DE10065115A1 - Verfahren und Kommunikationssystem zum Datenaustausch zwischen mehreren über ein Bussystem miteinander in Verbindung stehenden Teilnehmern - Google Patents
Verfahren und Kommunikationssystem zum Datenaustausch zwischen mehreren über ein Bussystem miteinander in Verbindung stehenden TeilnehmernInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Kommunikationssystem (1) zum Austausch von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern (2, 3, 4), die mittels eines Bussystems (5) miteinander in Verbindung stehen. Die Daten sind in Nachrichten enthalten, die von den Teilnehmern (2, 3, 4) über das Bussystem (5) übertragen werden. Um den Austausch von Daten zwischen den Teilnehmern (2, 3, 4) dahingehend zu verbessern, dass einerseits im Regelfall das Senden von Nachrichten mit einer geringen Latenzzeit (t¶L¶) mit einer hohen Wahrscheinlichkeit (p) möglich ist und andererseits im Worst-Case eine endliche maximale Latenzzeit (t¶2¶) gewährleistet werden kann, wird vorgeschlagen, dass die Daten ereignisorientiert über das Bussystem (5) übertragen werden, so lange in Abhängigkeit von der Auslastung des Bussystems (5) für jede zu übertragende Nachricht eine vorgebbare Latenzzeit (t¶L¶), die zwischen einem Sendewunsch eines Teilnehmers (2, 3, 4) und dem erfolgten Sendevorgang des Teilnehmers (2, 3, 4) verstreicht, sichergestellt werden kann, und anderenfalls die Daten deterministisch über das Bussystem (5) übertragen werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein
Kommunikationssystem zum Austausch von Daten zwischen
mindestens zwei Teilnehmern, die mittels eines Bussystems
miteinander in Verbindung stehen. Die Daten sind dabei in
Nachrichten enthalten, die von den Teilnehmern über das
Bussystem übertragen werden.
Die Erfindung betrifft des weiteren ein Bussystem zum
Austausch von Daten zwischen mindestens zwei Teilnehmern
eines Kommunikationssytems.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein
Speicherelement für einen Teilnehmer eines
Kommunikationssystems, der über ein Bussystem zum Austausch
von Daten mit mindestens einem weiteren Teilnehmer in
Verbindung steht. Auf dem Speicherelement ist ein
Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät
des Teilnehmers, insbesondere auf einem Mikroprozessor,
ablauffähig ist. Das Speicherelement ist insbesondere als
ein Read-Only-Memory, als ein Random-Access-Memory oder als
ein Flash-Memory ausgebildet.
Die Vernetzung von Steuergeräten, Sensoren und Aktoren mit
Hilfe eines Kommunikationssystems hat in den letzten Jahren
bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen stark zugenommen.
Dabei stehen Synergieeffekte durch eine Verteilung von
Funktionen auf mehrere Steuergeräte im Vordergrund. In
diesem Zusammenhang spricht man von verteilten Systemen.
Die Kommunikation zwischen den Teilnehmern des
Kommunikationssystems erfolgt in zunehmendem Maße über ein
Bussystem. Die Teilnehmerweisen jeweils einen
Prozessrechner auf, der über eine Schnittstelle mit einem
Kommunikationscontroller verbunden ist, über den der
Teilnehmer an das Bussystem angeschlossen ist. Der
Kommunikationsverkehr auf dem Bussystem,
Zugriffsmechanismen und Empfangsmechanismen, sowie
Fehlerbehandlung werden über ein Protokoll geregelt.
Aus dem Stand der Technik ist ein Controller Area Network
(CAN)-Protokoll bekannt, das sich im Kraftfahrzeugbereich
etabliert hat. Das CAN-Protokoll ist ein
ereignisgesteuertes Protokoll, d. h. Protokollaktivitäten
wie das Senden einer Nachricht werden durch Ereignisse
initiiert, die ihren Ursprung außerhalb des
Kommuniaktionssystems haben. Der eindeutige Zugang zu dem
Kommunikationssystem wird über eine prioritätsbasierte
Bitarbitrierung gelöst. Eine Voraussetzung dafür ist, dass
jeder Nachricht eine eindeutige Priorität zugewiesen ist.
Das CAN-Protokoll ist sehr flexibel, da ein Hinzufügen
weiterer Teilnehmer und Nachrichten problemlos möglich ist,
solange noch freie Prioritäten (sog. Message-Identifier)
zur Verfügung stehen.
In den Fällen, in denen die durchschnittliche Auslastung
des Bussystems relativ niedrig ist, ist die
Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilnehmer, der zu senden
wünscht, seine Nachricht sofort oder innerhalb einer sehr
kurzen Zeit auch tatsächlich senden darf, sehr groß. Da
CAN-Kommunikationssysteme typischerweise so ausgelegt sind,
dass die mittlere Auslastung des Bussystems klein genug
ist, ist im Regelfall ein sehr schneller Zugriff auf das
Bussystem gegeben. Der Worst-Case aus Sicht des
Kommunikationssystems, dass nämlich alle Teilnehmer
permanent senden wollen, bedeutet in einem CAN-Bussystem
dann aber streng genommen eine unendlich lange Latenzzeit.
Dies gilt zumindest für diejenigen Nachrichten, deren
Priorität relativ niedrig ist.
