DE10049440A1 - Verfahren zum Betrieb eines von einem Prozessor gesteuerten Systems - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines von einem Prozessor gesteuerten Systems

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Überwachung eines insbesondere sicherheitskritischen Systems. DOLLAR A Hierzu wird durch Verwendung mindestens einer Programmroutine des Prozessors mindestens ein Triggerwert berechnet, mittels dem eine Watchdog-Einheit rückgesetzt wird. DOLLAR A Verfahren zum Betrieb einer von einem Prozessor gesteuerten sicherheitskritischen Bedienfunktion eines Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines von einem Prozessor gesteu­ erten Systems nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wie es aus der DE 198 47 986 A1 bekannt ist.
Prozessorgesteuerte Systeme, bsp. durch Mikroprozessoren oder Mikrocontroller gesteuerte Systeme, werden insbesondere zur Realisierung bestimmter Anwendun­ gen eingesetzt, wie bsp. zur Realisierung vorgegebener Funktionen oder Abläufe. Durch einen Fehler im System, bsp. durch eine Fehlfunktion im Prozessor oder ei­ nen Bitfehler in der Speichereinheit des Systems, kann ein Anwendungsfehler auf­ treten, bsp. ein falscher Ablauf oder eine nicht beabsichtigte Funktion realisiert und ausgeführt werden. Dieses Fehlverhalten ist unerwünscht und störend und muß ins­ besondere bei prozessorgesteuerten Systemen zur Realisierung sicherheitskritischer Anwendungen (bei Kraftfahrzeugen bsp. den Tempomat, den Airbag oder die Lenk­ winkelerkennung betreffende Anwendungen) ausgeschlossen werden.
Um Fehlverhalten des Systems zu erkennen und/oder auszuschließen, insbesonde­ re bei sicherheitskritischen Anwendungen, können dem System mehrere Prozesso­ ren zugeordnet werden. Hierbei können die Prozessoren sich gegenseitig überwa­ chen und das System außer Funktion setzen, wenn von einem Prozessor eine Fehl­ funktion eines anderen Prozessors erkannt wird, insbesondere wenn jedem der Pro­ zessoren nur ein Teil der Anwendung zugeordnet wird oder wenn neben einem "Hauptprozessor" ein "Hilfsprozessor" mit Überwachungsaufgaben vorgesehen wird. Nachteilig bei diesen Mehrprozessorsystemen sind einerseits die zusätzlichen Ko­ sten und andererseits der erhöhte Aufwand für Hardware.
Beim Einprozessorsystem der gattungsbildenden DE 198 47 986 A1 sind zur Feh­ lerüberwachung zwei voneinander unabhängige dem Prozessor zugeordnete Watchdog-Einheiten vorgesehen, durch die beim Feststellen eines Fehlers das Sy­ stem in einen Fehlerreaktionszustand versetzt wird; aufgrund der beiden Watchdog- Einheiten fallen auch hier hohe Kosten und ein erhöhter Aufwand an Hardware an.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines von ei­ nem Prozessor gesteuerten Systems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem der korrekte Betrieb des Systems, insbesondere für sicher­ heitskritische Anwendungen, auf einfache und kostengünstige Weise überwacht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Bestandteil der weiteren Patent­ ansprüche.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß in vielen prozessorgesteuerten Sy­ stemen (insbesondere zur Realisierung sicherheitskritischer Anwendungen wie in der DE 198 47 986 A1) eine als Watchdog oder Watchdog-Schaltung mit minde­ stens einem Watchdog ausgebildete Watchdog-Einheit vorgesehen ist, um undefi­ nierte Zustände des Systems (bsp. Endlosschleifen in der Software aufgrund eines fehlerhaften Operationscodes) zu erkennen und durch ein Rücksetzen des Systems (einen Reset) zu beenden.
