CN111937352B - 经由通信信道传输数据的方法、设备、接口及存储介质 - Google Patents
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Abstract
经由通信信道传输数据的方法，其中用传输帧传输数据，其中传输帧具有用于设定讯息的优先级的至少一个优先级排序字段和数据字段，其中优先级排序字段用于通过对讯息进行优先级排序来调节总线访问。为此使用总线访问控制，在总线访问控制中将至少上一次接收到的数据包的优先级存储在最低优先级存储单元中。在接收到数据包之后启动计时器，为计时器设置至少一个超时值，在接收到后续包时再次将计时器复位。在达到超时值后，递减最低优先级存储单元中存储的值。然后为了进行总线访问控制在发送包时检查要发送的包的优先级是否小于最低优先级存储单元中存储的值，并且如果所述包的优先级小于存储在最低优先级存储单元中的值，则阻止发送所述数据包。
Description
技术领域
本发明涉及经由总线系统联网的电子组件之间的数据传输的技术领域，其中所述电子组件特别是控制设备、传感器和致动器。这种控制设备被广泛用于机动车辆中。被联网的控制设备、传感器和致动器也用于其他技术领域中，例如自动化技术、过程技术等中。但是，本发明不限于有线数据传输，而是也可以在无线数据传输系统中使用。本发明同样涉及相应设计的通信接口和相应设计的计算机程序。
背景技术
在现代运输工具中安装了大量的控制设备。单单针对传动系就使用了一定数量的控制设备，例如发动机控制设备、变速器控制设备、ESP控制设备等。还要提及的是负责底盘区域中的调节的控制设备类别。这些是用于电子底盘设置的控制设备，或者用于行驶动力学调节的控制设备，或者是充当转向助力器的控制设备，例如取决于速度的伺服转向装置。此外还存在安装在车身区域中并且负责特定的舒适性功能的其他控制设备。作为示例提及：门或窗升降器控制设备、空调器控制设备、座椅调节控制设备、安全气囊控制设备等。然后还存在属于信息娱乐领域的控制设备类别，如用于环境监视的相机控制设备、导航设备、RADAR或LIDAR设备、通信模块和具有电视、广播、视频和音乐功能的娱乐模块。
技术上存在一种趋势，即未来应将IPv6或IPv4形式的IP通信越来越多地用于控制设备的运输工具内部联网。在此，传输长度可以为多达64kByte的IP包。尽管所述IP包可以分段传输，但IP通信的使用要求使用可以传输足够大的讯息的总线技术。
典型地，不同类别的控制设备分别与为所述设备类别而相应设计的单独总线联网。因此，可在运输工具中使用多个不同的总线系统。这些不同的总线系统在此可以经由网关相互连接，以实现数据交换。在传动系控制设备领域中典型地使用CAN总线，在舒适性控制设备领域中同样如此。在信息娱乐领域中也使用到其他总线系统，如基于以太网技术的总线系统。也可以使用其中经由光波导体进行数据传输的总线系统，作为示例提及：MOST总线（Media Oriented System Transport（媒体导向系统传输））或D2B总线（DomesticDigital Bus（家用数字总线））。
在控制和调节技术领域的运输工具和其他系统中，越来越多地使用基于以太网的联网技术。以太网总线系统起源于计算机联网的早期，并且是在1970年代后期由Palo Alto研究中心Xerox PARC所开发。自1980年以来，电气和电子工程师协会（IEEE）已负责以太网的维护和进一步开发。工作组802负责以太网。因此，与以太网相关的标准用802开头来标记（例如IEEE 802.1，IEEE 802.2，IEEE 802.3等）。
在此，以太网的一大优点在于，存在可用于传输多种有用数据、如视频/音频数据等的完成好的协议，并且目前支持大量物理介质，这些物理介质也允许在机动车辆中使用。由于这些物理介质与传输协议无关，因此也可以毫无问题地开发其他传输技术并适配于来自汽车行业的要求。
在以太网网络中，在正常情况下以相同的优先级处理所有消息。然而，在运输工具网络中，存在需要非常短的通信等待时间的通信连接。与此相对，其他连接仅具有非常低的等待要求。
已经为机动车辆领域开发了不同以太网变体。首先有IEEE 100BASE-T1和IEEE1000BASE-T1。在此，正向和反向方向的数据传输仅经由双绞线路即可完成。存在物理层块，其可以分别作为自有的模块/芯片装入控制设备（ECU）中。该块在物理介质（网络电缆）和以太网控制器块之间建立连接。
在该以太网变体中，总是只有两个节点连接到总线线路。由此作为拓扑仅提供了点对点连接。可以借助于耦合元件来连接多于两个节点。这里通常使用网络交换机，该网络交换机作为第2层耦合元件允许连接到多个物理连接并且可以独立地在各个分支之间转发讯息。这是机动车辆领域中的以太网总线系统的最大缺点之一，因为它增加了成本。
