DE19750662A1 - Prozessoreinheit für ein datenverarbeitungsgestütztes elektronisches Steuerungssystem in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Prozessoreinheit für ein da­ tenverarbeitungsgestütztes elektronisches Steuerungssystem in einem Kraftfahrzeug. Der Begriff Steuerungssystem ist hierbei in seinem weiteren, auch Regelungsfunktionen umfassenden Sinne zu verstehen.

Die steigende Anzahl elektronisch realisierter Kraftfahrzeug- Steuerungsfunktionen und deren zunehmende Kopplung untereinander führen zu einer deutlich wachsenden Komplexität und zu entspre­ chenden Schwierigkeiten bei der Entwicklung und Beherrschung der gesamten Fahrzeugelektronik. Die wachsende Komplexität solcher Steuerungssysteme ist beispielsweise bedingt durch die Zunahme an Systemfunktionen mit übergeordnetem Charakter, wie Bordnetz­ management, Systemdiagnose, Fahrzeugdatenspeicher und derglei­ chen, sowie einem wachsenden Bedarf an weiteren Schnittstellen für übergeordnete Fahrzeugfunktionalitäten, z. B. für Chipkarten, in Zusammenhang mit neueren Anforderungen, die auf der zunehmen­ den Telematikfunktionalität und dem Wunsch nach Personalisierung sowie Bandende-Programmierung des Fahrzeugs herrühren. Dieser Trend hat gleichzeitig einen schnellen Anstieg des Bedarfs an Rechenleistung bei den im Steuerungssystem verwendeten Prozes­ soreinheiten sowie im erforderlichen Speicherumfang zur Folge. Zudem besteht der Wunsch, in Kraftfahrzeugen, wie z. B. Personen­ kraftwagen, vermehrt Funktionalitäten bezüglich Mobilität, Kom­ munikation, Information, Sicherheit und Unterhaltung bereit zu­ stellen. Hinzu kommt die Tendenz zu immer mehr parallel zu ent­ wickelnden Baureihen und zur Verkürzung der Entwicklungszeiten sowie die Forderung nach flexibler Reaktion auf externe Marktan­ forderungen. Es ist daher wünschenswert, die elektronische In­ frastruktur von Kraftfahrzeugen zukünftig auf eine flexible, standardisierte und offene Basis zu stellen, mit der solchen Entwicklungen in vertretbarem Aufwand Rechnung getragen werden kann.

Traditionell haben sich datenverarbeitungsgestützte elektroni­ sche Steuerungssysteme in Kraftfahrzeugen so entwickelt, daß je­ der elektronisch zu realisierenden Funktion ein eigenes Steuer­ gerät zugeordnet wurde, wie z. B. eines zur Motorsteuerung, eines für ein Anti-Blockier-System, eines für eine Türschließanlage und/oder eine elektronische Wegfahrsperre etc. Diese einzelnen Steuergeräte werden zu einem Steuergeräteverbund vernetzt, z. B. mittels eines CAN-Datenbusses, wobei es in einem solchen her­ kömmlichen Steuergeräteverbund kaum oder nur schwache Wechsel­ wirkungen zwischen den von den einzelnen Steuergeräten ausgeüb­ ten Funktionen gibt. Dieser herkömmliche Systemauslegung stellt folglich physikalische Steuergeräte und nicht logische Funktio­ nen in den Mittelpunkt. Bei dieser typischen herkömmlichen Steu­ ergeräte-Netzstruktur sind übergeordnete Funktionen und die An­ wendungslogik in nahezu jedem Steuergerät vorhanden. Außerdem macht es diese herkömmliche Netzstruktur aus gleichrangigen Steuergeräten bzw. aus diese repräsentierenden Prozessoreinhei­ ten oftmals erforderlich, daß viele solche Steuergeräte mehrfa­ che Busanbindungen zu unterschiedlichen vorhandenen Netzwerken im Fahrzeug besitzen. Dies bedeutet im Hinblick auf eine leichte Umsetzbarkeit von Nachrichten von einer Systemschnittstelle auf eine andere eine große Einschränkung der Flexibilität und be­ dingt sowohl hohe Buslasten als auch Laufzeitverzögerungen.

