DE102009054646A1

DE102009054646A1 - Konfigurierbare Kommunikationseinrichtung, Kommunikationssystem und Verfahren zur Kommunikation

Info

Publication number: DE102009054646A1
Application number: DE102009054646A
Authority: DE
Inventors: Timo Lothspeich; Christian Kerstan; Andreas-Juergen Rohatschek; Heinz Tilsner; Bernd Lutz; Ingo Feldner; Tobias Kirchner; Clemens Schroff; Stoyan Todorov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-06-16
Also published as: WO2011082903A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine konfigurierbare Kommunikationseinrichtung (5) mit einer Anzahl von Kommunikationsanschlüssen (5.1 bis 5.8) zum Anschluss kommunizierender Elemente (1 bis 4), bei welcher durch die Kommunikationseinrichtung (5) nach Maßgabe einer Konfiguration wenigstens eine direkte Kommunikationsverbindung (7) zwischen wenigstens zwei Kommunikationsanschlüssen (5.1 bis 5.8) ausbildbar ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Kommunikationseinrichtung (50), die Funktionsmodule (A–C) und Kommunikationsmittel (11.1, 11.2) zur Kommunikation wenigstens zwischen den Funktionsmodulen (A–C) sowie wenigstens eine Systemüberwachungseinheit (12) aufweist und bei der nach Maßgabe der wenigstens Systemüberwachungseinheit (12) auf Grundlage von durch die Kommunikationsmittel (11.1, 11.2) und/oder die Funktionsmodule (A–C) bereitgestellten Systeminformationen eine Verlagerung und/oder ein Austausch von Funktionsmodulen (A–C) vornehmbar ist. Ein Kommunikationsverfahren ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine konfigurierbare Kommunikationseinrichtung, insbesondere in Form eines Kommunikationsbausteins, mit einer Anzahl von Kommunikationsanschlüssen zum Anschluss kommunizierender Elemente, sowie ein zugehöriges Kommunikationsverfahren unter Verwendung der konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung.
Stand der Technik
Bei der Hardwareimplementierung datenflussorientierter Anwendungen (beispielsweise bei der Auswertung von Videosignalen) kommen häufig Pipeline-Verfahren zum Einsatz.
Der Begriff Pipeline (auch als Befehls-Pipeline oder Prozessor-Pipeline bekannt) bezeichnet, insbesondere bei Mikroprozessoren, ein Verfahren zur Befehlsabarbeitung, durch das in Teilaufgaben bzw. -schritte zerlegte Maschinenbefehle oder Algorithmen verarbeitet werden. Im Rahmen des Pipelining wird dabei anstelle eines Gesamtbefehls während eines Taktzyklus nur jeweils eine Teilaufgabe abgearbeitet. Die einzelnen Teilaufgaben mehrerer Befehle werden jedoch gleichzeitig ausgeführt.
Da in der Regel Teilaufgaben einfacher (und damit schneller) als die Gesamtbefehle prozessiert werden können, kann durch ein Pipelining-Verfahren die Taktfrequenz einer elektronischen Einrichtung erhöht werden. Zwar benötigt ein einzelner Befehl im Rahmen des Pipelining mehrere Takte zu seiner Ausführung, durch eine quasiparallele Bearbeitung in Teilschritten wird jedoch der Gesamtdurchsatz insgesamt erhöht.
Gerade bei datenflussorientierten Anwendungen ändern sich Kommunikationswege, also Verknüpfungspfade zwischen funktionellen Modulen, relativ selten, weshalb hier häufig Pipeline-Strukturen zum Einsatz kommen können. Diese Pipelines werden häufig in Form einer ”harten” Verbindung (Verdrahtung) realisiert.
Pipelines werden in der Fachwelt für bestimmte Aufgaben als zu starr und unflexibel angesehen. So kann die Reihenfolge der auszuführenden Arbeiten in der Regel im Rahmen von Pipeline-Verfahren nicht verändert werden. Zwar ist es gegebenenfalls möglich, einzelne Stationen einer Pipeline zu deaktivieren, es ist jedoch beispielsweise nicht möglich, bestimmte Stufen mehrfach zu durchlaufen.