因此，在机动车辆领域中根据ISO标准的CAN总线（Controller Area Network，控制器局域网）的使用占主导。CAN总线于二十世纪八十年代已被开发，并于1994年标准化。相应的ISO标准具有ISO 11898的编号。该总线在机动车辆领域非常成功，因为它在布线耗费低的情况下具有实时能力。通过分配讯息优先级并在总线仲裁中考虑讯息优先级来确保：优先级最高的讯息始终在总线上占优。但是，缺点是数据速率低，并且如已经提及的那样与IP包的传输相关联的困难。
从US 2008/0175265 A1中已知一种信道访问方案，该信道访问方案既具有多个级别的优先级又具有通过站点网络中的站点来使用的无冲突访问指示符。
从US 6 167 030 A中已知用于控制经由网络连接从信元源传输到网络目的地的数据传输信元的信元优先级的系统和方法。这些是ATM总线系统的ATM信元。
从EP 0 258 604 B1中已知一种令牌环形总线，其中在需要优先级访问时更新令牌的优先级。优先级信令包被发送到环形总线上。该优先级信令包包含接收到的关于令牌应当被更新到的特定优先级级别的信息。
存在以太网标准的扩展，如果网络参与者在某个时刻具有不同等候队列中的多个属于不同通信连接的消息，则通过所述以太网标准的扩展所述网络参与者可以在发送时考虑优先级。这里提到的是以太网变体IEEE 802.1Qxx，其中网络参与者设置了多个发送等候队列，并且在每个发送过程时具有如下可能性：从具有最高优先级的等候队列中选择消息。单独突出强调的是变体IEEE 802.1Qbv，在该变体中说明了一种方法，该方法的工作方式是：在特定数量的消息之后中断具有特定优先级的消息的发送，以便能够以规律的间隔发送具有较低优先级的消息。该方法称为流量整形器（Traffic Shaper）。
在IEEE 802.1Q中，在对讯息进行优先级排序时仅考虑自己的、要从站点发送的讯息。就此而论，发送方要么可以是消息的原始来源，要么可以是网桥，即将消息从一个网络段转发到另一个网络段的网络参与者。在许多情况下，基于以太网的网络被设计为使得一个网络段总是仅由正好一个发送方和一个接收方组成。在此使用大型多端口网桥（也称为以太网交换机），其中利用全双工连接（即每个通信方向都有专用的通信信道）在每个端口上连接正好一个其他网络参与者（终端节点或网桥端口）。对于这种类型的网络设计，通常足够的是：为了以有意义的顺序将消息发到传输介质上而仅在发送方本地考虑优先级。
但是，也有一些网络技术，其中一个网络段中存在多个参与者。特别地，应当支持在机动车辆中已证明适合的线性的总线结构，其中多个控制设备被联网而无需使用网络交换机作为耦合元件。鉴于布线耗费和成本方面，这种总线结构是最佳的。在IEEE组织方面，经改进的10Mbit/s以太网变体被开发，以满足这些点。在此，总线参与者应当共享可用的10Mbit/s带宽。新的传输协议也应当是有实时能力的。同时，它应当能够分布式管理。这意味着不必为该网络的所有参与者提供相同的配置。由此明显降低了开发耗费。就此而论，开发了10Mbit/s以太网衍生物IEEE 802.3cg，其中所有参与者都连接在共用的电气总线线路上。但是即使在这种变体中，仍然存在如下难题：在不发生总线访问冲突的情况下考虑遍及整个网络段的讯息的优先级。在所有参与者使用相同频率的无线电网络中也存在相同的难题。
发明内容
本发明的目标是避免在具有线性总线结构的网络领域中以及在无线网络中引入IP通信的情况下描述的缺点。特别地，必须实现对要传输的讯息进行优先级排序。
该任务通过根据本发明的用于经由通信总线传输数据的方法，根据本发明的用于执行所述方法的设备，根据本发明的相应设计的通信接口以及根据本发明的相应设计的计算机程序来解决。
该解决方案在于，经由通信信道传输用传输帧传输数据，其中所述传输帧具有至少一个用于规定讯息优先级的优先级排序字段和数据字段，其中所述优先级排序字段用于通过对讯息进行优先级排序来调节总线访问。该解决方案以此而出众：使用总线访问控制，在所述总线访问控制中将至少上一次接收到的数据包的优先级存储在最低优先级存储单元中，其中在接收到该包之后启动计时器，为所述计时器设置超时值。在接收到后续包时，再次将所述计时器复位。如果产生发送暂停，则超出所述超时值。在达到所述超时值之后，发生所述最低优先级存储单元中存储的值的递减以进行总线访问控制。此外，为了进行总线访问控制在发送包时在发送站中检查要发送的包的优先级是否小于所述最低优先级存储单元中存储的值，并且如果该包的优先级小于存储在所述最低优先级存储单元中的值，则阻止发送所述包。优点在于，通过逐渐降低所述最低优先级存储单元中的值，在先前周期中无法执行总线访问的参与者将有越来越大的机会传输其在等候队列中排队的数据包。由此减少了出现的等待时间，使得所述传输方法也可以用于时间关键的应用。
与这些措施的以下描述相应地阐述本发明的有利扩展和改进。
在优选的变体中，将存储在所述最低优先级存储单元中的值分别递减了值“一”。在该变体中，可以最好地模拟和预测通信系统的行为。
在另一种变体中，在达到所述超时值两次或更多次之后逐步增加递减值。由此实现：低优先级讯息在发送暂停中更快地得到机会并更早地被传输。在此在该实施变体的一种特殊形式中，在相应达到超时值之后，将递减值逐步增加值“一”。