Für Bussysteme lässt sich eine Wahrscheinlichkeit dafür
angeben, dass beim Senden von Nachrichten eine bestimmte
Latenzzeit nicht überschritten wird. In Fig. 2 ist eine
Wahrscheinlichkeitsverteilung der Latenzzeiten für ein
ereignisgesteuertes Kommunikationssystem dargestellt. Die
Wahrscheinlichkeitsverteilung hat einen relativ scharfen
Peek in der Nähe von 0 (die Wahrscheinlichkeit für eine
sehr kleine Latenzzeit ist sehr groß), sie erstreckt, sich
aber bis ins Unendliche (es kann keine maximale Latenzzeit
gewährleistet werden). Die Wahrscheinlichkeitsverteilung
zeigt, dass ein ereignisorientiertes Kommunikationssystem
sehr gut für den Regelfall (sehr große Wahrscheinlichkeiten
für kurze Latenzzeiten), aber weniger gut für den Worst-
Case geeignet ist. Dies kann noch dadurch verschärft
werden, wenn ein Fehler in einem hochprioren Teilnehmer
vorliegt, der permanent hochpriorisierte Nachrichten sendet
und das Bussystem blockiert. Infolgedessen können
Nachrichten mit einer niedrigeren Priorität nicht gesendet
werden. Die niederpriorisierten Nachrichten haben dann eine
unendlich lange Latenzzeit.
Somit ist ein ereignisorientiertes Bussystem sehr gut
geeignet für Applikationen, bei denen der Worst-Case
tolerierbar ist, bei denen aber auf eine sehr gute
Performance im Regelfall Wert gelegt wird.
Ein relativ neues Protokoll ist das sog. Time-Triggered
Protocol for Class C (TTP/C). Dies ist ein
deterministisches, nämlich rein zeitgesteuertes, Protokoll,
bei dem die Redundanz fest im Protokoll vorgegeben ist.
Alle Kommunikationsaktivitäten auf dem Bussystem sind
strikt periodisch. Protokollaktivitäten wie das Senden
einer Nachricht werden nur durch das Fortschreiten einer
(globalen) Zeitbasis ausgelöst. Der Zugang zu dem Bussystem
basiert auf die Zuteilung von Zeitbereichen, in denen ein
Teilnehmer exklusives Senderecht hat. Das Protokoll ist
vergleichsweise unflexibel, da ein Hinzufügen von neuen
Teilnehmern nur dann möglich ist, wenn zuvor entsprechende
Zeitbereiche freigelassen wurden.
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilnehmer Zugang zu dem
Bussystem erhält, wenn er es wünscht, ist unabhängig von
der vorhandenen Auslastung des Bussystems. In Fig. 3 ist
eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Latenzzeiten für ein
deterministisches Kommunikationssystem dargestellt. Die
Latenzzeiten hängen nur von der zeitlichen Entfernung zum
nächsten Sendezeitpunkt ab. Da der Zugangswunsch eines
Teilnehmers außerhalb des Einflusses des
Kommunikationssystems entsteht, in der Regel asynchron zu
diesem ist, ist die Latenzzeit zwischen Zugangswunsch und
erfolgtem Senden einer Nachricht gleich verteilt über das
ganze zeitliche Intervall zwischen zwei Sendezeitpunkten.
Diese Wahrscheinlichkeitsverteilung ist sehr viel breiter
als bei einem ereignisorientierten Bussystem, d. h. die
Wahrscheinlichkeit, nach einer sehr kurzen Zeit Zugriff auf
das Bussystem zu erhalten, ist deutlich geringer. Diese
Wahrscheinlichkeitsverteilung ist jedoch lokalisiert, d. h.
die Wahrscheinlichkeit für eine beliebig große Latenzzeit
ist Null. Im Regelfall und im Worst-Case sind die
Wahrscheinlickeiten gleich groß und es kann - im Gegensatz
zu einem ereignisorientierten Kommunikationssystem - eine
obere Schranke für die maximale Latenzzeit angegeben
werden. Damit sind deterministische Kommunikationssysteme
geeignet für Applikationen, in denen der Worst-Case
toleriert werden muss, selbst wenn man damit für den
Regelfall Einschränkungen hinnehmen muss. Inbesondere
Applikationen in sicherheitsrelevanten Bereichen (z. B. X-
by-Wire-Systeme) oder Anwendungen, bei denen der
Unterschied zwischen Regelfall und Worst-Case nicht groß
ist, sind daher bevorzugte Einsatzbereiche für
deterministisch gesteuerte Protokolle.
Aus dem Stand der Technik ist es des Weiteren bekannt, ein
zeitgesteuertes Protokoll dadurch flexibler zu gestalten,
dass bestimmte Zeitbereiche reserviert werden und innerhalb
der reservierten Zeitbereiche eine ereignisgesteuerte
Nachrichtenübertragung stattfindet. Das gesamte Protokoll
arbeitet also weiterhin zeitgesteuert, lediglich in
bestimmten reservierten Zeitbereichen werden Nachrichten
ereignisgesteuert übertragen. Je nachdem, wie der Zugriff
innerhalb der reservierten Zeitbereiche geregelt ist, kann
die Behandlung des Regelfalls und applikationsspezifischer
Einzelfälle verbessert werden, ohne dass die prinzipielle
Behandelbarkeit des Worst-Case (endliche maximale
Latenzzeit) verloren geht. Ein Bussystem, das derart
arbeitet, ist als sog. Byte-Flight-Bus oder als SI-Bus aus
dem Stand der Technik bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den
Austausch von Daten zwischen mehreren Teilnehmern, die
mittels eines Bussystems miteinander in Verbindung stehen,
dahingehend zu verbessern, dass einerseits im Regelfall das
Senden von Nachrichten mit einer geringen Latenzzeit mit
einer hohen Wahrscheinlichkeit möglich ist und andererseits
im Worst-Case eine endliche maximale Latenzzeit
gewährleistet werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend
von dem Verfahren zum Datenaustausch der eingangs genannten
Art vor, dass die Daten ereignisorientiert über das
Bussystem übertragen werden, solange in Abhängigkeit von
der Auslastung des Bussystems für jede zu übertragende
Nachricht eine vorgebbare Latenzzeit, die zwischen einem
Sendewunsch eines Teilnehmers und dem erfolgten
Sendevorgang des Teilnehmers verstreicht, sichergestellt
werden kann, und anderenfalls die Daten deterministisch
über das Bussystem übertragen werden.