Aus dem Stand der Technik sind auch flexiblere Ansätze zur Hardwareimplementierung von datenflussorientierten Anwendungen bekannt. Die sogenannte On-Chip-Kommunikation beinhaltet die Verwendung direkter Verbindungen zwischen Einzelkomponenten eines Systems oder die Verwendung von Buslösungen. Je nach Anwendung sind unterschiedliche Konfigurationen bzw. Ausgestaltungen von On-Chip oder Off-Chip-Kommunikationsverfahren sinnvoll. Es wäre jedoch wünschenswert, durch einen generischen Ansatz möglichst viele Anwendungen bedienen zu können.
Feste Verbindungen müssen je nach Anwendung neu konzipiert und realisiert werden. Buslösungen, die eine wesentlich flexiblere Kommunikationsmöglichkeit darstellen würden, sind andererseits aber stark in der Bandbreite und in der Anzahl der Busteilnehmer begrenzt, da zusätzliche Busteilnehmer stärkere (leistungsfähigere) Bustreiber erforderlich machen und die Anzahl der Verbindungen zum sogenannten Arbiter ebenfalls zunimmt. Dies hat einen erhöhten Aufwand beim Routing der Einzelverbindungen zur Folge.
Zur Realisierung von Kommunikationsaufgaben sind aus dem Stand der Technik Netzwerke in unterschiedlicher Ausgestaltung bekannt. Netzwerke stellen eine flexible Lösung zur Realisierung von Kommunikationsaufgaben dar, da sie dynamisch auf Lastverteilungen reagieren können und damit die vorhandenen Kommunikationswege optimal ausnutzen. Der Hardwareaufwand bei der Realisierung von Netzwerken ist jedoch sehr hoch, da einzelne Knotenpunkte entweder über feste Routingtabellen oder auf dynamischem Weg neue Kommunikationspfade festlegen müssen. in Netzwerken ist ferner die mit jedem Knoten zwischen Sender und Empfänger zunehmende Latenz nachteilig.
Sowohl Busse als auch Netzwerke benötigen bei jedem Zugriff eine Bereitstellung sowohl der Daten selbst als auch einer Adresse, die das Ziel der Daten angibt. Hierdurch werden der Verdrahtungsaufwand einer entsprechenden Schaltung und/oder die Übertragungszeit signifikant erhöht.
Zur Realisierung von Kommunikationsaufgaben sind auch feste Verbindungen durch sogenannte Crossbars bekannt. Hierbei wird jede Komponente mit jeder anderen verbunden. Der Aufwand einer derartigen Verbindung nimmt jedoch exponentiell mit der Anzahl an Kommunikationsteilnehmern zu. Daher werden Crossbars in der Praxis nur selten eingesetzt.
Es ist wünschenswert, Kommunikationseinrichtungen anzugeben, die eine schnelle und gleichzeitig flexible Kommunikation zwischen Kommunikationsteilnehmern ermöglichen, und durch die genannten Nachteile des Stand der Technik überwunden werden können.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine konfigurierbare Kommunikationseinrichtung, insbesondere ein Kommunikationsbaustein, mit einer Anzahl von Kommunikationsanschlüssen zum Anschluss kommunizierender Elemente, ein entsprechendes Kommunikationssystem, sowie ein Verfahren zur Kommunikation mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Losung beinhaltet, durch eine Kommunikationseinrichtung nach Maßgabe einer Konfiguration wenigstens eine direkte Kommunikationsverbindung zwischen wenigstens zwei Kommunikationsanschlüssen, an welche kommunizierende Elemente angeschlossen sind, auszubilden.
Dieser Ansatz macht sich zu nutze, dass insbesondere in datenflussorientierten Anwendungen die Kommunikationsstrukturen über längere Zeiträume konstant bleiben. Eine Adresse, die den Bestimmungsort des Datenflusses angibt, ist somit nicht bei jedem Kommunikationszugriff bzw. -vorgang notwendig. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden Kanäle aufgebaut, durch die eine direkte Kommunikation, wie sie aus den Pipeline-Verfahren bekannt ist, ermöglicht wird. Auf diese Weise können mehrere Komponenten gleichzeitig miteinander kommunizieren, ohne sich wechselseitig zu beeinflussen.