在另一种变体中，代替在超过所述超时值时递减存储在所述最低优先级存储单元中的值而发生：将存储在那里的值复位为零值或其他最小值。根据该变体，可以在发送暂停中还要更快地传输低优先级讯息。
在该方法的其他构型方案中，在接收到数据包时发生：将较高的优先级值、特别是最大优先级值而不是所接收的数据包的优先级值存储在所述最低优先级存储单元中。由此，在总线访问时特别是优先考虑高优先级讯息。
最后，通过其他措施可以实现：在高负载时还是传输原本必须等待很长时间才能传输的低优先级讯息。为此，在发送站中将必须在等候队列中等待特定数量的传输周期但仍未传输的数据包的优先级值简单地设置为更高的值。
另一个优化方案规定：提高所使用的优先级的值范围，并将所述网络设计为，使得不存在任何两个网络参与者以相同的优先级进行发送。由此可以在该网络设计中规定总是优先考虑相互竞争的通信参与者之一。
对于用于执行所提出的方法的相应设计的设备和相应设计的通信接口而言，适用如在相应方法步骤的上下文所解释的相应优点。
这同样适用于相应设计的计算机程序，该计算机程序在计算单元中执行时实施所提出的用于传输数据的方法的步骤。虽然硬件成本在机动车辆领域中起着核心作用，使得这里主要使用由单独的网络控制器支持的性能较低的微控制器，其中在这些网络控制器的情况下数据传输协议通过专用硬件实现。在其他领域，例如在用于自动化技术或过程技术的现场总线领域，也使用性能更强大的微控制器，针对这些微控制器于是还可以考虑用于实现扩展的数据传输协议的软件解决方案。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例，并且下面基于附图进一步解释本发明的实施例。其中：
图1示出了具有用于传动、底盘和驾驶员辅助领域的机动车辆电子组件的运输工具；
图2示出了用于传动、底盘和驾驶员辅助领域的运输工具车载网络的框图；
图3示出了用于驾驶员辅助领域的运输工具车载网络的框图；
图4示出了PLCA避免冲突方法如何工作的图示；
图5示出了根据IEEE 802.1Q规范的以太网帧的详细传输帧格式；
图6示出了如何可以使用讯息优先级以用于控制总线访问的第一实施例；
图7示出了如何可以使用讯息优先级以用于控制总线访问的第二实施例；以及
图8示出了如何可以使用讯息优先级以用于控制总线访问的第三实施例。
本说明书阐明了本发明公开的原理。因此，应当理解，本领域技术人员将能够设计如下各种布置，尽管这里没有明确描述这些布置，但是这些布置体现了根据本发明公开的原理并且应该在其范围内同样受到保护。
具体实施方式
图1示出了具有各种电子组件的运输工具10。示出的是载客汽车Pkw。但作为运输工具也可以考虑任意其他运输工具。其他运输工具的例子是：公共汽车、商用运输工具、特别是载货汽车Lkw、农业机械、建筑机械、摩托车、轨道运输工具等。本发明通常可用于陆地运输工具、轨道运输工具、水上运输工具和空中运输工具。本发明主要用于运输工具领域。但是，与CAN总线一样，也可以考虑在现场总线领域中，即在自动化技术、过程技术等等中使用。现代机动车辆中使用了大量电子控制设备。在图1中示出了一些控制设备和传感器的联网。在此，对三种不同类别的控制设备进行区分。一个类别的控制设备分别单独联网。相应的通信总线经由中央网关控制设备140连接。用于驾驶员辅助领域的控制设备类别的控制设备经由总线102联网。与之连接的控制设备是驾驶员辅助控制设备111、RADAR设备112和超声传感器控制设备113。在此，RADAR设备（对应于无线电检测和测距）用于实现雷达巡航控制或实现距离警告或碰撞警告设备。为此也可以补充地或替代地使用LIDAR设备（对应于光检测和测距）。
用于传动系的控制设备类别的控制设备经由总线104联网。与之连接的控制设备是发动机控制设备121、ESP控制设备122和变速器控制设备123。此外，车轮转速传感器124至127也与总线104连接。用于底盘领域的控制设备类别的控制设备经由总线106联网。与之连接的控制设备是底盘控制设备131和转向辅助控制设备122。
图2示出了在传动、底盘和驾驶员辅助领域中的机动车辆电子设备的相应框图。图2中相同的附图标记表示与图1中相同的组件。三个分开的通信总线102、104、106被实施为线性总线。在此，可以根据那里联网的控制设备的需求来设计用于通信总线102、104和106的总线协议。例如可能有意义的是，为底盘领域设计的通信总线106具有比两个通信总线102和104更高的数据速率。例如在舒适性特征、即坑洼识别中，必须非常迅速地对与底盘相关的传感器信号作出响应，以便能够相应地适配阻尼器设置。
为了在连接到不同通信总线102、104、106的参与者之间交换数据的目的而设置网关140。该网关与所有这三个不同的总线系统102、104和106连接。网关140被设计为转换该网关经由其中一个通信总线接收的数据包，使得所述数据包可以以另一个通信总线的传输格式在那里被转发。如所示的，作为中央设备的网关140不仅连接到总线102、总线104还连接到总线106。因此，如果应当在不同总线系统之间交换数据，则所述网关进行所有必要的格式转换。
