CN1726441B

CN1726441B - Tcet扩展器

Info

Publication number: CN1726441B
Application number: CN2003801064566A
Authority: CN
Inventors: 迪特尔·E·斯塔格尔
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: ATE354820T1; KR20050084077A; AU2003303246A8; US8086771B2; JP2006511856A; DE60312041T2; WO2004057431A3; KR100636513B1; US20060161269A1; JP4594737B2; AU2003303246A1; EP1579279A2; EP1579279B1; CN1726441A; DE60312041D1; WO2004057431A2

Abstract

本发明涉及嵌入式处理系统和电子控制单元(ECU)的领域，并且涉及自治嵌入式计算解决方案。本发明建议从系统的主处理器或控制器中除去或提取应用专用支持功能和相应的I/O子系统、将所述所提取的电路纳入相应数量的ASIC芯片之类内和优选的是将它们通过一个监控通用控制器单元(12)接到多个标准和低价格的处理器(40)上，这些处理器(40)具有为这些ASIC及其多个功能提供足够的计算能力的任务。

Description

TCET扩展器

技术领域

本发明涉及嵌入式处理系统和电子控制单元(ECU)的领域，并且涉及特别用于在道路上的交通工具内实现的远程通信及信息处理技术(telematic)应用的自治(autonomic)嵌入式计算解决方案。

背景技术

本发明可以用于各种技术环境，包括例如机械工具控制的工业控制单元、生产线控制单元、自动ECU、多媒体单元、远程通信及信息处理技术单元、家用电器电子控制单元、商业和工业诊断设备工具，以及用于针对在公路、铁路上、在空中、在水上/下与安全性(security)有关的系统和与安全(safety)有关的系统的自治嵌入式计算解决方案。

在嵌入式处理系统和ECU的领域内，通常以计算机辅助方式执行各种功能。通常，这意味着用一个专用的单或多处理器单元来实现一个特定的功能。这经常是伴随有应用一些相当专门化的昂贵组件，这些组件是专门和小批量生产的，只是为了执行单个应用功能。由于对于多个不同的应用功能都是这样，因此导致庞大的高成本ECU的堆积，它们一起工作，有时通过一个公用总线系统连接在一起。

对于前面提到的例如公路上的交通工具的嵌入式解决方案来说也是这样。由于这是本发明的所特别关心的，因此将讨论一下有关的现有技术。

在汽车应用中，对安全性的要求基本上是相当高的，以避免一些组件的故障，因为这可能导致出现危急的情况。因此，通常冗余地使用一些相当昂贵的、高度可靠的组件和子系统，它们共享一个公用总线系统，例如CAN总线。通常，现有技术的嵌入式系统可以概括为：一个嵌入式处理系统覆盖多个技术应用，其操作功能用相应多个专用电子控制单元(ECU)执行，而一个ECU包括一个微控制器和/或一个或多个处理器和一些专用输入/输出(I/O)子系统。

这个环境示意性地示于图1。图中示出了A、B、C三个ECU，每个ECU执行各自的应用功能。ECU A可以认为专用来对汽车进行加热和冷却，ECU B专用来控制一个内建的移动电话机，而ECU C专用来控制打开和关闭车窗。可以看到，每个ECU包括一个应用专用的输入/输出子系统3和一个或多个处理器或微控制器4。它们与A、B、C显著不同，因为这些I/O子系统是专用于控制温度、控制移动电话机和控制打开和关闭车窗的。在汽车部门，越来越多地使用这样的嵌入式系统。在许多车中，它们的价格占车的总价格的20到30％。在为汽车的购买者提供更为安全、可靠或豪华的改善的一般限制下，汽车厂商必须基本上加入更多的冗余部件，以免一个ECU的一部分的偶然故障引起一些问题。然而，增大电子电路的冗余性导致增大成本，因为所用的是一些昂贵的系统，而这些系统必须在系统和子系统级别上重复提供。此外，一般使成本增大的问题是一个汽车厂商从一个第一供应商购买一个ECU而从另一个供应商购买下一个ECU，因此非常依赖于特定的供应商以及他们的专有解决方案、系统、子系统和组件。