Dies wird beispielsweise durch die Bereitstellung exklusiver Kommunikationswege realisiert. Anstelle der bekannten Realisierung in Form von Busverbindungen müssen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht alle verbundenen Komponenten, die potentiell an der Kommunikation teilnehmen könnten, ”mithören”, sondern es wird eine direkte Verbindung, beispielsweise in Form einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufgebaut. Durch diese Lösung können Treiber-Elemente kleiner (leistungsschwächer) und energieschonender ausgelegt werden. Im Gegensatz zu netzwerkbasierten Verfahren treten keine Verzögerungen (Latenzen) durch die Kommunikation über mehrere Knoten auf und es werden keine aufwändigen Routing-Einheiten benötigt.
Vorteilhafterweise werden auch im Gegensatz zu den beschriebenen Grossbar-Verbindungen zwar potentiell Verbindungen jeder Komponente mit jeder anderen ermöglicht, die Anzahl jeweils gleichzeitig tatsächlich zu realisierenden Verbindungen ist jedoch stark reduziert, da Kommunikationswege, über die entsprechend dem momentanen Zustand keine Kommunikation stattfindet, gewissermaßen eingespart werden. Hierdurch wird der Aufwand einer entsprechenden Schaltung bzw. Hardwarelösung drastisch minimiert.
Die Erfindung nutzt daher die bekannten Effizienzvorteile der Pipelining-Verfahren aus, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch, wie unten näher erläutert, einzelne Stationen bzw. Schritte einer Pipeline deaktiviert, aber auch mehrfach durchlaufen werden. Dies kann beispielsweise in Form zyklischer Kommunikationsverbindungen realisiert werden. In vielen Anwendungsfällen, beispielsweise in den genannten datenflussorientierten Anwendungen, kommunizieren Systemkomponenten entsprechend einem bestimmten, zwingenden Datenfluss, der von der Anwendung vorgegeben ist, miteinander. So muss beispielsweise ein Sensor zunächst ausgelesen werden, bevor seine Daten aufbereitet und dann weiterverarbeitet werden können. Erst dann kann eine entsprechende Aktion eingeleitet werden. Daher besteht kein Grund, weshalb eine verarbeitende Komponente direkt auf einen Sensor bzw. auf dessen noch nicht aufbereitete Daten zugreifen können sollte. In herkömmlichen, busorientierten Architekturen ist dies jedoch prinzipiell jederzeit möglich, was zu einem überflüssigen Mehraufwand in der Realisierung führt. In jeder denkbaren Anwendung existieren mit anderen Worten Komponenten, die, wie erläutert, in der Praxis nie direkt miteinander kommunizieren müssen, da sich immer eine zwingend erforderliche Komponente (wie vorstehend beispielsweise die Sensorauswertemittel) dazwischen befindet.
Wird anstelle eines Busses daher eine konfigurierbare Kommunikationseinrichtung verwendet, die beispielsweise durch ein Feld von konfigurierbaren Elementen realisiert ist, kann eine Kommunikation den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden. Insbesondere kann auf eine Kommunikationsreihenfolge, wie zuvor erläutert, Rücksicht genommen werden und die Kommunikationsmittel dieser Kommunikationsreihenfolge angepasst werden. Ein überflüssiger zusätzlicher Aufwand, beispielsweise in der Bereitstellung leistungsfähiger Treiber oder Kommunikationswege, kann dadurch vermieden werden.
Eine Konfiguration der Kommunikationseinrichtung (beispielsweise eines Feldes konfigurierbarer Elemente) kann dabei von einer übergeordneten Einheit übernommen und überwacht werden. Alternativ dazu kann mit besonderem Vorteil auch vorgesehen sein, Mittel bereitzustellen, die eigenständig (autonom) einen Bedarf für eine Verbindung anmelden. Diese Mittel können auch Teil der kommunizierenden Elemente sein. Verbindungen, die entweder durch eine Konfiguration durch die übergeordnete Einheit oder aufgrund einer Anforderung der Komponenten selbst eingerichtet werden, bleiben dabei vorteilhafterweise mindestens bis zur nächsten Konfiguration (d. h. über einen Konfigurationszyklus) bestehen, können jedoch auch dauerhaft ausgelegt werden, obwohl sich ein physikalischer Pfad gegebenenfalls ändern kann. Falls zweckmäßig, kann auch vorgesehen sein, Kurzzeit-Kommunikationswege aufzubauen, über die beispielsweise nur eine bestimmte Nachricht ausgetauscht wird, und die anschließend abgeschaltet werden.