如开头提及的，应当使用也能够实现根据IPv4或IPv6协议来传输数据包的通信总线。为此，使用以太网标准系列的变体本身就是有意义的。这里存在可以使用的现成的传输协议，如IP（互联网协议）、UDP（用户数据报协议）、RTP（实时传输协议）和TCP（传输控制协议）。于是将这些传输协议所涉及的开发耗费保持在限制范围内。以太网网络技术尽量地与IEEE标准802.3相应。为了在机动车辆中使用该技术，如已提及的，在本发明的上下文中变体IEEE 802.3cg是特别令人感兴趣的。因此，在本发明公开内容的上下文中，明确参考该规范。
作为物理传输介质使用双绞线路，在所述双绞线路上施加对称的差分电压以用于传输信息。电压表示发送方根据期望的位流产生（编码）的符号。接收方再次使用所产生的符号流来重新获得（解码）所包含的位。
物理层特别有吸引力的是，能够以10Mbit/s在UTP电缆（具有无屏蔽的双绞线的电缆，对应于英语：unschielded twisted pair）上传输信息。
与用于100Mbit/s和1Gbit/s的现有标准不同，使用共同使用的传输信道（共享介质）。这意味着在一时间点仅仅最多允许一个网络参与者进行发送（见图）。
由于上文已经描述的原因，用于底盘领域的通信总线106根据IEEE 802.3cg变体来设计，并且另外这两个总线102和104也可以要么根据该变体来设计要么根据变体IEEE100BASE-T1或IEEE 1000BASE-T1之一来设计。下面假设通信总线102也根据变体IEEE802.3cg设计。
在图3中更详细地示出了借助于根据本发明的通信总线将电子组件联网的原理。作为示例示出了用于驾驶员辅助领域的通信总线102。所有控制设备111至113都连接到通信总线102。还有网关140（不再示出）也同样连接到通信总线102。通信总线102的总线结构是线性的。已经提到的未屏蔽的双绞UTP线路用作总线线路。
网络参与者典型地至少由其上有应用软件运行的微控制器24和通信接口组成。基于以太网的网络接口由PHY（物理层）和MAC（媒体访问控制器）部分组成。PHY块负责将来自所述MAC部分的数字包转换为经由所述传输介质传输的数字信号。PHY块通常实现为单独的芯片。MAC块同样可以实现为单独的芯片。此外，PHY控制对所述传输介质的访问，其方式是PHY负责使两个参与者永远不会尝试同时写入所述传输介质。
在图3的示例中，在每个控制设备111至113中还存在物理层芯片22，该物理层芯片22还与总线适配电路21连接以连接至总线线路。附图标记23表示以太网MAC层芯片（MediaAccess Controller（媒体访问控制器）），其也被称为网络控制器。用附图标记24表示微计算器，其上安装有应用软件作为主机IC。其他网络协议也安装在该微计算器24上。以太网MAC帧由以太网MAC层提供。所属的网络协议栈安装在微计算器24上。
MAC 23由要传输的数据生成以太网数据帧，并且一旦PHY 22用信号通知其拥有写入所述传输介质的权利时就立即将所述以太网数据帧逐位（典型地为四个位并行地）传递给PHY 22以进行传输。其他参与者的消息被PHY 22读取，并且被逐位地传输到MAC芯片23。MAC 23据此来组装接收到的以太网数据帧，并决定该包是否是特定用于该MAC 23的并且必须被进一步处理还是可以被丢弃。以太网通信的第二层为经调节的数据传输提供了重要的基本功能。除了统一的讯息结构之外，这还包括对参与者的寻址和总线访问方法。在硅芯片实现方案SoC中，所有块21至23可以一起集成在微控制器24中。
现代MAC实现方案拥有多个具有不同优先级的发送和接收等候队列。MAC 23内的调度器确定如下等候队列，从所述等候队列中取出第一元素以便传输。为此将严格优先级调度器用于实时系统，例如运输工具中的控制和调节系统。这导致具有最高优先级的消息始终被首先传输，并且只有当等候队列中不再有高优先级包时才传输来自具有下一个较低优先级的等候队列的包。
PHY负责对共同的传输介质进行写访问。为了避免在多个参与者同时对所述传输介质进行写访问权时产生的冲突，需要冲突避免方法。PLCA（PHY Level CollisionAvoidance（PHY层冲突避免））方法用于在10Mbit/s汽车以太网中的使用。在该方法中，每个参与者都拥有专用的时间窗口，在该时间窗口中仅允许该参与者发送数据。如果发送过程已完成或该参与者未在预先确定时间内开始发送，则轮到队列的下一个参与者。在所有参与者都有机会发送帧之后，通信周期重新开始。该过程在图4中示出。