对这个问题的一种解决方案是要求一个ECU供应商也为不在他能力范围内的应用制造ECU，但这是不现实的。当然，这种方案不可行。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的嵌入式处理系统，其具有提高的安全性和性能，但成本没有提高，甚至有或多或少的降低。

本发明的这个目的是由在所附权利要求书的一些独立权项中所述的特征实现的。本发明的进一步的优选配置和实施例在相应的从属权项内提出。下面将对所附权利要求书作一下说明。

根据本发明的最大保护范围，其对现有技术的嵌入式系统进行了显著修改。这种有创造性的系统的特征是它具有：多个所提取的接口，以下称为接口扩展器控制器(数字I/O产生和截获，模拟I/O，总线系统控制器)，各包括所述应用专用(application-specific)I/O子系统中相应的一个；以及仅有一个标准I/O接口与所提取的接口芯片连接的一个或多个标准处理器单元。

因此，本发明建议从系统的主处理器或控制器中除去或提取应用专用支持功能和相应的I/O子系统、将所述所提取的电路纳入单个ASIC芯片或相应数量的ASIC芯片之类内，并优选地通过一个监控通用控制器单元(12)将它们接到多个标准且低价格的处理器(40)上，这些处理器(40)具有为这些ASIC及其功能提供足够的计算能力的任务。这样，由于计算能力是由多个廉价的标准处理器提供的，因此能够得到价格显著降低的嵌入式系统

此外，这种系统可以还具有一个映射装置和一个操作上与之耦接的通用控制器单元，用来在考虑处理器定时要求的情况下，将一个或多个(低价格的标准)处理器40动态地切换(switch)到所选的所提取接口芯片上。由于动态切换，可以使处理器更为灵活和效率更高，这对于其中有处理器在一段时间中发生故障的情况有利。

此外，按照本发明的另一个特征，前面所提到的途径是以一个3层体系结构来实现的，这个3层体系结构具有：

主层，它包括基本配置布局数据和标准接口装置，用来连接到所述多个标准处理器，为所述多个标准处理器单元规定静态的接口设置；以及

辅层，它包括“自治状态”切换板矩阵装置、紧急切换板矩阵装置和端口接口装置，用来连接到所述多个应用专用I/O子系统。除了以上提到的基本概念之外，这还使整个嵌入式系统的体系结构结构清晰，而且在所述处理器中有故障的情况下进行可靠的紧急处理。

在有附加的自治控制器实现监视所述多个标准处理器单元的工作状态的监视功能，例如独立可编程的监视器，并且所述监视功能在操作上与所述通用控制器单元(12)和映射装置耦接时，可以进一步提高系统的可靠性和安全，因为这个监视功能不依赖于其他(标准)处理器。

此外，设置了一个数据库，用于存储怎样处理特定故障情况的指令，也就是收集多个子系统及映射到所述子系统的处理器的多个不同错误状态情况，因此可以建立一个预定的自由可配置紧急任务分配，指出例如哪个处理器提供哪个应用。因此，可以对这些应用专用芯片ASIC划分优先级，还可以使优先规则依赖于汽车的当前工作状态并且动态改变。因此，可以与速度＝0km/h或车内没有人的停放关闭汽车的工作状态相对地，设置例如以150km/h速度行驶的工作状态。