Wenn das Kommunikationssystem detektiert, dass endliche
maximale Latenzzeiten nicht mehr für alle Nachrichten bzw.
Teilnehmer des Bussystems garantiert werden können, erfolgt
ein Übergang der Nachrichtenübertragung von einem
ereignisgesteuerten in einen zeitgesteuerten Modus. Ein
wesentlicher Vorteil eines ereignisgesteuerten Systems, der
im Regelfall sehr schnelle Zugriff auf das Bussytem, bleibt
komplett erhalten, da der Datenaustausch nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren in diesen Fällen wie bei einem
ereignisgesteuerten Kommunikationssystem erfolgt. Ein
wesentlicher Vorteil eines deterministischen
Kommunikationssystems, die Garantie einer maximalen
Latenzzeit und damit ein viel stärkerer Determinismus,
bleibt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls
komplett erhalten, da der Datenaustausch nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren für große Latenzzeiten genau
wie bei einem deterministischen Kommunikationssystem
erfolgt.
Der Datenaustausch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
eignet sich daher besonders gut für solche Anwendungen, bei
denen mindestens eine Nachricht mit den nachfolgenden
Eigenschaften existiert:
- - Im Normalfall kann die Nachricht durch ein rein ereignisgesteuertes Protokoll problemlos übertragen werden und die mittlere Latenzzeit ist relativ klein.
- - Die mittlere Latenzzeit ist bei einer Übertragung mittels eines rein deterministischen Kommunikationssystems deutlich größer als die mittlere Latenzzeit eines rein ereignisgesteuerten Kommunikationssystems. Das Verhalten des Kommunikationssystems bei einer mittleren Latenzzeit eines rein deterministischen Kommunikationssystems ist zwar noch tolerierbar (zumindest für einen begrenzten Zeitraum, z. B. für mehrere Stunden während des gesamten Kraftfahrzeuglebens), es ist aber deutlich schlechter als bei einer mittleren Latenzzeit eines rein ereignisgesteuerten Systems, wobei dieses Verhalten nicht über die gesamte Kraftfahrzeuglebensdauer tolerierbar ist.
- - Eine Latenzzeit, die wesentlich größer ist als die mittlere Latenzzeit eines rein deterministischen Kommunikationssystems (z. B. mehr als doppelt so groß), ist nicht tolerierbar.
Bei der Entwicklung eines Kommunikationssystems wird für
jede über das Kommunikationssystem zu übertragende
Nachricht eine Forderung nach einer maximalen Latenzzeit,
innerhalb der die Nachricht übertragen sein muss,
festgelegt. Das Kommunikationssystem erfüllt in zeitlicher
Hinsicht seine Aufgabe dann nicht, wenn es mindestens eine
der zu übertragenden Nachrichten nicht innerhalb der
festgelegten maximalen Latenzzeit übermitteln kann. Bei
einem ereignisgesteuerten Protokoll bedeutet ein Bussystem
ohne Auslastung immer, dass es gegenwärtig keine Nachricht
gibt, die irgendeiner der Teilnehmer senden möchte. Aus
Sicht des Kommunikationssystems ist der Zustand dann
unkritisch, wenn hinreichend häufig ein Bussystem ohne
Auslastung auftritt. Es bietet sich daher an, den
kritischen Zustand, zu dem von einer ereignisorientierten
auf eine deterministische Datenübertragung umgeschaltet
wird, dadurch zu definieren, dass mindestens während einer
bestimmten Zeit eine solche Pause (Bussystem ohne
Auslastung) auftritt.
Dazu wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der
vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass die zeitliche
Auslastung des Bussystems beobachtet wird und davon
ausgegangen wird, dass nicht für jede zu übertragende
Nachricht die vorgebbare Latenzzeit sichergestellt werden
kann, falls eine ununterbrochene zeitliche Auslastung des
Bussytems einen vorgebbaren zeitlichen Schwellenwert
überschreitet. Gemäß der Weiterbildung wird also eine
physikalische Zeit beobachtet. Falls eine ununterbrochene
zeitliche Auslastung des Bussystems einen vorgebbaren
zeitlichen Schwellenwert überschreitet oder falls eine
Anzahl von unmittelbar nacheinander über das Bussystem
übertragene Nachrichten einen vorgebbaren Schwellenwert
überschreitet, muss das Kommunikationssystem annehmen, dass
zu viele Teilnehmer immer senden wollen, und für
niederpriore Nachrichten kann eine maximale Latenzzeit
nicht mehr garantiert werden.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Auslastung des
Bussystems beobachtet wird und davon ausgegangen wird, dass
nicht für jede zu übertragende Nachricht die vorgebbare
Latenzzeit sichergestellt werden kann, falls eine Anzahl
von unmittelbar nacheinander über das Bussystem
übertragenen Nachrichten einen vorgebbaren Schwellenwert
überschreitet. Die aktuelle Anzahl der unmittelbar
nacheinander übertragenen Nachrichten kann entweder vor
oder nach erfolgter Übermittlung der Nachrichten um 1 oder
einen beliebigen anderen Wert erhöht werden. Sobald eine
Pause auf dem Bussystem (Bussystem ohne Auslastung)
auftritt, wird die Anzahl wieder auf Null oder einen
beliebigen anderen Wert initialisiert. Die alternative
Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie besonders einfach
zu realisieren ist.