在图4中，不同的发送时间窗口302、304、306、308并排布置（包编号＃1至＃4）。一行对应于一个通信周期。在一个通信周期中，参与者可以按照循环方法相继进行访问。但是在此，最大包长度受到限制。在该图中示出了三个通信周期310、312、314。在发送时间窗口之间存在经限定的长度的暂停316，从所述暂停可以识别出先前的发送已经完成。发送时间窗口302、304、306、308的持续时间取决于所传输的数据量。如果网络参与者没有发送数据，则接连地出现多个暂停316。这种类型的访问方法称为公平访问，因为该网络的所有参与者都具有相同机会来发送包。
在PLCA方法中只能在本地实施优先级，而不能全网络实施。这意味着，如果在该站点中有多个具有不同优先级的包可用以准备发送，则MAC芯片23可以确保始终首先传输具有最高优先级的包。但是可能发生的是，其他参与者以低优先级的包阻塞共用的传输介质。由于该访问方法如上所述是公平的，因此所有参与者都具有发送包的相同权利，而不管其优先级有多高。
这种行为对于诸如运输工具中的控制和调节系统这样的实时系统来说具有明显的缺点。对于实时相关数据始终都要说明最大允许等待时间。因此，需要一种访问方法，利用该访问方法可以确保即使在网络负荷高的情况下也可以在规定的时间内将较高优先级的包送达（遵守“最坏情况等待时间”），。
图5首先示出了传输帧格式，该格式也在以太网总线变体IEEE 802.3cg的情况下使用。示出了所谓的标记的MAC帧，其在运输工具领域是优选的。在下方部分示出了在该变体情况下的以太网包格式。前两个部分“前导符”和“SFD”在此只是以太网包的一部分。真正的以太网帧（也称为以太网MAC帧）在此之后才开始。为了传输所述以太网帧，以太网PHY在开始添加了前导符以及起始帧定界符（SFD）。在IEEE 100BASE-T1的情况下，所述前导符以及起始帧定界符用于用信号通知传输开始，即用于上面提到的同步。以太网MAC帧由如下字段组成：MAC报头、MAC有效载荷和CRC字段。MAC报头由用于目的地地址、源地址、VLAN标记和以太网类型的部分组成。在目的地地址和源地址的部分中分别录入目的地和源的MAC地址。利用类型字段、即以太网类型来对基本MAC帧和标记的MAC帧之间进行区分。该类型字段通常标识包含在有效载荷区域中的包，并由此提供有关在更高层中使用的协议（例如IPv4，IPv6）的情报。在标记的MAC帧的情况下，在字段“VLAN标记”中开始是VLAN标识（例如0x8100）。如果存在该VLAN标识，则将类型字段“以太网类型”向后移四个字节，并在其原始位置将VLAN标记插入。
VLAN标记由协议标识符（TPID）（与VLAN标识相应）和控制信息（TCI）组成。TCI由优先级（PCP）、丢弃适当性指示符或规范格式指示符（DEI或CFI）以及标识符（VID）组成。在汽车行业中，主要使用标识符VID和优先级字段PCP。标识符VID标识用于不同应用领域的相应虚拟网络。所述优先级允许通过网络交换机来优化运行时间，从而可以优先转发重要信息。在所示示例中，所述优先级字段仅具有3位的长度。如果使用了不同于IEEE 802.1Q中所描述的消息格式，则也可以将所述优先级字段设计为更大长度。长度为10位时，可以表示从0到1023的优先级分级。
在以太网帧（MAC有效载荷）的有用数据区域中可以传输具有可变长度的信息。在标记的MAC帧情况下，有效载荷字段的最小长度为42个字节。在根据IEEE 100BASE-T1规范的变体情况下，有效载荷字段中甚至可以包含多达1500个字节。
在MAC帧末尾的CRC字段中传输CRC校验和。所包含的值是借助于标准化算法计算的，该算法在发送方和接收方中被相同地实施。所述计算是利用以太网MAC帧的所有字段进行的并且因此可以保护整个讯息。
图5的中间部分中示出了大小为1500个字节的IPv6包的格式。该IPv6包在以太网MAC帧的有用数据字段中有完整的空间。
此外示出了与用户数据报协议相对应的UDP包。该UDP包的长度为1460个字节，并且在IPv6数据包的有用数据字段中有完整的空间。
在同一申请人的较早的专利申请DE 10 2017 130 547.5中描述了一种在总线访问时还考虑包优先级的方法。每个所传输的数据包都包含优先级信息。以太网标准IEEE802.1Q为此设置了3位的值。在图5中，用于优先级的3位字段用PCP表示。在以下示例中假设3位值。值0对应于最低优先级，值7对应于最高优先级。
每个参与者都观察传输介质208上的数据，并存储上一个通信轮次的最高观察到的优先级值。这意味着：如果允许参与者在时间窗口n中发送，则该参与者评估来自上一个通信周期的自n+1起的时间窗口的优先级信息以及来自当前通信周期的直至n-1为止的时间窗口的优先级信息。在该申请中，由该参与者最后发送的包的优先级信息被存储在PHY芯片22中的存储单元中。在该方法的有利实现方案中，PHY芯片22基于以下假设：下一个通信周期中的优先级与上一个周期中的优先级相同。当要传输的消息被划分成多个较小的包以用于传输时，该假设尤其正确。在此，PHY芯片22仅在自己选择的包的优先级与另一通信参与者的最高观察到的优先级恰好一样高或更高的情况下才发送自己的数据包。如果自己的包的优先级较低，则该PHY芯片22放弃发送的权利，并且因此不会以低优先级的包而阻塞共用的通信信道。如果网络中所有参与者都遵守该规定，则高优先级的消息可以被传输而不会被低优先级的包中断。