所提取的应用专用逻辑装置可以有益地以ASIC形式实现。

此外，有益的是可以设置另一个独立的紧急控制器，例如一个独立的ASIC芯片或者添加到单个或多个I/O ASIC芯片解决方案上，用来连续将从一个与内建的导航系统的接口读取的当前GPS坐标存储起来。所述紧急控制器专用来在一个或多个外部传感器设备以事故形式检测到紧急状况的情况下，以SMS(短消息业务)消息的形式发送紧急信号，这个紧急信号包括所述坐标，可能还有独立可编程的文本信息，例如表示驾驶员和伴随人员的血型(包括Rhesus因子的A、B、AB型)。在这个变型中，紧急控制器的电源优选的是包括一个代替电池或与电池结合使用的电容器(condenser)设备，以便保证即使在汽车主电源不再能工作的情况下也可以将这个消息发送出去。

为了实现上述目的，本发明提供了一种覆盖多个技术应用的嵌入式处理系统中的电子电路，所述技术应用的操作功能用相应的多个应用专用电子控制单元(ECU)执行，其特征是所述电子电路具有：

a)多个接口扩展器控制器(30A，...，30E)，各包括所述应用专用支持功能和I/O子系统中相应的一个；

b)多个标准处理器单元(40)，具有在操作上连接到相应的接口扩展器控制器(30A，...，30E)的标准I/O接口，并向其提供计算能力；以及

c)其中处理器单元(40)和所述接口扩展器控制器中相应的一个在不同的芯片上实施。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种嵌入式系统，所述嵌入式系统具有如上所述的电子电路。

最后，这种创造性的构思是对特定的IBM“TCET”体系结构(一种使用松耦合多处理的分布式系统的计算机系统体系结构)的重要改善。

附图说明

本发明以下将结合附图举例对本发明进行非限制性的说明，在这些附图中：

图1为例示现有技术的一个嵌入式系统的基本结构部件的原理方框图；

图2、3为例示按照本发明的一个基本情况(图2)和优选情况(图3)设计的嵌入式系统的基本结构部件的原理方框图；

图4为例示按照本发明的优选的层构思设计的嵌入式系统的基本结构部件的原理方框图；以及

图5为例示按照图4设计的嵌入式系统的基本结构部件的更为详细的原理方框图。

具体实施方式

来看这些附图，首先是图2，为了清晰起见图中以相当抽象的方式例示了本发明的基本思想。本发明的抽象核心是从主要包括处理器部分的ECU的其他部分提取应用专用的I/O子系统的思想。因此，在一个嵌入系统包括一组五个ECU(A至E)的例示性例子中，为每个ECU提供一个专门化的应用专用接口芯片30A、30B至30E，这些芯片基本上都接到标准的、非专门化的、并且可能是结构简单的和廉价的处理器40上。

因此，不同的ECU A、B、C各具有专用的I/O子系统，但优选的是与同样类型的处理器配合工作。当然，可以用较多的处理器，而不增加整个系统的价格，因为这样的处理器40可以大规模生产。每个CPU40优选的是包括标准的输入/输出端口和标准的寄存器和中断端口。然而，每个所述专用I/O子系统还是以小规模生产，这基本上对降低价格没有多少影响，这是因为所提取的应用专用I/O子系统只需要小得多的硅基片的缘故，例如一个CAN控制器只需要3000个左右的门，而一个接到调制调解器设备上的串行I/O只需要2000个左右的门。因此，对于应用专用子系统30A至30E，芯片面积可以大大减小。

即使为了用冗余增大安全性而为这样的创造性的ECU增添CPU，这也并不显著地增加总成本。在图2的左侧和右侧示出了冗余性增大的ECU。在这个主要方面，应用专用的所提取电路30与标准处理器40之间的关联是固定的。

本发明的另一个有利情况示于图3。

配置了一个通用控制器单元12与一个映射装置26连接，以便能得到在各个所述应用专用子系统30A至30E与标准处理器40之间的可能改变的关联。例如，在所述这些处理器40中有一个发生故障而不能再工作的情况下，控制器单元12可以控制映射装置的电子电路(26)将故障的处理器从相应的I/O子系统断开而将所述I/O子系统接到另一个好的CPU上。