Insbesondere in verteilt arbeitenden Bussystemen kennen
alle Teilnehmer des Kommunikationssystems die
Schwellenwerte und können den kritischen Zustand somit
gleichzeitig erkennen. Insbesondere bei
Kommunikationssystemen mit einem Master-Teilnehmer ist es
jedoch denkbar, dass der kritische Zustand lediglich von
einem Teilnehmer oder von einigen ausgewählten Teilnehmern
detektiert wird.
Um das Erkennen des kritischen Zustands fehlertolerant zu
gestalten, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass die unmittelbar
nacheinander von einem Teilnehmer aus über das Bussystem
übertragenen Nachrichten von dem Teilnehmer mitgezählt
werden und die aktuelle Anzahl der unmittelbar nacheinander
übertragenen Nachrichten über das Bussystem an die übrigen
Teilnehmer des Bussystems übertragen wird. Die aktuelle
Anzahl der unmittelbar nacheinander übertragenen
Nachrichten kann bspw. in einer jeweils zu übertragenden
Nachricht mit übertragen werden. Jeder Teilnehmer hat die
Möglichkeit zur Überprüfung, zur Fehlerdetektion und ggf.
zur Fehlerbehandlung. Bei einem CAN-Bussystem kann die
Fehlerbehandlung bspw. darin bestehen, dass ein Error Frame
gesendet oder eine entsprechende Non-Acknowledgement
(NACK)-Flag gesetzt wird.
Wenn im Verlauf einer Datenübertragung ein Fehler in der
übertragenen Nachricht festgestellt wird, wird diese durch
Senden eines Error Frames auf dem Bussystem zerstört. Wenn
ein Teilnehmer aufgrund eines Fehlers ständig Error Frames
aussendet, werden sämtliche über das Bussystem übertragenen
Nachrichten zerstört und ein Datenaustausch über das
Bussystem ist nicht mehr möglich. Das Problem, dass ein
fehlerbehafteter Teilnehmer alle Nachrichten zerstört, kann
bspw. über Error Counters gelöst werden.
Die Übertragung der aktuellen Anzahl von nacheinander
übertragenen Nachrichten kann auch ohne eine zusätzliche
Belastung des Busssystems (Overhead) erfolgen. Dazu kann
bspw., wann immer ein Cyclic Redundancy Check (CRC) oder
eine andere Prüfsumme zur Absicherung des Dateninhalts
einer Nachricht mit der Nachricht verschickt wird, der CRC
oder die Prüfsumme nicht nur über die Daten, sondern über
die Daten und die Anzahl gemeinsam erfolgen, ohne dass die
Länge des entstehenden CRC-Gliedes oder der Prüfsumme
verändert wird. Durch eine geeignete Wahl des CRC-Polynoms
ist es auch möglich, eine hinreichend große Hamming-Distanz
zu erzeugen, so dass die Übermittlung des CRC-Gliedes oder
der Prüfsumme sogar fehlertolerant möglich ist. Der
Empfänger bildet eine CRC-Prüfsumme über die empfangenen
Daten vereinigt mit seiner Sicht auf die Anzahl der
unmittelbar nacheinander übertragenen Nachrichten. Bei
einer Differenz wird ein Fehler bei der Datenübertragung
oder bei der Anzahl festgestellt. Bei einer hinreichend
großen Hamming-Distanz kann sogar festgestellt werden, wo
der Fehler liegt. In diesem Fall geschieht die Übermittlung
der Anzahl der unmittelbar nacheinander übertragenen
Nachrichten ohne zusätzlichen Kommunikationsaufwand und die
entsprechende Detektion des kritischen Zustandes ist
darüber hinaus fehlertolerant.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass von einer
deterministischen Übertragung der Daten über das Bussystem
zu einer ereignisorientierten Übertragung umgeschaltet
wird, wenn ein vorgegebenes Ende der deterministischen
Übertragung erreicht ist. Es liegt im Wesen einer
deterministischen Datenübertragung, dass das Ende der
Datenübertragung vorgegeben ist. Wenn dieses Ende erreicht
ist, wird das Kommunikationssystem wieder zurück in die
ereignisorientierte Übertragung umgeschaltet.
Für den Zielzustand, bei dem die Daten deterministisch über
das Bussystem übertragen werden und maximale Latenzzeiten
garantiert werden können, gibt es verschiedene
Möglichkeiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die
deterministisch übertragenen Daten zeitgesteuert,
insbesondere Time-Division-Multiple-Access(TDMA)-basiert
übertragen werden. In einem TDMA-basierten
Kommunikationssystem wechseln sich alle Nachrichten, für
die eine maximale Latenzzeitgarantie gegeben wird,
periodisch ab. Im Vorfeld wird in einem "Fahrplan" bereits
festgelegt, welcher Teilnehmer in welchem Zeitschlitz
senden darf. Der "Fahrplan" muss den
Kommunikationscontrollern der Teilnehmer bereits bei der
Entwicklung bekannt gegeben werden. In dem "Fahrplan"
müssen nur diejenigen Nachrichten vorkommen, für die eine
maximale Latenzzeitgarantie gegeben wird. Der "Fahrplan"
ist vorzugsweise lediglich auf eine ausreichende (nicht auf
eine optimale) Performance der kritischen Funktionen
ausgelegt.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die
deterministisch übertragenen Daten mit dynamisch
veränderbaren Prioritäten der Nachrichten oder von
Nachrichtengruppen prioritätsshiftbasiert übertragen
werden. Eine prioritätsshiftbasierte Datenübertragung über
das Bussystem beruht auf einer dynamischen Veränderung der
Prioritäten der zu übertragenden Nachrichten während des
Betriebs des Bussystems. Bei einer prioritätsshiftbasierten
Übertragung muss im Vorfeld kein "Fahrplan" bekannt sein.