Es sei betont, dass der Einsatz einer konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung, wie sie erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, den Einsatz weiterer (zusätzlicher) Kommunikationsmittel, wie beispielsweise von Bussen oder Crossbars nicht ausschließt. Beispielsweise können Crossbars für Kommunikationswege eingesetzt werden, von denen bekannt ist, dass sie sich im Rahmen der Applikation niemals ändern. Eine Busverbindung kann hingegen beispielsweise auch aus Kompatibilitätsgründen zur Außenkommunikation eingesetzt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Beispiel einer Verarbeitung eines Datenflusses unter Verwendung fester Kommunikationswege gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt ein Beispiel einer Verarbeitung eines Datenflusses gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt ein Beispiel einer Verarbeitung eines Datenflusses gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine Konfiguration von konfigurierbaren Elementen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie eine Einrichtung von Kommunikationsverbindungen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine konfigurierbare Kommunikationseinrichtung mit Funktionsmodulen und Kommunikationsmitteln gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt die Funktionsweise einer konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung mit Funktionsmodulen und Kommunikationsmitteln gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt die Funktionsweise einer konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung mit Funktionsmodulen und Kommunikationsmitteln gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt die Funktionsweise einer konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung mit Funktionsmodulen und Kommunikationsmitteln gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In den nachfolgenden Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Auf eine wiederholte Erläuterung dieser Elemente wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
1 zeigt, insgesamt mit 100 bezeichnet, schematisch die Verarbeitung eines Signals einer Kamera als Beispiel einer datenflussorientierten Anwendung, die wenigstens teilweise, beispielsweise durch Pipelines, in Hardware umgesetzt ist (im folgenden teilweise verallgemeinernd als ”Hardwarerealisierung” bezeichnet).
Das Kamerasignal setzt sich aus den drei Farbkanälen Rot (R), Gelb (G) und Blau (B) zusammen. Im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung der Figuren wird dabei jeweils nur der rote Farbkanal (R) erläutert, die Verarbeitung der zwei anderen Kanäle erfolgt jedoch prinzipiell auf die gleiche Weise. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verarbeitung elektronischer Video- oder Kamerasignale beschränkt, sondern prinzipiell bei allen datenflussorientierten Anwendungen, beispielsweise Verarbeitung von Audiodaten, Sensordaten (z. B. Radar) usw., anwendbar.
Die Hardwarerealisierung 100 weist einen ersten Puffer 1, beispielsweise einen 4-Zeilen-Puffer, auf, der zumindest über Schnittstellen 1.1 und 1.2 verfügt. Über die Schnittstelle 1.2 ist der Puffer 1 beispielsweise mit einem 3 × 3-Filter 2 an dessen Schnittstelle 2.1 verbunden. Zwischen Schnittstelle 1.2 und Schnittstelle 2.1 ist eine Verbindung 9.1, beispielsweise in Form einer Verkabelung oder einer Verdrahtung vorgesehen.
Filter 2 verfügt über eine weitere Schnittstelle 2.2. Über die Schnittstelle 2.2 ist der Filter 2 mit einem weiteren Puffer 3, insbesondere einem weiteren 4-Zeilen-Puffer 3, über dessen Schnittstelle 3.1 verbunden. Zwischen der Schnittstelle 2.2 und der Schnittstelle 3.1 ist eine weitere Verbindung 9.2 ausgebildet, die entsprechend der zuvor erläuterten Verbindung 9.1 ausgebildet sein kann.
Über eine weitere Schnittstelle 3.2 ist der Puffer 3 über Verbindung 9.3 mit einer Schnittstelle 4.1 eines weiteren 3 × 3-Filters 4 verbunden. Nach der Verarbeitung durch den Puffer 1, den Filter 2, den Puffer 3 und den Filter 4 wird das Signal an einer Schnittstelle 4.2 bereitgestellt (ausgegeben). Zwischen den Schnittstellen 3.2 und 4.1 ist eine Verbindung vorgesehen.
Die Filter 2 und 4 der 1 können beispielsweise in Hardware realisiert sein und durch eine entsprechende Matrix konfiguriert werden. Die Anwendung, wie sie durch die Anordnung der 1 realisiert ist, verlangt beispielsweise die Verwendung von bis zu zwei Filtern hintereinander.