这种在标准处理器与相应的专用I/O子系统之间的动态映射在其他一些有益的创造性功能的配合下可以得到进一步的增强，如以下这些附图中详细示出的那样。

在图4中用在图形上有些改变的情况示出了本发明的一个优选实施例，其可以用于远程通信及信息处理技术领域，以便改善汽车内的多个嵌入式系统。它的一般情况基本上与图3所给出的一致。然而，应该注意的是，在图4至8中，标准处理器单元示于图的顶部，而在图1至3中处理器示于图的底部。

这个优选实施例揭示了一个3层结构，主层50基本上包括主端口接口，接到上面所提到的标为40的标准处理器1至n上，还接到通用输入/输出电路、微控制器总线上和例如接到PCI总线系统上。主层50基本上要包括所连接的处理器系统和子系统的静态配置数据。通用I/O系统用作模仿标准微控制器总线和相应存储器接口的类属填充和补足I/O系统。

此外，按照这个实施例，设置了一个辅层60，基本上包括用于标准的应用专用的输入/输出子系统(例如为CAN-B、CAN-C或标准I/O子系统SIO-1至SIO-n或通用I/O子系统)的动态可重新配置的参数设置。

此外，还设置了一个代理(broker)和仲裁层70与通用控制器12协同工作，基本上分别与图3中的组件26和12相应。因此，一个如图3所示的映射也可以在图4所示的系统内进行。

再来看图5，图中更为详细地进一步示出了图4所示这个基本实施例的优选功能部件。同样，主层50也示于图的顶部。具体地说，通用控制器单元12配备有一个附加控制器80，用来实现监视功能，例如呈现为对主端口接口90和辅端口接口100的单独编程的监视器功能90、100。在图5中，所监视的这些点90、100示为加圈的“M”(“监视器”)。

图5或图4中示出的所有逻辑可以有益地以可编程ASIC或静态ASIC形式提供。

主层50特别还包括一个实现外部CPU或微控制器接口的逻辑52。它有一组可由控制器单元12访问的寄存器82，用来存储所有必要的端口定义参数。

此外，基本的系统布局存储在配置段54内，配置段54存储所有接到ASIC上的处理器的所谓“静态系统参数”。那些自治状态参数包括嵌入式系统的任何静态也就是“正常情况”引导或重新引导信息，并存储在一组寄存器84内。此外，代理层和仲裁逻辑70在相应输入寄存器内存储有一些优先级参数85。这些优先级参数规定了按照一个给定的优先级规则(其优先考虑最重要的子系统)需为辅层60的哪些子系统提供CPU处理能力。因此，在所述这些处理器单元中有一个或多个出现故障的情况下，这样的优先规则规定了一个紧急操作，使最重要的应用功能继续执行。

此外，所述辅层60优选的是包括具有所关联的一组自治状态参数寄存器86的自治控制切换板矩阵62、具有自治紧急参数组87的为紧急引导或重新引导能力提供的自治紧急控制切换板64和具有相应输入寄存器88的为物理访问实际应用专用I/O系统(在上面所提到的例子中的CAN总线、移动电话机和其他I/O设备)提供的物理接口逻辑66。

所有以上所提到参数寄存器82、84、85、86、87和88都可由所述通用控制器单元12访问。优选的是，所述控制器单元12包括一个自己的处理器80，与以上提到的处理器40独立地进行工作。此外，按照本发明的一个优选情况，通用控制器12可以访问一个内建“数据库”，这个数据库存有怎样处理与任何一个所述标准处理器关联的错误状态情况的具体故障情况的指令。例如，在一些监视处理器的监视器报告所关联的处理器的错误状态时，通用控制器单元12将在错误情况数据库内执行查找，选择怎样处理这个具体错误情况的预先编程的指令。实际上，在例如与关闭和打开车窗关联的处理器发生故障时，通用控制器单元12可以通过所述查找决定可以将主要与管理音频/视频子系统关联的处理器例外地用来关闭车窗。这种动态执行的从一个处理器切换到另一个处理器是通过作为基本上是由单元12控制的多路复用器的自治控制切换板矩阵62执行的。可以理解，这种创造性的动态切换特性也可以控制以上所提到的例子以外的功能。