Trotzdem kann für die Nachrichten eine endliche maximale
Latenzzeit garantiert werden. Die prioritätsshiftbasierte
Datenübertragung ist ausführlich in einer weiteren
deutschen Patentanmeldung derselben Anmelderin
(Aktenzeichen der Anmelderin: R.39890) mit demselben
Anmeldetag wie die vorliegende Patentanmeldung beschrieben.
Auf diese Anmeldung wird ausdrücklich Bezug genommen.
Da alle Teilnehmer des Kommunikationssystems den kritischen
Zustand gleichzeitig und fehlertolerant detektieren können,
kann auch der Übergang selbst von der ereignisorientierten
zu der deterministischen Datenübertragung und wieder zurück
ebenfalls fehlertolerant erfolgen. Für den Übergang gibt es
mehrere Möglichkeiten.
Zum einen kann der Übergang durch eine explizite Nachricht
ausgelöst werden. Diese Nachricht wird von dem
höchstprioren Teilnehmer ausgesandt. Falls dieser die
explizite Nachricht nicht aussendet, muss der Teilnehmer
mit der nächsthöheren Priorität diese Aufgabe übernehmen.
Je nachdem, wie das ereignisgesteuerte Protokoll aussieht,
von dem ausgegangen wird, kann die Übertragung der
expliziten Nachricht ohne einen zusätzlichen Zeitverlust
erfolgen. Bei einer Bitarbitrierung, wie sie bspw. bei
einem CAN-Bussystem realisiert ist, gibt es n Teilnehmer,
die eine entsprechende Nachricht absenden dürfen, wobei n
auch das Fehlertoleranzlevel charakterisiert. Die hohen
Prioritäten sind für diese Nachricht reserviert.
Nach der Detektion des kritischen Zustandes in dem
Kommunikationssystem muss jeder der Teilnehmer versuchen,
die explizite Nachricht zu senden. Falls die Prioritäten
für die expliziten Nachrichten sehr hoch sind, müssen alle
übrigen Teilnehmer dann Sendeverbot erhalten. Der
eigentliche Sendevorgang und ggf. auch der Inhalt der
expliziten Nachricht triggern und bestimmen dann den Ablauf
der sich anschließenden deterministischen Datenübertragung.
Eine andere Möglichkeit ist eine implizite Benachrichtigung
der Teilnehmer des Kommunikationssystems über das Vorliegen
eines kritischen Zustands. Dabei bewirkt bereits die
Detektion eines kritischen Zustands das Umschalten der
Datenübertragung. Alle Kommunikationscontroller schalten
von der ereignisorientieren Datenübertragung zu der
deterministischen Datenübertragung und benützen für die
weitere Datenübertragung dann das entsprechende Protokoll,
sobald der kritische Zustand (fehlertolerant) entdeckt
wird.
Wann dann von der deterministischen Datenübertragung wieder
zurück zu der ereignisorientierten Datenübertragung
geschaltet wird, hängt von der Art der gewählten
deterministischen Datenübertragung ab. Eine Möglichkeit ist
es, in dem Nachrichtenformat der deterministischen
Datenübertragung ein Statusbit unterzubringen, das angibt,
ab die Senderapplikation tatsächlich noch die häufige
Sendefrequenz für sich in Anspruch nehmen möchte oder
nicht. Falls dann über hinreichend viele Perioden des
deterministischen Systems hinreichend wenige Teilnehmer den
Wunsch anmelden, eine Nachricht zuübertragen, wird wieder
in den ereignisorientierten Modus geschaltet. Auch das
Zurückschalten kann explizit oder implizit erfolgen.
Eine grundsätzlich andere Möglichkeit besteht darin, dass
eine Senderapplikation, die die häufige Sendefrequenz nicht
mehr für sich in Anspruch nehmen möchte, eine sog. "Dummy-
Nachricht" überträgt, deren Existenz die gleiche
Information wie das obige Statusbit enthält. Die Anzahl der
gesendeten "Dummy-Nachrichten" kann detektiert werden und,
falls über mehrere Perioden des deterministischen Systems
hinweg genug "Dummy-Nachrichten" gesendet werden, kann
wieder zurück in den ereignisorientierten Modus geschaltet
werden.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden
Erfindung wird ausgehend von dem Kommunikationssystem der
eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das
Kommunikationssystem Mittel zur Beobachtung der Auslastung
des Bussystems, Mittel für eine ereignisorientierte
Übertragung der Daten über das Bussystem, Mittel für eine
deterministische Übertragung der Daten über das Bussystem
und Mittel zur Wahl einer ereignisorientierten oder einer
deterministischen Übertragung aufweist, wobei die Mittel
zur Wahl eine ereignisorientierte Übertragung wählen,
solange in Abhängigkeit von der Auslastung des Bussystems
für jede zu übertragende Nachricht eine vorgebbare
Latenzzeit, die zwischen einem Sendewunsch eines
Teilnehmers und dem erfolgten Sendevorgang des Teilnehmers
verstreicht, sichergestellt werden kann, und anderenfalls
eine deterministische Übertragung wählen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kommunikationssystem
Mittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
aufweist.