Erfindungsgemäß muß die Watchdog-Einheit zur Vermeidung eines Rücksetzens (Resets) des von einem Prozessor gesteuerten Systems während der Programmlauf­ zeit des Prozessors zur permanenten Überprüfung des Prozessors zyklisch mit min­ destens einer von mindestens einem Triggerwert abhängigen Ausgangsgröße beauf­ schlagt werden. Der mindestens eine Triggerwert wird durch Verwendung minde­ stens einer Programmroutine des Prozessors berechnet, insbesondere nach Durch­ laufen mindestens einer Programmroutine des Prozessors; insbesondere wird der Triggerwert von der zentralen Prozessoreinheit (CPU) berechnet, d. h. die Programm­ routine wird in der zentralen Prozessoreinheit (CPU) durchlaufen. Als von den Trig­ gerwerten abhängige Ausgangsgröße kann hierbei bsp. eine Pulsfolge und/oder ein bestimmtes Zeitfenster und/oder ein Funktionswert (eine Zeichenfolge) herangezo­ gen werden, die zum Rücksetzen der Watchdog-Einheit vorgesehen werden; d. h. die Watchdog-Einheit vergleicht die im Prozessor (insbesondere in der CPU) generierten und bsp. in eine Pulsfolge und/oder ein Zeitfenster und/oder einen Funktionswert (Zeichenfolge) als Ausgangsgröße umgesetzten Triggerwerte mit einem intern ge­ speicherten Vergleichsmuster und wird bei einer Übereinstimmung von Ausgangs­ größen und Vergleichsmuster zurückgesetzt. Somit wird der mindestens eine Trig­ gerwert für die Watchdog-Einheit und damit die (bsp. als Zeitfenster und/oder Funk­ tionswert ausgebildete Ausgangsgröße) nicht bereits während der Codierung des Prozessors fest vorgegeben, sondern während des Betriebs des Prozessors ständig neu berechnet; da die mindestens eine Programmroutine des Prozessors zur Be­ rechnung der Triggerwerte mit solchen Eingangsgrößen aufgerufen wird, daß die aus den Triggerwerten bestimmten Ausgangsgrößen bei korrekter Funktion des Prozes­ sors dem Vergleichsmuster der Watchdog-Einheit entsprechen, werden beim Auftre­ ten eines Fehlers im Prozessor die aus den Triggerwerten bestimmten Ausgangsgrö­ ßen nicht dem in der Watchdog-Einheit gespeicherten Vergleichsmuster entspre­ chen; hierdurch wird die Watchdog-Einheit fehlerhaft angesteuert (insbesondere nicht zurückgesetzt) und erzwingt hierdurch einen Reset des Systems.
Als Programmroutine zur Berechnung der Triggerwerte kann eine Testfunktion ver­ wendet werden, die zumindest einen Teil der Operationen aus dem Befehlssatz der zentralen Prozessoreinheit (CPU) ausführt, bsp. typische CPU-Operationen wie Addi­ tionen, Schiebeoperationen oder Bitmanipulationen; vorzugsweise werden hierzu alle Operationen aus dem Befehlssatz der zentralen Prozessoreinheit (CPU) ausge­ führt. Insbesondere bei prozessorgesteuerten Systemen zur Realisierung sicher­ heitskritischer Anwendungen wird als Programmroutine zur Generierung der Trig­ gerwerte mindestens eine sicherheitskritische Programmroutine ganz oder zumin­ dest teilweise durchlaufen, so daß auf diese Weise eine permanente Überwachung kritischer Anwendungen (Funktionen oder Abläufe) stattfindet.
Die Watchdog-Einheit als eigenständige Funktionseinheit des prozessorgesteuerten Systems kann hierbei entweder im Prozessor angeordnet sein (mit den Funktions­ einheiten des Prozessors im Prozessor integriert werden) - in diesem Falle können die Funktionseinheiten des Prozessors (bsp. kann neben dem Watchdog und der zentralen Prozessoreinheit noch eine Recheneinheit und eine Speichereinheit vorge­ sehen werden) über die Leitungen eines internen Bussystems verknüpft werden, wobei insbesondere auch die Verbindung zwischen der zentralen Prozessoreinheit und der Watchdog-Einheit über das Bussystem erfolgen kann - oder aber außerhalb des Prozessors angeordnet sein, d. h. neben dem Prozessor eine weitere Komponen­ te des Systems bilden - in diesem Falle kann die Verbindung zwischen der zentralen Prozessoreinheit und der Watchdog-Einheit über eine externe Datenleitung erfolgen.
Vorteilhafterweise kann mit dem vorgestellten Verfahren ein (insbesondere sicher­ heitskritisches) System und die korrekte Ausführung der Systemfunktion ohne das Erfordernis zusätzlicher Hardware und damit auf einfache und kostengünstige Weise überwacht werden.
Im Zusammenhang mit der Zeichnung soll das Verfahren weiter erläutert werden. Hierbei zeigt die Figur ein Ausführungsbeispiel der Komponenten eines als Mikro­ controller ausgebildeten Prozessors zur Steuerung sicherheitskritischer Bedienfunk­ tionen bei einem Kraftfahrzeug.