Aus den Offenlegungsschriften DE 196 16 346 A1 und DE 196 16 753 A1 sind datenverarbeitungsgestützte elektronische Steuerungssy­ steme mit einem Steuergeräteverbund aus mehreren, über ein Da­ tenbusnetzwerk verbundenen Steuergeräten offenbart, die in Kraftfahrzeugen verwendbar sind. Diese Systeme beinhalten ein zentrales Steuergerät in Form einer Prozessoreinheit mit einem sogenannten Power-PC-Microcontroller. Solche Mitglieder der so­ genannten Power-PC-Prozessorfamilie sind aufgrund ihrer RISC-Archi­ tektur besonders für die Bearbeitung von Steuerungsaufgaben mit hoher Geschwindigkeit geeignet. Beim System der DE 196 16 346 A1 sind spezielle Maßnahmen getroffen, um für einen Video- Controller nur eine geringe Anzahl von elektrischen Anschlüssen und nur ein Datenbussystem zu benötigen. Beim System der DE 196 16 753 A1 ist speziell der Einsatz einer hierarchischen Prozes­ sorarchitektur mit mindestens zwei, jeweils für bestimmte Steue­ rungsaufgaben optimierten Prozessorebenen in einer Prozessorein­ heit zur Datenbussteuerung vorgesehen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Prozessoreinheit der eingangs genannten Art zugrunde, die als ein übergeordnetes Steuergerät für ein in Echtzeit arbeiten­ des, datenverarbeitungsgestütztes elektronisches Steuerungssy­ stem in einem Kraftfahrzeug einsetzbar und möglichst flexibel, standardisiert und offen ausgelegt ist, um Änderungen und/oder Ergänzungen, insbesondere hinsichtlich jeweils passender Rechen­ leistung und variierender Konfiguration der Fahrzeugelektronik je nach Ausbaustufe, Baureihe etc., mit vergleichsweise geringem Aufwand realisieren zu können.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Prozessoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese Pro­ zessoreinheit beinhaltet in ihrer funktionalen Struktur eine skalierbare Recheneinheit und eine Fahrzeug-Schnittstellenein­ heit als separate Strukturkomponenten. Die Skalierbarkeit der Recheneinheit gewährleistet eine einfache Anpaßbarkeit an unter­ schiedliche, insbesondere im Lauf der Zeit zunehmende Rechenlei­ stungsanforderungen. Die Separierung von skalierbarer Rechenein­ heit einerseits und Fahrzeug-Schnittstelleneinheit andererseits in der logischen Entwurfsauslegung der Prozessoreinheit unter­ stützt diese Skalierbarkeit und erleichtert die Adaption an un­ terschiedliche Fahrzeugelektronikkonfigurationen durch Auslage­ rung der herkömmlich in der funktionalen Struktur nicht von der Recheneinheit getrennten Schnittstellenfunktionalitäten und Zu­ sammenfassung derselben in der von der Recheneinheit funktional getrennten Fahrzeug-Schnittstelleneinheit. Unter Fahrzeug- Schnittstelleneinheit wird dabei eine mit der Recheneinheit kom­ munizierende Schnittstelleneinheit verstanden, welche die in Kraftfahrzeugen herkömmlicherweise vorzusehenden Schnittstellen­ funktionalitäten enthält. Die so ausgelegte Prozessoreinheit läßt sich in einer offenen und skalierbaren Familie unterschied­ licher Varianten mit abgestufter Leistungsfähigkeit bereitstel­ len und eignet sich insbesondere zum Einsatz als ein übergeord­ netes Steuergerät innerhalb eines in Echtzeit arbeitenden, da­ tenverarbeitungsgestützten elektronischen Steuerungssystems eines Kraftfahrzeuges.

Bei einem solchen System, in welchem die elektronische Datenver­ arbeitungsfunktionalität in das übergeordnete System der Fahr­ zeugelektronik dieses stützend als sogenanntes Embedded-System eingebettet ist, das für den Anwender nicht direkt in Erschei­ nung tritt, liegen üblicherweise nur beschränkte Rechenlei­ stungsressourcen und eine statische Software-Konfiguration vor. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Prozessoreinheit in ei­ nem derartigen System können daten- bzw. rechenintensive Teile von Steuerungsfunktionen sowie die Koordination dezentraler Re­ gelungsfunktionen und übergeordneter Funktionen von dieser Pro­ zessoreinheit übernommen werden, so daß sich andere Steuergeräte von solchen Funktionen entlasten und daher einfacher auslegen lassen. Die solchermaßen zur Durchführung übergeordneter Aufga­ ben innerhalb des fahrzeugelektronischen Netzwerkes verwendbare Prozessoreinheit kann hierzu insbesondere auf einer skalierbaren Rechnerarchitektur in Form einer Power-PC-Architektur basieren und ist ohne Anschluß jeglicher Peripherie in beliebigen Fahr­ zeugbaureihen einsetzbar.

Eine nach Anspruch 2 weitergebildete Prozessoreinheit beinhaltet als dritte separate Strukturkomponente in ihrer funktionalen Struktur einen Kommunikations-Coprozessor zur Ausführung von Da­ tenkommunikationsvorgängen zwischen der skalierbaren Rechenein­ heit und zugehöriger Peripherie, d. h. physikalischen Schichten der Entwurfsstruktur des Systems. Durch die Verwendung dieses in der logischen Entwurfsstruktur als eigenständige Strukturkompo­ nente getrennt von der skalierbaren Recheneinheit und der Fahr­ zeug-Schnittstelleneinheit realisierten Kommunikations-Coprozes­ sors kann die CPU der Recheneinheit von schnittstellenbezogenen Operationen entlastet werden, was insbesondere bei Vorhandensein einer Vielzahl derartiger Systemschnittstellen von großem Vor­ teil ist. Denn damit wird die Belastung der CPU durch Interrupts und Rechenoperationen deutlich gesenkt. Es brauchen nur noch von der CPU benötigte Frames an diese weitergeleitet werden, und es müssen nur noch komplexe Operationen an Frames durch die CPU er­ ledigt werden. Der Begriff Frame bezeichnet dabei vorliegend den Nachrichten-Rahmen auf dem jeweiligen Datenübertragungssystem.

Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Prozessoreinheit be­ inhaltet der Kommunikations-Koprozessor in seiner funktionalen Struktur als eine Strukturkomponente einen Bandbreitenadapter, mit dem eingehende Nachrichten mit einer von der Empfangsfre­ quenz verschiedenen Sendefrequenz weitergeleitet werden können. So können z. B. Nachrichten mit gegenüber der Empfangsfrequenz kleinerer Sendefrequenz an die CPU weitergeleitet werden, um diese signifikant von Interrupts zu entlasten. Bei Bedarf können Nachrichten auch mit gegenüber der Empfangsfrequenz höherer Sen­ defrequenz an eine an den Bandbreitenadapter angeschlossene Kom­ ponente weitergeleitet werden, um für diese ihre gewohnte Nach­ richtenfrequenz bereitstellen zu können und daher keine weiteren Anpassungsmaßnahmen vornehmen zu müssen. Vorteilhaft ist dabei eine Hardware-Realisierung des Bandbreitenadapters im Kommunika­ tions-Coprozessor, da dies für den Einsatz im Echtzeit-Steuer­ system eines Kraftfahrzeugs besonders geeignet ist und eine wei­ tere Entlastung der CPU der skalierbaren Recheneinheit ermög­ licht.

Bei einer nach Anspruch 5 weitergebildeten Prozessoreinheit be­ inhaltet der Kommunikations-Koprozessor in seiner funktionalen Struktur als eine Strukturkomponente einen in Hardware ausge­ führten Gateway-Prozessor. Die Hardware-Realisierung des Gate­ way-Prozessors bewirkt eine weitere Entlastung der CPU der Re­ cheneinheit von derartigen Gateway-Funktionen und ist für den Einsatz in Echtzeit-Steuersystem eines Kraftfahrzeuges besonders geeignet.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm der funktionalen Struktur einer in ei­ nem datenverarbeitungsgestützten elektronischen Steuer­ system eines Kraftfahrzeuges verwendbaren Prozessorein­ heit,

Fig. 2 ein Blockdiagramm entsprechend Fig. 1, jedoch mit einer modifizierten Chip-Implementierung der gezeigten Funk­ tionen,

Fig. 3 ein Blockdiagramm des Schichtenmodells für die Prozes­ soreinheit der Fig. 1 und 2,

Fig. 4 ein Blockdiagramm mehrerer, miteinander vernetzter Steu­ ergeräte in einem herkömmlichen Steuerungssystem eines Kraftfahrzeuges,

Fig. 5 eine Darstellung entsprechend Fig. 4, jedoch für ein die Prozessoreinheit der Fig. 1 oder 2 als ein Steuergerät verwendendes Steuerungssystem eines Kraftfahrzeuges,

Fig. 6 ein Blockdiagramm der funktionalen Struktur eines in der Prozessoreinheit der Fig. 1 und 2 enthaltenen Kommunika­ tions-Coprozessors,

Fig. 7 eine Blockdiagrammdarstellung eines im Kommunikations- Coprozessor von Fig. 6 enthaltenen Bandbreitenadapters zur Erläuterung von dessen Funktion,

Fig. 8 ein Blockdiagramm eines im Kommunikations-Coprozessor von Fig. 6 enthaltenen Gateway-Prozessors zur Veran­ schaulichung von dessen Funktion,

Fig. 9 ein Blockdiagramm der funktionalen Struktur einer Basis­ implementierung eines in der Prozessoreinheit der Fig. 1 und 2 enthaltenen Kommunikations-Coprozessors und

Fig. 10 ein Blockdiagramm der funktionalen Struktur einer erwei­ terten Implementierung des Kommunikations-Coprozessors von Fig. 6.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Prozessoreinheit für ein datenverarbeitungsgestütztes elektronisches Steuerungs­ system in einem Kraftfahrzeug, nachfolgend als Standard-Fahr­ zeug-Prozessoreinheit oder abgekürzt SFP bezeichnet, in ihrer funktionalen Struktur in zwei verschiedenen Chipimplementierun­ gen. Wie daraus zu erkennen, setzt sich die Architektur der SFP auf dieser logischen Ebene aus drei separaten Einheiten zusam­ men, und zwar einer skalierbaren Recheneinheit 1, nachfolgend mit SPU abgekürzt, einer Fahrzeug- oder Automobil-Schnittstel­ leneinheit 2, nachfolgend mit AIU abgekürzt, und einem Kommuni­ kations-Coprozessor oder Embedded-Frame-Streamer 3, nachfolgend mit EFS abgekürzt. Die so strukturierte SFP läßt sich innerhalb eines Fahrzeug-Steuerungssystems als übergeordneter Rechner für daten- bzw. rechenintensive Teile von Steuerungsfunktionen und für die Koordination dezentraler Regelungsfunktionen und überge­ ordneter Funktionen einsetzen. Sie erfüllt dabei die Kriterien hinsichtlich Baureihenunabhängigkeit, Skalierbarkeit und Wieder­ verwendbarkeit. Aufgrund der in der SFP vorliegenden Konzentra­ tion von Systemressourcen ist Software mit kritischen Anforde­ rungen in Bezug auf Speicherverbrauch oder Leistungsfähigkeit in dieser als übergeordnetes Steuergerät fungierenden Prozessorein­ heit am zweckmäßigsten untergebracht. Speziell eignet sich in Verbindung mit dem Einsatz von nach Client/Server-Architektur-Kriterien erstellter Software die SFP als zentraler Rechenknoten und erfüllt die entsprechenden Anforderungen der Client/Server-Architektur. Die SFP eignet sich insbesondere als übergeordnetes Steuergerät in einem datenverarbeitungsgestützten elektronischen Steuerungssystem, wie es in der deutschen Patentanmeldung zur Akte Daim 27 934/4 der Anmelder beschrieben ist.