下述方法不取决于实际使用的物理传输介质，并且可以用于各种速度以及既可以用于有线传输又可以用于无线传输。
该方法假设网络中的每个参与者在技术上都能够观察其他参与者的发送（接收）。具有这些属性的网络称为广播介质。
在网络段中被传输的每个消息都拥有优先级信息，例如根据IEEE 802.1Q。所有网络参与者都会根据在所述传输介质上传输的所有消息来评估所述优先级信息。每个参与者都拥有存储单元，在该存储单元中存储了当前允许的最低优先级。在每次接收到消息时以及由于计时器到时而更改或更新该存储单元的值。然而，与在DE 10 2017 130 547.5中提出的方法不同，所述存储单元被布置在MAC芯片23中。这具有就根据数据通信的OSI/ISO层模型来处理数据包而言的很大优点。
如果网络参与者想要发送具有特定优先级的消息，则其必须首先检查要发送的消息的优先级是否等于或大于允许的最低优先级的当前值。（一旦物理层的总线访问方法用信号通知所述传输介质可用）可以立即发送具有相同或更高优先级的消息。具有较低优先级的消息将被保留，直到允许的最低优先级的值下降到允许发送的水平为止。图6示出了该方案。
在上方的行中示出了先后传输的数据包。对于每个包说明分配给该包什么样的优先级。用于最低优先级的存储单元在图6中用附图标记330来表示。图6的下方部分示出了在针对允许的最低优先级的值的存储单元中的相应条目。如所描述的，在那里分别录入了最后接收的数据包具有什么样的优先级。在通信开始时，存储单元330中的值被设置为零。如果在所述传输介质上观察到优先级为1的消息，则该值被更新为1。当在图6所示的示例中观察到优先级为2至4时发生相同的事情。随着每次接收到消息，计时器320（时间计数器）都被复位。然后，该计时器启动并在接收到新的包时再次被复位。图6示出了计时器320启动四次并且在达到超时值之前再次被复位。可以在其他存储单元322中对所述超时值进行编程。如果计时器320在较长的时间段内未被复位，即超过了所设置的超时值，则允许的最低优先级的值复位为0。然后，由此可以发送优先级较低的消息（在该示例中，其后是优先级为2的包）。为了简化图示，将可能的优先级数量限制为4。但是，在实际的实现方案中可以将所述值实现为多达优先级7，或者在扩大字段PCP的情况下实现任意多的优先级。用于计时器和超时值的存储单元320和322同样位于MAC芯片23中。
在图6所示的实现方案中，在超过所述超时值之后，最低优先级的值降回到零值。如果在这种情况下多个网络参与者都有准备发送的消息，则任一参与者都将作为第一个来发送消息。这不一定是想要发送高优先级消息的参与者。具有低优先级的参与者可能首先进行发送，而具有高优先级消息的参与者则必须等待。如果在具有低优先级的消息之后另一个参与者发送具有较低的或仅稍高的优先级的另一条消息，则该状况可能会重复出现。该行为称为优先级反转，并且可能在从高优先级变更为低优先级时导致对于高优先级消息而言难以预测的延迟。因此，下面描述的方法的变体规定，在超过超时之后不将优先级设置为0，而是仅将其递减了特定的值。
该变体在图7中示出。在图7中描述的实现方案中，在超过超时的情况下，将该值恰好递减值“一”。在两倍的时间之后，使其先减小值“2”，然后减小“3”，依此类推。由此逐步将允许的最低优先级的值减小到值“零”。
在图7中示出了具有两个发送方的系统。在所示的消息序列开始时，发送方S2发送优先级为1的消息。然后，S1和S2同时尝试发送消息（其优先级等于或大于允许的最低优先级）。所使用的总线访问方法确保仅实际发送这两个消息之一。另一个消息将推迟到之后的时间点。与以太网相关联地，为此可以使用较旧的CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）或上面提到的PLCA方法。
在图7中的允许的最低优先级的值达到值4之后，两个站点S1和S2同时尝试发送优先级为3和1的消息。由于逐步减小允许的最低优先级，S1可以在超过超时之后发送其优先级为3的消息，而来自S2的发送期望则将继续被所描述的设备抑制。在重新超过超时两次之后，其中允许的优先级值被分别递减值“1”，S2才可以发送优先级为1的消息。如果在等待时间期间出现了优先级为2或更高的消息，则所述消息可能会进一步延迟站点S2的发送时间点。优先级为1的其他消息可能是造成这种情况的原因，因为在访问总线时再次发生竞争状况。图7中示出了相继两次地超过超时值。为了实现这一点，可以在网络控制器芯片23中设置其他存储单元324、326、328，在其中录入以下超时值，在所述超时值时应当分别进行递减。
如果多个网络参与者都想要在特定时间点发送优先级等于或大于允许的最低优先级的消息，则在迄今描述的两种变体中都会出现无法预测的竞争状况（竞赛条件），所述竞争状况只能通过总线访问方法解决。由此会产生只能非常不精确地预测的时间行为。