Als noch eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden
Erfindung wird ausgehend von dem Bussystem der eingangs
genannten Art vorgeschlagen, dass mit dem Bussystem das
erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des
erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines
Speicherelements, das für einen Teilnehmer eines
Kommunikationssystems, der über ein Bussystem zum Austausch
von Daten mit mindestens einem weiteren Teilnehmer in
Verbindung steht, vorgesehen ist. Dabei ist auf dem
Speicherelement ein Computerprogramm abgespeichert, das auf
einem Rechengerät des Teilnehmers, insbesondere auf einem
Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall
wird also die Erfindung durch ein auf dem Speicherelement
abgespeichertes Computerprogramm realisiert, so dass dieses
mit dem Computerprogramm versehene Speicherelement in
gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren,
zu dessen Ausführung das Computerprogramm geeignet ist. Als
Speicherelement kann insbesondere ein elektrisches
Speichermedium zur Anwendung kommen, bspw. ein Read-Only-
Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein
Computerprogramm, das zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet ist, wenn es auf einem Rechengerät,
insbesondere auf einem Mikroprozessor, eines Teilnehmers
eines Kommunikationssystems, der über ein Bussystem zum
Austausch von Daten mit mindestens einem weiteren
Teilnehmer in Verbindung steht, abläuft. Besonders
bevorzugt ist dabei, wenn das Computerprogramm auf einem
Speicherelement, insbesondere auf einem Flash-Memory
abgespeichert ist.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der
Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen
oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger
Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren
Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw.
Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es
zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der
Latenzzeiten in einem ereignisgesteuerten
Kommunikationssystem;
Fig. 3 eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der
Latenzzeiten in einem deterministischen
Kommunikationssystem;
Fig. 4 eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der
Latenzzeiten in einem erfindungsgemäßen
Kommunikationssystem; und
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem
in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.
Das Kommunikationssystem 1 umfasst mehrere Teilnehmer 2, 3,
4, die mittels eines verteilt arbeitenden Bussystems 5 zum
Austausch von Daten miteinander in Verbindung stehen. Die
Teilnehmer 2, 3, 4 sind bspw. Steuergeräte eines
Kraftfahrzeugs. Die auszustauschenden Daten sind in
Nachrichten enthalten, die von den Teilnehmern 2, 3, 4 über
das Bussystem 5 übertragen werden. Für die Teilnehmer 2, 3,
4 des Bussystems 5 liegt eine gemeinsame globale Zeitbasis
t_gl vor, die zu einem vorgebbaren Zeitpunkt t_synch auf
eine externe Referenzzeit t_ref synchronisiert wird.
Die Teilnehmer 2, 3, 4 umfassen ein Rechengerät (sog.
Prozessrechner), der als ein Mikroprozessor 6 ausgebildet
ist. Auf dem Mikroprozessor 6 ist ein Computerprogramm
ablauffähig, das in einem als ein Flash-Memory
ausgebildeten Speicherelement 7, abgespeichert ist. Das
Computerprogramm ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet. Das Computerprogramm wird vor oder
während der Abarbeitung in den Mikroprozessor 6 geladen.
Die Teilnehmer 2, 3, 4 umfassen außerdem einen
Kommunikationscontroller 8, der über eine Schnittstelle 9
mit dem Mikroprozessor 6 in Verbindung steht. Der
Kommunikationscontroller e stellt eine Verbindung zwischen
dem Teilnehmer 2, 3, 4 und dem Bussystem 5 her.
In Fig. 2 ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der
Latenzzeiten tL für ein ereignisgesteuertes
Kommunikationssystem dargestellt. Eine kurze Latenzzeit tL
kleiner t1 kommt bspw. mit einer Wahrscheinlichkeit p von
etwa 99,9% vor. Mit einer Wahrscheinlichkeit p von etwa
0,00001 = 10 ppm kommt eine sehr große Latenzzeit tL größer
t2 ≈ 100.t1 vor. Anhand der relativ hohen
Wahrscheinlichkeit p einer kurzen Latenzzeit tL und der
theoretisch möglichen unendlichen Latenzzeit tL ist zu
erkennen, dass ein ereignisorientiertes Protokoll sehr gut
für den Regelfall (sehr große Wahrscheinlichkeiten p für
kurze Latenzzeiten tL), aber weniger gut für den Worst-Case
geeignet ist.