In Fig. 3 ist das Schichtenmodell für das SFP dargestellt. Die untere Schicht S1 beinhaltet die verschiedenen fahrzeuganwen­ dungsbezogen vorhandenen Schnittstellen, wie sie von herkömmli­ chen Systemen bekannt sind. Darüber liegen sukzessive eine Schicht S2, welche die skalierbare Prozessorarchitektur für die CPU 4 der skalierbaren Recheneinheit 1 enthält, z. B. eine Power-PC-Architektur, eine Schicht S3 mit den benötigten Treibern, ei­ ne Schicht S4 für Betriebssystem-, Kommunikations- und Netzmana­ gement-Funktionen, z. B. ein sogenanntes OSEK-Betriebssystem, und eine Schicht S5 mit den Client/Server-Basismechanismen und den Fahrzeuganwendungen sowie weiteren Funktionalitäten, wie einen im Kommunikations-Coprozessor 3 enthaltenen Gateway-Prozessor 5, Systemdiagnosefunktionen etc.

Die solchermaßen auf einer skalierbaren Architektur, wie einer Power-PC-Architektur basierende SFP läßt sich vorteilhaft für übergeordnete Aufgaben innerhalb eines datenverarbeitungsge­ stützten elektronischen Steuerungssystems eines Fahrzeugs ohne Anschluß jeglicher Peripherie für beliebige Fahrzeugbaureihen einsetzen und dient vorzugsweise zur Erfüllung übergeordneter Aufgaben innerhalb eines solchen Fahrzeugnetzwerkes, bei dem der datenverarbeitungsbezogene Systemteil als Embedded-System im Ge­ samtsystem der Fahrzeugelektronik implementiert ist, ohne für den Anwender direkt in Erscheinung zu treten, wobei für diesen Anwendungsfall die Echtzeitanforderung und eine statische Soft­ ware-Konfiguration typisch sind. Die von der SFP vorzugsweise übernommenen Aufgaben betreffen die übergeordnete Steuerung an­ derer Geräte, z. B. als Netzmaster, sowie Kommunikationsaufgaben. Dazu bietet die SFP Zugang zu allen vorhandenen Fahrzeugnetzwer­ ken, und sie führt auch die Zugangssicherung, sogenannte Fire­ wall, durch, da über eine entsprechende Diagnose- und Telematik­ anbindung Zugriffe von außen auf die Fahrzeugnetzwerke möglich sind. Außerdem nimmt die SFP als übergeordneter Rechner datenin­ tensive und rechenintensive Aufgaben war, sofern diese in Form einer Koordinationsfunktion vorliegen und damit nicht ortsgebun­ den sind. Die SFP stellt damit für drei Aspekte eine flexible Integrationsplattform für übergeordnete Aufgaben dar und zwar unter einem Hardware-Aspekt eine wiederverwendbare, in Leistung und Funktionalität skalierbare Rechnerplattform, unter einem Software-Aspekt eine auf Fahrzeuggegebenheiten angepaßte Client/Ser­ ver-Architektur und unter einem Netzwerkstruktur-Aspekt eine übergeordnete Netzwerksteuerung, wobei im Fahrzeuginnenraum die SFP in einer Cockpitrechner-Ausprägung vorliegen kann. Diese Implementierung der SFP ist in der Lage, die Anforderungen hin­ sichtlich stark steigender Softwareumfänge und eines permanent wachsenden Kommunikationsbedarfs zu erfüllen.

In den Fig. 4 und 5 sind vergleichend typische Fahrzeugnetzwerk­ strukturen ausschnittweise anhand von jeweils drei an ein Bussy­ stem angeschlossenen Steuergeräten mit bzw. ohne Verwendung der SFP dargesellt. Fig. 4 zeigt ein herkömmliches System ohne SFP, bei der die verschiedenen Steuergeräte G1, G2, G3 eine äquiva­ lente funktionale Struktur besitzen, wie gezeigt. Bei dieser herkömmlichen Struktur werden häufig mehrfache Busanbindungen der Steuergeräte G1, G2, G3 zu den unterschiedlichen Fahrzeug­ netzwerken benötigt, wobei in Fig. 4 beispielhaft ein Innenraum- Bus, ein Motor-Bus und ein Kommunikations-Informations(KIN)-Bus dargestellt sind. Dies bedeutet im Hinblick auf eine leichte Um­ setzbarkeit von Frameinhalten von einer Systemschnittstelle auf eine andere eine große Einschränkung der Flexibilität und verur­ sacht hohe Buslasten sowie Laufzeitverzögerungen. So muß im Sy­ stem von Fig. 4 eine Botschaft, die vom Motor-Bus auf den KIN- Bus umgesetzt werden soll, über den Innenraum-Bus geleitet wer­ den, da auf die beiden erstgenannten Busse nur jeweils eines der drei Steuergeräte G1, G2, G3 Zugriff hat. Eine weitere Eigen­ schaft dieser herkömmlichen Netzstruktur ist das Vorhandensein übergeordneter Funktionen und der Anwendungslogik in nahezu je­ dem Steuergerät, so daß jedem Steuergerät G1, G2, G3 gegenüber einer zentralen Verwaltung derartige Aufgaben mehr Ressourcen als notwendig zugeteilt werden müssen.