Der Mikrocontroller 1 als Einprozessorsystem ist bsp. zum Einlesen von Steuerdaten und damit zur Steuerung eines als Tempomat eines Kraftfahrzeugs ausgebildeten Systems vorgesehen. Der Mikrocontroller 1 weist gemäß der Fig. 1 als Funktions­ einheiten bsp. eine Zentrale Prozessoreinheit 3 (CPU), eine Speichereinheit 4 und eine Recheneinheit 6 auf; die Funktionseinheiten des Mikrocontrollers 1 sind über die Busleitungen 7 des Bussystems 2 zum Austausch von Datensignalen und Steu­ ersignalen intern miteinander verknüpft.
Weiterhin ist im Mikrocontroller 1 ein Watchdog 5 vorgesehen, der ebenfalls an die Busleitungen 7 des Bussystems 2 angeschlossen ist; dieser Watchdog 5 muß zy­ klisch getriggert werden, um einen Reset des Systems zu verhindern. Hierzu muß der Watchdog 5 bsp. zyklisch alle 20 ms innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums (innerhalb eines bestimmten Zeitfensters) von bsp. 2 ms mit einer vorgegebenen Zeichenfolge von bsp. 55H, AAH beaufschlagt werden. Zur Realisierung der Triggerung des Watchdogs 5 werden während der Programmlaufzeit des Mikrocontrollers 1 Triggerwerte TW permanent neu berechnet, indem von der CPU 3 des Mikrocon­ trollers 1 eine in der Speichereinheit 4 des Mikrocontrollers 1 abgelegte Funktion F aufgerufen wird (Schritt (a)) und mittels dieser Funktion F von der CPU 3 unter Ver­ wendung eines bestimmten Startwerts durch Heranziehen aller arithmetischen Be­ fehle aus dem Befehlssatz der CPU 3 aus den berechneten Triggerwerten TW als Ausgangsgrößen AG ein Zeitintervall und eine Zeichenfolge abgeleitet werden. Diese Ausgangsgrößen AG werden an den Watchdog 5 gesandt (Schritt (b)) und von die­ sem mit dem im Watchdog 5 gespeicherten Vergleichsmuster verglichen: entspre­ chen die Ausgangsgrößen AG dem Vergleichsmuster, d. h. wird der Watchdog 5 nach 20 ms (im Zeitfenster zwischen 19 ms und 21 ms) mit der Zeichenfolge 55H, AAH beaufschlagt, wird der Watchdog 5 neu getriggert (zurückgesetzt); entsprechen die Ausgangsgrößen AG nicht dem Vergleichsmuster (bsp. aufgrund eines Fehlers im Mikrocontroller 1), d. h. wird der Watchdog 5 entweder nicht nach 20 ms (nicht im Zeitfenster zwischen 19 ms und 21 ms) oder nicht mit der Zeichenfolge 55H, AAH beaufschlagt, wird der Watchdog 5 nicht neu getriggert, d. h. er wird nicht zurückge­ setzt und führt daher einen Reset des Systems durch.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betrieb eines von einem Prozessor (1) gesteuerten Systems, bei dem eine Watchdog-Einheit (5) zur Verhinderung eines Rücksetzens des Sy­ stems vom Prozessor (1) zyklisch zurückgesetzt werden muß, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch Verwendung mindestens einer Programmroutine des Pro­ zessors (1) mindestens ein Triggerwert (TW) berechnet wird, und daß das Rück­ setzen der Watchdog-Einheit (5) in Abhängigkeit des mindestens einen berech­ neten Triggerwerts (TW) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Triggerwert (TW) von der zentralen Recheneinheit (3) des Prozessors (1) berech­ net wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung des mindestens einen Triggerwerts (TW) der gesamte Befehlssatz der zentralen Re­ cheneinheit (3) des Prozessors (1) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung des mindestens einen Triggerwerts (TW) mindestens eine sicher­ heitskritische Programmroutine des Prozessors (1) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des Triggerwerts (TW) ein Zeitfenster als Ausgangsgröße (AG) be­ stimmt wird, innerhalb dessen die Watchdog-Einheit (5) zurückgesetzt werden muß.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des Triggerwerts (TW) eine Zeichenfolge als Ausgangsgröße (AG) bestimmt wird, mit der die Watchdog-Einheit (5) beaufschlagt werden muß.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Watchdog-Einheit (5) im Prozessor (1) integriert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Watchdog-Einheit (5) mit den Funktionseinheiten (3, 4, 6) des Prozessors (1) über ein Bussystem (2) verbunden wird.
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