因此，下面还描述了另一种变体，其在图8中示出。这种变体规定：在接收到消息之后，在存储单元330中的允许的最低优先级的值不被设置为接收到的消息的值，而是总是被设置为最大可能值。仅通过超过或多次超过所述超时值来减小该值。
这导致在接收到任何优先级的消息之后，首先仅允许发送具有最高优先级的消息。只有在等待一次或多次连续超过超时值且因此已确保了不存在准备发送的高优先级消息的情况下，才能发送较低优先级的消息。图8示出了该行为。在接收或发送第一包之后，存储单元330被设置为值“四”。站点S2可以进行发送。存储单元330保持在值“四”。在发送暂停之后，超过了超时值P1。然后递减。在存储单元330中录入值“三”。在传输了优先级为3的包之后，再次录入值“四”。然后先后超过了超时值P-1和P-2。存储单元330中的条目下降到值“二”。优先级为2的包被传输。然后接着是更长的暂停，其中超时值P-1至P-2被超过了三次。由此存储单元330中的条目下降到值“一”。经过较长的等待阶段后，仍会传输优先级为1的包。
通过应用图7中所示的方法，可以确保始终以最小可能的等待时间发送高优先级的消息。所述等待时间仅根据具有相同优先级的其他发送方的发送行为以及随机地在所述传输介质上且必须等待其结束的任意消息的传输时间而得出。为了考虑优先级较低的消息的等待时间，必须考虑相同优先级和所有较高优先级的发送行为。
在根据图6或图7的实施方案中，可以利用最大可用带宽来实现相同优先级的消息的长序列。在根据图8的实施方案中，这仅对于最高优先级是可能的。对于较低的优先级，在消息之间必须总是进行暂停以用于递减允许的最低优先级的值。由此减少了对于低优先级消息的可用带宽。
如果多个参与者同时尝试发送具有相同优先级的消息，则这里提出的方法将产生难以预测的行为。在这种情况下，通过总线访问方法来调节在通信介质上出现的消息的实际顺序。如果将CSMA/CD用作访问方法，则在同时访问（冲突）的情况下可能会出现非常高且难以预测的等待时间。PLCA访问方法可以更好预测。但是，必须总是假设：所涉及的网络参与者可能在所有进行竞争的参与者中作为最后一个来进行发送。
在本发明的一种扩展中可以规定，增加所使用的优先级的值范围并将所述网络设计为，使得没有两个网络参与者以相同的优先级进行发送。由此，可以在网络设计中设定总是优先考虑进行竞争的通信参与者之一。利用10位的优先级字段，例如可以实现1024个优先级。
在这里提出的方法（所有变体）中可能会发生的是，具有较低优先级的消息永远不会得到被发送的机会，因为在必要的等待时间内总是可能一再地发生：具有较高优先级的消息被传输并且然后重新开始等待时间。
为了解决这个问题，这里还提出了另一种优化方案。该方案在于自动地提高在较长的时间段内不能被发送的消息的优先级。
取决于所需要的网络行为而有意义的是：支持该方法的所显示的所有选项并在设计网络时配置这些选项。所述一个或多个超时值应是可设置的。应当可以设置递减的步幅。在根据图6和图7描述的示例中，步幅为1。较大的步幅可以减少对于具有低优先级的消息的等待时间，但是可能导致步数极限内的优先级反转。利用基于人工智能的算法，可以分别或周期性地估计并适配所述步幅，以实现优化的网络行为。特别是在软件解决方案的情况下可以很好地实现该扩展方案。
所描述的方法可以被实现为MAC芯片23内的数字电路或包含所有组件21、22、23和24作为SoC（片上系统）的芯片。存储单元330和具有存储单元322至328的计时器320也布置在MAC块23中。然而，也可以将该方法实现为软件形式的算法。为此，在每次接收到消息时都必须执行该算法，而不管该消息是否特定用于相应的网络参与者。
本公开不限于这里描述的实施例。存在本领域技术人员基于其专业知识可以考虑以及属于本公开的各种适配和修改的空间。
应当理解本文提及的所有示例以及有条件的表述不限于这些具体列举的示例。因此，例如本领域技术人员将理解，这里示出的框图是示例性电路装置的概念图。以类似的方式可以看出，所示出的流程图、状态转换图、伪代码等代表了用于表示如下进程的不同变体，这些进程基本上存储在计算机可读介质中，并且因此可以由计算机或处理器执行。
应当理解，可以以硬件、软件、固件、专用处理器或其组合的各种形式来实现所提出的方法和所属的设备。专用处理器可以包括专用集成电路（ASIC）、精简指令集计算机（RISC）和/或现场可编程门阵列（FPGA）。所提出的方法和设备优选地被实现为硬件和软件的组合。该软件优选地作为应用程序安装在程序存储设备上。其典型地是基于具有硬件的计算机平台的机器，例如一个或多个中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和一个或多个输入/输出（I/O）接口。操作系统典型地也安装在所述计算机平台上。这里描述的各种过程和功能可以是应用程序的一部分，或者其一部分可以通过操作系统执行。
附图标记列表
10 运输工具
21 总线适配电路
22 扩展的以太网PHY块
23以太网MAC块