Fig. 5 zeigt im Vergleich eine gegenüber der Fig. 4 durch Ver­ wendung der SFP als eines G4 der Steuergeräte G4, G5, G6 modifi­ zierte Netzstruktur. In der SFP werden die notwendigen Ressour­ cen zur Bearbeitung aller dort konzentrierten übergeordneten Aufgaben und der unkritischen Anwendungslogik, d. h. derjenigen Funktionen, die ausschließlich Steuerungscharakter haben und keine zeitkritischen Vorgänge bearbeiten, bereitgestellt. Funk­ tionen mit speziellem Regelungscharakter werden als kritische Anwendungslogik behandelt, die in verteilten Systemen, d. h. Sy­ stemen mit einem Verbund aus verteilt angeordneten Steuergerä­ ten, weiterhin vor Ort im jeweiligen Steuergerät bearbeitet wer­ den. Die übrigen Steuergeräte G5, G6 können daher, wie gezeigt, signifikant vereinfacht ausgelegt werden. Durch die aus Fig. 5 ersichtliche Konzentration der übergeordneten Systemfunktionen, der unkritischen Anwendungslogik und der Systemschnittstellen auf der SFP lassen sich in sehr vorteilhafter Weise Mehrwert­ funktionen realisieren, die in herkömmlichen verteilten Systemen nur mit erhöhtem Aufwand und zusächlichem Busverkehr realisier­ bar wären.

Die SFP dient somit in Fahrzeug-Steuerungssystemen zur Erfüllung übergeordneter bzw. verteilter Anwendungen, die aufgrund ihrer Funktionalität ursprünglich keinem Steuergerät zugeordnet sind, sowie zur Aufnahme der ortsungebundenen Funktionsalgorithmik. Die Zuordnung dieser Funktionen zur SFP bewirkt, daß Veränderun­ gen an der Algorithmik innerhalb von Funktionen und im Zusammen­ spiel der Funktionen untereinander vielfach durch Modifikationen innerhalb der SFP-Software darstellbar sind, ohne die Software der bestehenden, herkömmlichen Steuergeräte verändern zu müssen.

Für die Steuerung diverser Funktionen sind Funktionsblöcke hin­ sichtlich ortsgebundener Sensorik, ortsgebundener Aktuatorik und ortsungebundener Algorithmik meist in Form koordinierender Funk­ tionen mit rechen- oder datenintensivem Charakter notwendig. Im Bereich der Regelungen wird die SFP dazu benutzt, die Koordina­ tion mehrerer lokaler, in verteilten Steuergeräten laufender Re­ gelungen durchzuführen.

Bezüglich übergeordneter Funktionen ist es hinsichtlich der Or­ ganisation der Anwendungs-Software zweckmäßig, alle Fahrzeugda­ ten und Konfigurationsinformationen in einem Flash-Speicher der SFP unterzubringen. Dadurch kann nahezu die gesamte Bandende- Programmierung eines Fahrzeugs in einem einzelnen Gerät vorge­ nommen werden. Wird die SFP frühzeitig, d. h. vor den übrigen Steuergeräten, im Produktionsablauf eingebaut, sind damit auch selbständige Onbord-Prüfungen und Systemtests während der Pro­ duktion möglich. Die SFP kann hierfür zunächst mit reiner Pro­ duktions-Software ausgestattet werden, die am Bandende durch die eigentliche Fahrzeug-Software ersetzt wird. Beispiele wichtiger, von der SFP wahrnehmbarer, übergeordneter Funktionen sind Bord­ netzmanagement, Telematik, Fahrzeugdatenspeicher, Bussteuerungen und Diagnose. Letztere besitzt auch einen Aspekt von verteilter Funktionalität, zu welcher auch als weitere wichtige Funktionen die Schließfunktion, die Fahrlichtfunktion und die Blinkerfunk­ tion gehören. Mehrwertfunktionen ergeben sich durch Kombination von Grundfunktionen oder anderen bereits kombinierten Funktio­ nen, wobei keine neue Peripherie, d. h. Aktuatorik und Sensorik, benötigt wird. Diese Mehrwertfunktionen übernehmen meist die Ko­ ordination bereits bestehender Funktionen. Beispiele solcher Mehrwertfunktionen sind die Blinkerrückmeldung bei Zentralver­ riegelung als Kombination von Schließfunktion und Blinker sowie die Komfortschließfunktion, welche Schließfunktion und Fenster­ heber-/Schiebedachbetätigung kombiniert.