In Fig. 3 ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der
Latenzzeiten tL für ein deterministisches
Kommunikationssystem dargestellt. Dabei handelt es sich um
eine Gleichverteilung. Mit einer relativ geringen
Wahrscheinlichkeit p von etwa 10% kommt eine kurze
Latenzzeit tL kleiner t1 vor. Die größte vorkommende
Latenzzeit tL ist t3 ≈ 10.t1. Die Wahrscheinlichkeit p für
eine sehr große Latenzzeit tL größer t3 ist 0. Die
Latenzzeiten tL hängen nur von der zeitlichen Entfernung
zum nächsten Sendezeitpunkt ab. Im Regelfall und im Worst-
Case sind die Wahrscheinlichkeiten gleich groß und es kann -
im Gegensatz zu einem ereignisorientierten
Kommunikationssystem - eine obere Schranke für die maximale
Latenzzeit t2 angegeben werden. Damit sind deterministische
Kommunikationssysteme geeignet für Applikationen, in denen
der Warst-Case toleriert werden muss, selbst wenn man damit
für den Regelfall Einschränkungen hinnehmen muss.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Daten
ereignisorientiert über das Bussystem 5 übertragen, so
lange in Abhängigkeit von der Auslastung des Bussystems 5
für jede zu übertragende Nachricht eine vorgebbare
Latenzzeit tL sichergestellt werden kann. Anderenfalls
werden die Daten deterministisch über das Bussystem 5
übertragen. Die Datenübertragung wird von ereignisorientert
auf determinsitisch umgeschaltet, falls ein kritischer
Zustand detektiert wird, d. h. nicht für jede zu
übertragende Nachricht eine vorgebbare Latenzzeit tL
sichergestellt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Fig. 5
näher erläutert. Das Verfahren beginnt in einem
Funktionsblock 10. In einem Funktionsblock 11 wird eine
ereignisorientierte Datenübertragung über das Bussystem 5
eingestellt. Sobald in dem Kommunikationssystem 1 ein
kritischer Zustand detektiert wird, wird auf eine
deterministische Datenübertragung umgeschaltet. Ein
kritischer Zustand bedeutet, dass in Abhängigkeit von der
Auslastung des Bussystems nicht für jede zu übertragende
Nachricht eine vorgebbare Latenzzeit tL gewährleistet
werden kann. Ein kritischer Zustand wird in Abfrageblock 12
detektiert. Falls kein kritischer Zustand vorliegt, wird zu
dem Funktionsblock 11 verzweigt und die Daten werden
weiterhin ereignisgesteuert über das Bussystem 5
übertragen. Falls jedoch ein kritischer Zustand detektiert
wird, wird in einem Funktionsblock 13 auf die
deterministische Datenübertragung umgeschaltet.
Ein kritischer Zustand eines Kommunikationssystems 1 liegt
dann vor, wenn alle Teilnehmer 2, 3, 4 kontinuierlich
senden möchten. Aus Sicht des Kommunikationssystems 1 ist
der Zustand dann unkritisch, wenn das Bussystem 5
hinreichend häufig ohne Auslastung ist. Es bietet sich
daher an, den kritischen Zustand dadurch zu definieren,
dass mindestens während einer bestimmten Zeit eine solche
Pause (Bussystem 5 ohne Auslastung) auftritt. Dazu kann
bspw. die zeitliche Auslastung des Bussystems 5 überwacht
werden. Ein kritischer Zustand liegt dann vor, wenn das
Bussystem 5 für einen Zeitraum, der einen vorgebbaren
Schwellenwert überschreitet, ununterbrochen ausgelastet
ist. Alternativ kann auch die Anzahl der über das Bussystem
5 übertragenen Nachrichten betrachtet werden. Ein
kritischer Zustand liegt dann vor, wenn die Anzahl der über
das Bussystem 5 nacheinander ohne Pause übertragenen
Nachrichten einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
Es liegt im Wesen einer deterministischen Datenübertragung,
dass das Ende der Datenübertragung von vornherein
vorgegeben ist. In einem Abfrageblock 14 wird überprüft, ob
das Ende der deterministischen Datenübertragung erreicht
ist. Falls dem so ist, verzweigt das Verfahren zu dem
Funktionsblock 11 und das Kommunikationssystem 1 wird
wieder zurück in die ereignisorientierte Übertragung
umgeschaltet. Falls das Ende der deterministischen
Datenübertragung noch nicht erreicht ist, wird zu dem
Funktionsblock 13 verzweigt, und die Daten werden weiterhin
deterministisch übertragen.
In dem Abfrageblock 14 kann alternativ oder zusätzlich zu
der Ermittlung des Endes der deterministischen
Datenübertragung auch überprüft werden, ob die Auslastung
des Bussystems 5 eine deterministische Datenübertragung
überhaupt noch erforderlich macht. Es wäre denkbar noch vor
Erreichen des Endes der deterministischen Datenübertragung
in die ereignisorientierte Datenübertragung umzuschalten,
falls die Auslastung des Bussystems 5 unter einen
vorgebbaren Schwellenwert fällt.
In Fig. 4 ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung der
Latenzzeiten tL in dem erfindungsgemäßen
Kommunikationssystem 1 dargestellt. Für kleine Latenzzeiten
tL stimmt die Verteilung mit der aus Fig. 2 bekannten
Verteilung überein. Anstelle der unendlichen Ausdehnung der
Verteilung wird für große Latenzzeiten tL die unterhalb der
Verteilung liegende Fläche in eine Gleichverteilung
gezwängt, so dass das Integral unterhalb der Verteilung
nach wie vor 1 ist. Dadurch ist die
Wahrscheinlichkeitsverteilung für sehr große Latenzzeiten
tL 0. Beim Übergang von der ereignisorientierten
Übertragung (von 0 bis t2-t3) zu der deterministischen
Übertragung (von t2-t3 bis t2) ist in Fig. 4 ein Sprung der
Wahrscheinlichkeitsverteilung zu erkennen. Die Höhe der
Verteilung kann durch geeignetes Verschieben von t2 jedoch
beliebig variiert werden, so dass sich ohne weiteres ein
kontinuierlicher Übergang von der ereignisorientierten zu
der deterministischen Übertragung realisieren läßt.
Mit den obigen Beispielzahlen ist die Wahrscheinlichkeit p
für kurze Latenzzeiten tL kleiner t1 nach wie vor sehr
groß, nämlich 99,9%. Ab einem Zeitpunkt t2-t3 ist die
gesamte restliche Wahrscheinlichkeit p in dem Intervall von
t2-t3 bis t3 gleichverteilt, so dass die Wahrscheinlichkeit
p für eine Latenzeit größer t2 0 ist.
