架構更是多類應用的核心組成部分。如今的汽車搭載了數量眾多的電子控制單元，其功能覆蓋發動機工況調節，以及制動、安全氣囊起爆等安全相關操作，鎖步架構能保障這些電子控制單元的穩定運行，快速檢測故障并做出響應，從而維持整車的安全狀態。

自動駕駛車輛中，處理傳感器數據、執行實時行駛決策的中央處理器均采用了鎖步技術。這種冗余執行的方式，能確保數據處理過程中的故障被即時識別，進而啟動快速修正措施，保障車輛的安全行駛。

車道保持輔助、碰撞預警等高級駕駛輔助系統，同樣依靠鎖步技術實現數據的精準、可靠處理，進一步提升車輛行駛安全性。在部分鎖步技術應用場景中，兩款處理器并行運行、同步執行完全相同的指令，以此提升系統可靠性與容錯能力；若其中一款處理器發生故障，備用處理器會無縫接管實時處理工作，直至故障問題解決（見圖2）。

圖2：鎖步內核冗余

同步機制可確保兩個處理器在執行每條指令后均達到相同運行狀態，該機制可通過硬件信號、時鐘信號或軟件層面的方式實現。備用處理器會實時檢測故障，一旦發現問題便立即接管系統控制權，保障運行的連續性。這種冗余設計在汽車控制單元、航空航天設備等安全關鍵型系統中至關重要，此類系統需依靠無中斷的實時處理，才能保障整體的可靠性與安全性。

此外，在通過ASIL D認證的MCU抵御故障注入攻擊的能力層面，鎖步架構也發揮著關鍵作用，為抵御以硬件為目標的網絡攻擊、化解汽車安全領域的重大威脅構建了堅實的防御體系。通過集成冗余處理與持續的交叉校驗，鎖步架構能有效識別并消除此類攻擊引發的運行偏差，從而提升汽車系統的安全性與抗干擾能力，防范惡意攻擊行為的利用。

結語

鎖步架構能夠在不影響系統性能的前提下，依托冗余設計實現實時的故障檢測與修正，這一特性使其成為汽車、航空、電信等對安全性和可靠性要求嚴苛的行業中不可或缺的技術。

該技術既能保障系統的運行完整性，又能提升系統抵御隨機故障與安全威脅的能力，在汽車應用領域尤為突出，可有效降低以硬件為目標的網絡攻擊帶來的風險；其在并行處理中為提升可靠性而設計的應用方案，也進一步強化了車輛的行駛安全。

因此，選用具備鎖步架構功能的器件，對于滿足高安全、高性能標準而言至關重要。此外，這類器件應適配鎖步技術不斷演進后的更廣泛應用場景，推動該技術在復雜電子系統的安全防護領域實現更大突破，帶來更顯著的技術升級。