Die Konzentration der Systemschnittstellen auf der SFP begrenzt die Auswirkungen diesbezüglicher Modifikationen auf dieses eine Steuergerät. Außerdem vereinfachen sich durch die Installation des zentralen Gateways 5 alle diejenigen übergeordneten Funktio­ nen, die Zugriff auf mehrere Systemschnittstellen benötigen. Der Kommunikations-Coprozessor 3 verhindert eine Zunahme der Bela­ stung der CPU 4 aufgrund einer solchen Zusammenfassung der Schnittstellen. Die Konzentration der Datenverarbeitungsressour­ cen in der SFP ist aus ökonomischer Sicht vorteilhafter als eine schrittweise Aufrüstung jedes einzelnen Steuergerätes. Außerdem verringert auch diese Maßnahme die Rückwirkungen von veränderten Anforderungen auf die übrigen Steuergeräte.

Da weitere Systemschnittstellen stets mit zusätzlichen überge­ ordneten Funktionen verbunden sind, die wiederum weitere Daten­ verarbeitungsressourcen benötigen, ist die Konzentration der Sy­ stemschnittstellen und der Datenverarbeitungsressourcen im SFP von großem Vorteil. Dies insbesondere dadurch, daß die SFP, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, auf logischer Ebene durch separat austauschbare, aber miteinander verbundene Module in Form der SPU 1, der AIU 2 und der EFS 3 aufgebaut ist und dadurch ein in jeder Hinsicht skalierbares Gerät darstellt. Die SPU stellt das Modul für die Datenverarbeitungsressourcen mit der CPU 4 und zu­ gehörigen Speichern 6 dar, auf der AIU befinden sich alle Sy­ stemschnittstellen, und der EFS 3 entlastet die CPU 4 von den meisten Kommunikationsaufgaben. Zwischen den einzelnen Modulen 1, 2, 3 sind logische Schnittstellen definiert. Die physikali­ sche Ausprägung kann z. B. Steckverbinder zwischen den logischen Modulen 1, 2, 3 oder zusammengesteckte Platinen vorsehen. So ist in Fig. 1 ein Beispiel veranschaulicht, bei welchem die Kompo­ nenten innerhalb des gestrichelten Rahmens 7 auf einem Chip rea­ lisiert sind, während die übrigen Komponenten an anderer Stelle derselben Platine oder auf einer anderen Platine angeordnet sind. Fig. 2 zeigt eine dazu alternative Ausprägung, bei der die innerhalb eines ersten gestrichelten Rahmens 8 befindlichen Kom­ ponenten in einem ersten IC und die innerhalb eines zweiten ge­ strichelten Rahmens 9 befindlichen Komponenten auf einem zweiten IC implementiert sind.

Um stets die Kompatibilität der Hardware zu bestehender Software zu gewährleisten, ist es wichtig, immer auf dieselbe Prozessor­ architektur zurückzugreifen. Hierfür bietet sich insbesondere die Power-PC-Architektur an, für die Prozessoren und Mikrocon­ troller z. B. von der Fa. IBM angeboten werden. Eine derartige Steuergerätestruktur ermöglicht bei gleichbleibendem Grundkon­ zept eine flexible und schnelle Reaktion auf neue Fahrzeugelek­ tronikanforderungen. Außerdem ist es möglich, schon fertige Softwaremodule auf ein neues Mitglied der SFP-Familie zu über­ nehmen, da innerhalb dieser Familie die Binärkompatibilität und Floatingpoint-Kompatibilität gewährleistet ist. Daher ist Ska­ lierbarkeit hinsichtlich CPU-basierter Rechenleistung, Speicher­ konfigurationen nach Art und Umfang, zusätzlicher Systemschnitt­ stellen, eines EFS in unterschiedlichen Ausbaustufen und Floa­ tingpoint- sowie Binärkompatibilität gegeben.

Da bezüglich Sensorik und Aktuatorik nur ein vergleichsweise schwaches Wachstum in der Zukunft angenommen wird, besteht eine zweckmäßige Grundüberlegung darin, außer den Systemschnittstel­ len keinerlei Peripherie durch die SFP anzusteuern. Bei Auftei­ lung der Fahrzeugfunktionalität in Peripherie-Management auf konventionellen Steuergeräten und Anwendungsalgorithmen auf der SFP können dann häufig rekombinierte und übergeordnete Funktio­ nen, die keine zusätzliche Peripherie benötigen, in ausschließ­ lich die SFP betreffender Software realisiert werden. Bestehende Steuergeräte können dadurch länger im Einsatz bleiben, was den Entwicklungsprozeß vereinfacht und Entwicklungskosten einspart.

Die Berücksichtigung dieser Ansätze in der SFP macht diese unab­ hängig von der jeweiligen Baureihe und durch ihre Skalierbarkeit funktional an die jeweiligen Gegebenheiten anpaßbar. Bezüglich der drei Module der SFP wird für die SPU ein Vorrat an Varianten mit unterschiedlicher Rechenleistung und/oder Speicherumfängen bereitgestellt, die wahlweise mit der AIU und dem EFS kombiniert werden können. Die AIU-Varianten berücksichtigen unterschiedli­ che, derzeit festgelegte Schnittstellen. In jeder Baureihe vor­ handene Schnittstellen sind feste Bestandteile der AIU, die üb­ rigen Schnittstellen sind Bestückungsoptionen oder Bestandteil anderer AIU-Varianten. Für eine jeweilige Baureihe wird nun je­ weils diejenige SPU mit den knappsten Ressourcen ausgewählt, die funktional gerade noch ausreicht. Außerdem wird eine AIU ge­ wählt, die gerade die benötigten Schnittstellen beinhaltet. Die Wiederverwendbarkeit über verschiedene Baureihen hinweg hat zu­ dem den Vorteil der Herstellbarkeit in größeren Stückzahlen.