Claims (15)
1. Verfahren zum Austausch von Daten zwischen mindestens
zwei Teilnehmern (2, 3, 4), die mittels eines Bussystems
(5) miteinander in Verbindung stehen, wobei die Daten in
Nachrichten enthalten sind, die von den Teilnehmern (2, 3,
4) über das Bussystem (5) übertragen werden, dadurch
gekennzeichnet, dass die Daten ereignisorientiert über das
Bussystem (5) übertragen werden, so lange in Abhängigkeit
von der Auslastung des Bussystems (5) für jede zu
übertragende Nachricht eine vorgebbare Latenzzeit (tL), die
zwischen einem Sendewunsch eines Teilnehmers (2, 3, 4) und
dem erfolgten Sendevorgang des Teilnehmers (2, 3, 4)
verstreicht, sichergestellt werden kann, und anderenfalls
die Daten deterministisch über das Bussystem (5) übertragen
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die zeitliche Auslastung des Bussystems (5) beobachtet
wird und davon ausgegangen wird, dass nicht für jede zu
übertragende Nachricht die vorgebbare Latenzzeit (tL)
sichergestellt werden kann, falls eine ununterbrochene
zeitliche Auslastung des Bussytems (5) einen vorgebbaren
zeitlichen Schwellenwert überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Auslastung des Bussystems (5) beobachtet wird und
davon ausgegangen wird, dass nicht für jede zu übertragende
Nachricht die vorgebbare Latenzzeit (tL) sichergestellt
werden kann, falls eine Anzahl von unmittelbar nacheinander
über das Bussystem (5) übertragenen Nachrichten einen
vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die unmittelbar nacheinander von einem Teilnehmer (2,
3, 4) aus über das Bussystem (5) übertragenen Nachrichten
von dem Teilnehmer (2, 3, 4) mitgezählt werden und die
aktuelle Anzahl der unmittelbar nacheinander übertragenen
Nachrichten über das Bussystem (5) an die übrigen
Teilnehmer (2, 3, 4) des Bussytems (5) übertragen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die aktuelle Anzahl der unmittelbar nacheinander
übertragenen Nachrichten in einen Cyclic Redundancy Check
(CRC) oder in eine andere Prüfsumme zur Absicherung des
Dateninhalts einer Nachricht mit eingerechnet und zusammen
mit der Nachricht übertragen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der CRC oder eine andere Prüfsumme aus dem Dateninhalt
der Nachricht und der aktuellen Anzahl der unmittelbar
nacheinander übertragenen Nachrichten gemeinsam gebildet
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass von einer deterministischen
Übertragung der Daten über das Bussystem (5) zu einer
ereignisorientierten Übertragung umgeschaltet wird, wenn
ein vorgegebenes Ende der deterministischen Übertragung
erreicht ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die deterministisch übertragenen Daten
zeitgesteuert, insbesondere Time-Division-Multiple-Access
(TDMA)-basiert, übertragen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die deterministisch übertragenen Daten
mit dynamisch veränderbaren Prioritäten der Nachrichten
oder von Nachrichtengruppen prioritätsshiftbasiert
übertragen werden.
10. Kommunikationssystem (2) mit mindestens zwei
Teilnehmern (2, 3, 4) und einem Bussystem (5), über das die
Teilnehmer (2, 3, 4) miteinander in Verbindung stehen, zum
Austausch von Daten zwischen den Teilnehmern (2, 3, 4),
wobei die Daten in Nachrichten enthalten sind, die von den
Teilnehmern (2, 3, 4) über das Bussystem (5) übertragbar
sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem
(1) Mittel zur Beobachtung der Auslastung des Bussystems
(5), Mittel für eine ereignisorientierte Übertragung der
Daten über das Bussystem (5), Mittel für eine
deterministische Übertragung der Daten über das Bussystem
(5) und Mittel zur Wahl einer ereignisorientierten oder
einer deterministischen Übertragung aufweist, wobei die
Mittel zur Wahl eine ereignisorientierte Übertragung
wählen, so lange in Abhängigkeit von der Auslastung des
Bussystems (5) für jede zu übertragende Nachricht eine
vorgebbare Latenzzeit (tL), die zwischen einem Sendewunsch
eines Teilnehmers (2, 3, 4) und dem erfolgten Sendevorgang
des Teilnehmers (2, 3, 4) verstreicht, sichergestellt
werden kann, und anderenfalls eine deterministische
Übertragung wählen.
11. Kommunikationssystem (1) nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass es Mittel zur Ausführung eines
Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 9 aufweist.
12. Bussystem (5) zum Austausch von Daten zwischen
mindestens zwei Teilnehmern (2, 3, 4) eines
Kommunikationssytems (1), dadurch gekennzeichnet, dass mit
dem Bussystem (5) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1
bis 9 ausgeführt wird.
13. Speicherelement (7), insbesondere Read-Only-Memory,
Random-Access-Memory oder Flash-Memory, für einen
Teilnehmer (2, 3, 4) eines Kommunikationssystems (1), der
über ein Bussystem (5) zum Austausch von Daten mit
mindestens einem weiteren Teilnehmer (2, 3, 4) in
Verbindung steht, auf dem ein Computerprogramm
abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät des
Teilnehmers, insbesondere auf einem Mikroprozessor (6),
ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 9 geeignet ist.
14. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur
Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis
9 geeignet ist, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere
auf einem Mikroprozessor (6), eines Teilnehmers (2, 3, 4)
eines Kommunikationssystems (1), der über ein Bussystem (5)
zum Austausch von Daten mit mindestens einem weiteren
Teilnehmer (2, 3, 4) in Verbindung steht, abläuft.
15. Computerprogramm nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, dass es auf einem Speicherelement (7),
vorzugsweise auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.
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