锁步架构如何提升MCU性能？

（本文编译自Electronic Design）

在日新月异的微控制器（MCU）技术领域，保障稳定、高鲁棒性的性能表现至关重要，对于汽车系统这类关键应用而言更是如此。在此背景下，锁步（lockstep）架构已成为一项核心技术，既能提升MCU的性能，又能增强其可靠性。

在故障可能引发严重后果的安全关键型系统中，锁步架构的作用不可或缺。通过让两套冗余系统并行运行并对输出结果进行比对，锁步处理器能够快速检测故障并做出响应，助力保障系统的运行完整性与使用安全性。这也让锁步架构成为汽车、航空航天、工业控制系统等对可靠性要求极高的领域中必不可少的技术方案。

那锁步架构的基本原理是怎样的？以及其在提升MCU性能方面的重要意义有哪些？锁步技术在硬件芯片领域有哪些广泛的应用价值与实际场景呢，特别是在汽车行业？

什么是锁步技术？

锁步架构是一种MCU/处理器设计方法，该方法中两个或多个冗余内核同步执行完全相同的指令。这种同步执行机制使系统能够通过比对各冗余内核的输出结果，实现故障的检测与修正。一旦检测到结果存在差异，即表明某一内核出现故障，系统会随即启动修正措施，确保整体持续正常运行。

在对安全性和可靠性要求严苛的应用场景中，锁步架构至关重要。即便某一内核因瞬时故障或硬件损坏发生失效、输出错误结果，另一内核仍能提供正确输出，这为系统增添了一层容错保障，也让锁步技术成为各类高功能安全等级系统的优选方案。

锁步架构的核心优势在于，能够在不影响系统性能的前提下实现实时故障检测。与传统故障检测方法不同，这类传统方法需要额外的检错和纠错周期，而锁步架构可在主运算过程中同步完成上述检测与修正工作。这种并行执行的方式，让系统在兼顾高鲁棒性与高可靠性的同时，始终保持高性能运行。

面向安全关键型系统的锁步处理器

锁步架构可提升安全关键型系统中微控制器的安全性与可靠性，汽车领域的各类应用便是典型场景。该架构采用双内核或多内核并行运行的方式，所有内核同步执行完全相同的指令（见图1）。这种冗余设计支持故障的即时检测，内核间的任何输出差异都能被快速识别并处理。

图1：双核锁步

锁步处理器的核心优势在于其故障检测与纠错机制，这一点对于可靠性至上的车规级处理器而言至关重要。该架构确保当其中一个内核发生故障时，系统可依托同步内核的输出持续安全运行。这一能力有助于满足严苛的安全标准要求，例如规范道路车辆电气和电子系统功能安全的ISO 26262标准。

以英飞凌AURIX TC4微控制器为例，该产品凭借其独有的“异构锁步”架构技术实现了高可靠性与高性能的兼顾，为高级驾驶辅助系统（ADAS）、发动机控制单元（ECU）等对性能和安全性要求严苛的应用提供了技术支撑。

锁步处理器的技术进阶还体现在错误检测硬件机制的集成上，该设计进一步强化了处理器应对突发运行异常的能力。软件编程同样发挥着关键作用，尤其是在对锁步机制进行配置，以高效管控并行执行流程和错误处理过程方面。

在最高支持六核的多核配置中，锁步执行模式可拓展至多组内核对，在提升计算能力的同时增强系统容错性。这一设计方案不仅能保障系统达到高安全、高可靠性水平，还能通过简化系统设计与验证流程，降低开发成本、减少研发工作量。

锁步技术在硬件芯片及汽车领域的其他应用

目前，锁步架构的应用已突破传统场景，为更多领域带来高可靠性与高安全性保障。例如，航空电子设备的飞行控制系统中，锁步技术是核心必备环节，能够确保控制算法的运算精度，实现故障的即时修正；电信领域的网络处理器也引入了锁步技术，通过实时检测并修正错误，保障数据完整性与服务的持续稳定运行。

在汽车行业，锁步架构更是多类应用的核心组成部分。如今的汽车搭载了数量众多的电子控制单元，其功能覆盖发动机工况调节，以及制动、安全气囊起爆等安全相关操作，锁步架构能保障这些电子控制单元的稳定运行，快速检测故障并做出响应，从而维持整车的安全状态。

自动驾驶车辆中，处理传感器数据、执行实时行驶决策的中央处理器均采用了锁步技术。这种冗余执行的方式，能确保数据处理过程中的故障被即时识别，进而启动快速修正措施，保障车辆的安全行驶。

车道保持辅助、碰撞预警等高级驾驶辅助系统，同样依靠锁步技术实现数据的精准、可靠处理，进一步提升车辆行驶安全性。在部分锁步技术应用场景中，两款处理器并行运行、同步执行完全相同的指令，以此提升系统可靠性与容错能力；若其中一款处理器发生故障，备用处理器会无缝接管实时处理工作，直至故障问题解决（见图2）。

图2：锁步内核冗余

同步机制可确保两个处理器在执行每条指令后均达到相同运行状态，该机制可通过硬件信号、时钟信号或软件层面的方式实现。备用处理器会实时检测故障，一旦发现问题便立即接管系统控制权，保障运行的连续性。这种冗余设计在汽车控制单元、航空航天设备等安全关键型系统中至关重要，此类系统需依靠无中断的实时处理，才能保障整体的可靠性与安全性。

此外，在通过ASIL D认证的MCU抵御故障注入攻击的能力层面，锁步架构也发挥着关键作用，为抵御以硬件为目标的网络攻击、化解汽车安全领域的重大威胁构建了坚实的防御体系。通过集成冗余处理与持续的交叉校验，锁步架构能有效识别并消除此类攻击引发的运行偏差，从而提升汽车系统的安全性与抗干扰能力，防范恶意攻击行为的利用。

结语

锁步架构能够在不影响系统性能的前提下，依托冗余设计实现实时的故障检测与修正，这一特性使其成为汽车、航空、电信等对安全性和可靠性要求严苛的行业中不可或缺的技术。

该技术既能保障系统的运行完整性，又能提升系统抵御随机故障与安全威胁的能力，在汽车应用领域尤为突出，可有效降低以硬件为目标的网络攻击带来的风险；其在并行处理中为提升可靠性而设计的应用方案，也进一步强化了车辆的行驶安全。

因此，选用具备锁步架构功能的器件，对于满足高安全、高性能标准而言至关重要。此外，这类器件应适配锁步技术不断演进后的更广泛应用场景，推动该技术在复杂电子系统的安全防护领域实现更大突破，带来更显著的技术升级。