24 微计算器
100 机动车辆电子设备
102 数据总线-驾驶员辅助
104 数据总线-传动
106 数据总线-底盘
111 驾驶员辅助控制设备
112 RADAR控制设备
113 超声传感器控制设备
121 发动机控制设备
122 ESP控制设备
123 变速器控制设备
124 车轮转速传感器
125 车轮转速传感器
126 车轮转速传感器
131 底盘控制设备
132 转向辅助控制设备
140 网关
302-308 发送时隙
310-314 通信周期
316 等待时间
320 计时器
322-328 用于超时值的存储单元
Claims (12)
1.用于经由通信信道（106）传输数据的方法，其中用传输帧传输所述数据，其中所述传输帧具有至少一个用于规定讯息优先级的优先级排序字段（PCP）和数据字段，其中所述优先级排序字段（PCP）用于通过对所述讯息进行优先级排序来调节总线访问，其特征在于，使用总线访问控制，在所述总线访问控制中将上一次接收到的数据包的优先级作为允许的最低优先级而存储在最低优先级存储单元（330）中，其中在接收到包之后启动计时器（320），为所述计时器设置至少一个超时值，在接收到后续包时，再次将所述计时器复位，并且其中在达到所述超时值之后，递减所述最低优先级存储单元（330）中存储的允许的最低优先级的值，以及其中为了进行总线访问控制在发送包时检查要发送的包的优先级是否小于所述最低优先级存储单元（330）中存储的允许的最低优先级的值，并且如果所述包的优先级小于存储在所述最低优先级存储单元（330）中的允许的最低优先级的值，则阻止发送所述包。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将存储在所述最低优先级存储单元（330）中的允许的最低优先级的值分别递减了值“一”。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在达到所述超时值两次或更多次之后逐步增加递减值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在相应达到所述超时值之后，将所述递减值逐步增加了值“一”。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，代替递减存储在所述最低优先级存储单元（330）中的允许的最低优先级的值，将存储在那里的允许的最低优先级的值复位为零值或其他最小值。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在接收到数据包时，将比所接收的数据包的优先级值更高的优先级值而不是所接收的数据包的优先级值存储在所述最低优先级存储单元（330）中。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，将必须在等候队列中等待特定数量的传输周期但仍未传输的数据包的优先级值设置为更高的值。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述至少一个超时值、递减步幅和/或复位值被设计为能以可编程方式设置。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，增大优先级分配的值范围，并且将所述优先级分配为使得不存在两个网络参与者发送具有相同优先级的讯息。
10.用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的设备，其特征在于，所述设备具有最低优先级存储单元（330），在所述最低优先级存储单元中至少存储上一次接收到的数据包的优先级，并且所述设备具有计时器（320），在接收到数据包之后启动所述计时器，其中能够为所述计时器（320）设置至少一个超时值，在接收到后续包时将所述计时器复位，并且所述设备具有递减级，所述递减级在达到所述超时值之后对存储在所述最低优先级存储单元（330）中的允许的最低优先级的值进行递减，所述设备具有总线访问控制单元，所述总线访问控制单元在发送包时检查要发送的包的优先级是否小于所述最低优先级存储单元（330）中存储的允许的最低优先级的值，并且如果所述包的优先级小于存储在所述最低优先级存储单元（330）中的允许的最低优先级的值，则阻止发送所述包。
11.通信接口，所述通信接口具有被设计用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法中的步骤的设备。
12.机器可读存储介质，在所述机器可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被设计用于，当在总线接口的计算单元中执行时实施根据权利要求1至9中任一项所述的用于传输数据的方法的步骤。
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