Im folgenden wird näher auf die einzelnen Module der SFP einge­ gangen. Die SPU als eines der drei Module der SFP beinhaltet im wesentlichen die Teile, die weder von einer Fahrzeugbaureihe, noch von einem Typ innerhalb einer Fahrzeugbaureihe bestimmt sind. Dazu gehören, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, insbe­ sondere die in ihrer Leistungsfähigkeit skalierbare CPU 4 und die verschiedenen Speicher 6, die hinsichtlich Speicherkapazität und Typ, wie RAM, Flash, EEPROM und dergleichen, variieren kön­ nen. Zur Darstellung einer ganzen SFP-Familie stammen die CPUs 4 für die SPU 1 aus einer gemeinsamen Prozessorfamilie, was die für die Softwarewiederverwendbarkeit notwendige Binärkompatibi­ lität schafft.

Die AIU 2 als zweite logische Einheit aus dem Entwurf der SFP unterteilt sich ihrerseits in drei logisch funktionale Abschnit­ te, und zwar einen Abschnitt 11 mit SFP-spezifischen Baugruppen, einen Abschnitt 12 mit automobilspezifischen Schnittstellen und einen Abschnitt 13 mit baureihen-/typspezifischen Schnittstel­ len. SFP-spezifische Baugruppen sind die allgemein für ein Steu­ ergerät wichtigen Teile, wie ein- oder mehrfache Spannungsver­ sorgung mit Spannungsüberwachung, Watchdog, Steckverbinder usw. Diese Teile sind nicht baureihen-/typspezifisch und müssen nur auf die jeweiligen Anforderungen des SFP ausgelegt werden. Die automobilspezifischen Schnittstellen sind die standardmäßig in allen Baureihen vorkommenden Schnittstellen, wie z. B. I-CAN, M-CAN oder eine serielle Schnittstelle. Auch diese Teile sind nicht baureihen-/typspezifisch und werden auf der AIU standard­ mäßig vorgesehen. Die als Bestückungsoption wahlweise vorgesehe­ nen baureihen-/typspezifischen Schnittstellen sind diejenigen, die zusätzlich zum Basisumfang je nach Ausstattung eines Fahr­ zeugs eingesetzt werden. Darunter fallen Anschlüsse für einen KIN-Bus, zusätzliche CAN-Schnittstellen für Diagnose- und Tele­ matik-Anbindung und gegebenenfalls weitere serielle Schnittstel­ len.

Der des weiteren vorgesehene EFS 3 ermöglicht die Herstellung von Verbindungen zwischen allen Systemschnittstellen, ohne damit die CPU 4 stark zu belasten. Fig. 6 zeigt die Architektur des EFS 3. In einer Bridge 14 erfolgt die Umsetzung einzelner Frames von einem Layer 2-Interface direkt auf ein wei­ teres Layer 2-Interface gleicher Art. Die Bearbeitung benötigt keine CPU-Ressourcen, und Frames werden dabei nicht verändert. Im vorliegenden Modell können mehrere Bridges 14 mit unter­ schiedlichen Layer 2-Interfaces und unterschiedlichen Protokol­ len implementiert werden. Es ist aber auch möglich, für eine be­ stimmte Sorte von Layer 2-Interfaces keine Bridge-Funktion zu implementieren, wenn diese Schnittstelle singulär ist. Im vor­ liegenden, zyklischen und ereignisgesteuerten System trägt die Bridge 14 sehr stark zur Entlastung der CPU bei.

In einem virtuellen Null-Device 15 werden im Modell alle ausge­ filterten Frames abgelegt. Real sind diese Frames verworfen bzw. nicht bearbeitet worden. Auch hier benötigt die Bearbeitung kei­ ne CPU-Ressourcen, und Frames werden nicht verändert.

Des weiteren beinhaltet der EFS einen Bandbreitenadapter 16, in welchem Frames nach zeitlichen oder quantitativen Aspekten be­ wertet werden. Dies ist in Fig. 7 näher dargestellt. Der Band­ breitenadapter 16 kann Nachrichten N_a mit einer Frequenz f_a emp­ fangen und diese Nachrichten N_a mit einer davon verschiedenen Frequenz f_a' weiterleiten. So können z. B. Nachrichten an die CPU 4 mit einer Sendefrequenz f_a' kleiner als die Empfangsfrequenz f_a gesendet werden, was die CPU 4 entsprechend stark von Interrupts entlastet, gerade auch in zyklischen Systemen. Für eine solche weitgehende Entlastung der CPU 4 ist der Bandbreitenadapter 16 in Hardware im EFS implementiert. Frames werden dabei nicht ver­ ändert. Der Bandbreitenadapter 16 kann bei Bedarf auch mit einer Sendefrequenz f_a' größer als die Empfangsfrequenz f_a Nachrichten weiterleiten, damit diese z. B. an die gewohnte Frequenz einer nachgeschalteten Komponente angepaßt ist, so daß diese keiner Modifikation auf eine andere Frequenz bedarf.