此外，优选的是可以有益地提供一个或多个内部控制器110、112，以便为有很多标准处理器处于错误状态的重大紧急情况提供处理能力。这些附加的控制器如果需要的话可用来重新引导系统，强力修改紧急参数集，因此执行一个旨在只为最重要的子系统提供处理能力的“反向”(reverse)引导或紧急引导过程。这也是通过所述多路复用单元62与通用控制器单元12配合来切换的。

本发明可以用硬件、软件或硬件和软件的组合实现。按照本发明所设计的工具可以以集中方式用一个计算机系统实现，也可以以分布方式用一些分布于几个互连的计算机系统内的不同部件实现。任何类型的计算机系统或其他修改成实现在这里所说明的方法的设备都是适合的。硬件和软件的一种组合可以是一个通用计算机系统和一个在装入这个计算机系统执行时控制这个计算机系统使它实现在这里所说明的方法的计算机程序。

本发明还可以嵌入一个包括所有能实现在这里所说明的方法的特性和在装入一个计算机系统时能执行这些方法的计算机程序产品。

计算机程序装置或计算机程序在这里意味着以任何语言、代码或符号对一组指令的任何表示，这组指令或者直接或者在经以下其中之一或两者的处理后使一个具有信息处理能力的系统执行一个特定的功能：

a)变换为另一种语言、代码或符号；

b)以另一种物质形式再现。

Claims

1.一种覆盖多个技术应用的嵌入式处理系统中的电子电路，所述技术应用的操作功能用相应的多个应用专用电子控制单元执行，其特征是所述电子电路具有：

a)多个接口扩展器控制器(30A，…，30E)，各包括所述应用专用支持功能和I/O子系统中相应的一个；

b)多个标准处理器单元(40)，具有在操作上连接到相应的接口扩展器控制器(30A，…，30E)的标准I/O接口，并向其提供计算能力；以及

2.按照权利要求1所述的电路，还具有映射装置(70，26)和与之在操作上连接的通用控制器单元(12)，用来在考虑处理器定时要求的情况下，将处理器单元(40)动态切换到所选的接口扩展器控制器(30A，…，30E)。

3.按照权利要求1或2所述的电路，还具有主层(50)和辅层(60)，所述主层(50)包括基本配置布局数据(54)和标准接口装置(52)，用来与所述多个标准处理器(40)连接，所述辅层(60)包括预编程的“自治状态”切换装置(62)、预编程的紧急切换装置(64)和端口接口装置(66)，用来与所述多个应用专用I/O子系统连接。

4.按照权利要求1或2所述的电路，还具有附加控制器，用来对所述多个标准处理单元(40)和接口扩展器控制器(30A，…，30E)的操作状态实施监视功能(90，100)，所述附加控制器在操作上与所述通用控制器单元(12)耦接。

5.按照权利要求3所述的电路，还具有附加控制器，用来对所述多个标准处理单元(40)和接口扩展器控制器(30A，…，30E)的操作状态实施监视功能(90，100)，所述附加控制器在操作上与所述通用控制器单元(12)耦接。

6.按照权利要求1所述的电路，还包括一个数据库，用来存储关于如何处理与任何一个所述标准处理器关联的错误状态情况的特定故障情况的指令。

7.按照权利要求1所述的电路，还包括紧急控制器(110，112)，用来连续存储当前的全球定位系统坐标，并在一个或多个外部传感器设备检测到紧急情况时，专用来发送包括所述坐标的紧急信号。

8.一种嵌入式系统，所述嵌入式系统具有按照以上权利要求1至7其中之一所述的电子电路。