Der Gateway-Prozessor 5 des EFS vom Extended-Typ kann Frames verändern, neue Frames aus einem oder mehreren eingangenen Fra­ mes zusammensetzen und auch nur Teile von Frames weiterleiten. Dies ist näher in Fig. 8 dargestellt. Dort empfängt der Gateway- Prozessor 5 verschiedene Nachrichten N_a, N_b, N_x mit jeweils zuge­ hörigen Frequenzen f_a, f_b, f_x und generiert daraus eine Nachricht N_c mit der Frequenz f_c, die von den eingehenden Nachrichten N_a, N_b, N_x bzw. den zugehörigen Empfangsfrequenzen f_a, f_b, f_x ver­ schieden sein können. Die Bearbeitung benötigt keine CPU-Res­ sourcen. Auch hier ist es bevorzugt, den Gateway-Prozessor 5 wie gezeigt in Hardware im EFS zu implementieren. Da die Konfigura­ tion des Gateway-Prozessors 5 statisch erfolgt, ergibt sich eine Beschränkung bezüglich der Durchführung komplexerer oder von un­ terschiedlichen Umständen abhängiger Frame-Operationen. In zy­ klischen und ereignisgesteuerten Systemen trägt der Gateway-Pro­ zessor 5 sehr stark zur Entlassung der CPU 4 bei. Alternativ kann der Gateway-Prozessor in Software und damit zur CPU 4 gehörig implementiert sein.

Eine Basisimplementierung des automobilspezifischen EFS ist in Fig. 9 dargestellt, wobei alle in dieser Implementierung vorkom­ menden Datenströme berücksichtigt sind und die an den Daten­ strompfeilen angegebenen Zahlen die Anzahl möglicher Kanäle an­ geben. Dieses Basismodell umfaßt die in Fig. 6 gezeigten Einhei­ ten einschließlich dem jeweils zugehörigen Kanal.

Fig. 10 zeigt eine erweiterte Implementierung des EFS, bei der über die Basisanforderungen gemäß Fig. 9 hinaus auch der Einsatz von weiteren Systemschnittstellen, wie z. B. der Anschluß eines D²B-Optical und einer einfachen seriellen Schnittstelle berück­ sichtigt ist. In Fig. 10 sind die zugehörigen Datenströme und die Anzahl ihrer Kanäle angegeben. Diese erweiterte Implementie­ rung umfaßt ebenfalls alle in Fig. 6 wiedergegebenen Komponen­ ten, jedoch ist im Unterschied zu den mehrfach vorkommenden CAN- Schnittstellen bei den einfach vorkommenden Schnittstellen, wie D²B und serielle Schnittstelle, keine Bridge-Funktion vorgese­ hen. Durch die Punkt-zu-Punkt-Verbindung bei der seriellen Lei­ tung kann hier auch auf den Einsatz des Null-Devices 15 und des Bandbreitenadapters 16 verzichtet werden.

Die vorstehende Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbei­ spiels zeigt, daß sich die erfindungsgemäße Prozessoreinheit zur Generierung einer offenen und skalierbaren Familie solcher Stan­ dard-Fahrzeug-Prozessoreinheiten eignet, von denen jeweils die in ihrer Leistungsfähigkeit und ihren Funktionalitäten am besten an das jeweils im Fahrzeug vorhandene elektronische Steuerungs­ system angepaßte Prozessoreinheit als übergeordnetes Steuergerät in einem solchen Steuerungssystem eingesetzt werden kann, so daß einerseits alle an das System gestellten Anforderungen optimal erfüllt werden und andererseits die übrigen Steuergeräte ver­ gleichsweise einfach und im wesentlichen in herkömmlicher Weise ausgelegt sein können.

Claims (4)

1. Prozessoreinheit für ein datenverarbeitungsgestütztes elek­ tronisches Steuerungssystem in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß sie in ihrer funktionalen Struktur eine skalierbare Rechenein­ heit (1) und eine Fahrzeug-Schnittstelleneinheit (2) als separa­ te Strukturkomponenten beinhaltet.

2. Prozessoreinheit nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß sie in ihrer funktionalen Struktur einen Kommunikations-Copro­ zessor (3) als dritte separate Strukturkomponente zur Ausführung von Datenkommunikationsvorgängen zwischen der skalierten Rechen­ einheit (1) und zugehöriger Peripherie beinhaltet.

3. Prozessoreinheit nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Kommunikations-Coprozessor (3) in seiner funktionalen Struk­ tur als eine Strukturkomponente einen Bandbreitenadapter (10) beinhaltet, mit dem eingehende Nachrichten (N_a) mit einer von der Empfangssequenz (f_a) verschiedenen Sendefrequenz (f_a') weiter­ leitbar sind.

4. Prozessoreinheit nach Anspruch 2 oder 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Kommunikations-Coprozessor (3) in seiner funktionalen Struk­ tur als eine Strukturkomponente einen in Hardware ausgeführten Gateway-Prozessor (5) beinhaltet.