Es sei darauf hingewiesen, dass aus dem Stand der Technik, wie er in 1 dargestellt ist, lediglich bekannt ist, die Kommunikationswege zwischen den jeweiligen Schnittstellen starr auszubilden. Ein einzelnes Element der Kette der Kommunikationsteilnehmer 1, 2, 3 und 4 kann dabei zwar gegebenenfalls umgangen oder auch ohne eine entsprechende Bearbeitung durchlaufen werden, eine mehrfache Ausführung bzw. ein mehrfaches Durchlaufen eines der Elemente 1, 2, 3 oder 4 ist jedoch nicht möglich. Daher müssen bestimmte Elemente, wie beispielsweise die Puffer 1 oder 3 oder die Filter 2 oder 4 gemäß dem Stand der Technik häufig mehrfach implementiert werden.
2 zeigt eine der 1 entsprechende Hardwarerealisierung, beispielsweise einer Signalverarbeitung, gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Ansicht. Die Komponenten 1, 2, 3, 4, die, wie in 1, einen Puffer 1, einen weiteren Puffer 3, einen ersten Filter 2 und einen weiteren Filter 4 bezeichnen, sind um eine konfigurierbare Kommunikationseinrichtung 5 angeordnet, die beispielsweise als konfigurierbares Kommunikationsfeld realisiert sein kann. Die konfigurierbare Kommunikationseinrichtung 5 verfügt über Schnittstellen 5.1 bis 5.8, mit denen sie mit den Elementen 1 bis 4 kommuniziert und, wie im Folgenden erläutert, eine Verbindung zwischen den Elementen 1 bis 4 herstellt.
Die konfigurierbare Konfigurationseinrichtung 5 kann eine Konfigurationseinrichtung 6 aufweisen, die zur Konfiguration der konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung 5 dient. Weitere Schnittstellen, hier beispielhaft mit 5.9 bezeichnet, können vorgesehen sein. Die Signalverarbeitung, wie sie in 1 gezeigt ist, kann durch die konfigurierbare Kommunikationseinrichtung der 2 wie folgt umgesetzt werden.
Ein Signal wird, beispielsweise über die Schnittstelle 5.9, bereitgestellt. Über die Schnittstelle 5.5 gelangt dieses Signal an die Schnittstelle 1.1 (analog zur 1) eines 4-Zeilen-Puffers 1. Über die Schnittstelle 1.2 dieses Puffers 1 und die Schnittstelle 5.6 der konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung kann das Signal aus dem Puffer abgerufen werden. Das Signal wird an die Schnittstelle 5.1 über die Schnittstelle 2.1 an einen Filter 2 bereitgestellt. Ausgehend von Filter 2 existiert eine Verbindung über die Schnittstelle 2.2 und die Schnittstelle 5.2. In analoger Weise, der Übersicht halber jedoch nicht erneut erläutert, gelangt das Signal nun zu Puffer 3 und dem weiteren Filter 4. Nach dem Durchlaufen der Elemente 1 bis 4, wobei Einzelelemente, falls erforderlich, auch mehrmals durchlaufen oder andere Elemente umgangen werden können, wird das Signal, beispielsweise an die Schnittstelle 5.9, bereitgestellt (ausgegeben).
Die in 2 realisierte Lösung beinhaltet das Ausbilden von Kommunikationswegen bzw. -verbindungen zwischen den Schnittstellen 5.9 und 5.5, den Schnittstellen 5.6 und 5.1, den Schnittstellen 5.2 und 5.7, den Schnittstellen 5.8 und 5.3 sowie den Schnittstellen 5.4 und 5.9 der Kommunikationseinrichtung 5. Die Ausbildung dieser, mit gestrichelten Pfeilen dargestellten Kommunikationsverbindungen erfolgt dabei nach Maßgabe einer Konfiguration durch eine Konfigurationseinrichtung 6. Alternativ kann die Einrichtung der Kommunikationsverbindungen auch auf eine Anforderung durch die Elemente 1 bis 4 hin erfolgen. Die jeweiligen Verbindungen zwischen den Elementen 1 bis 4 mit der Kommunikationseinrichtung 5 können entsprechend der zuvor erläuterten Verbindung 9.1–9.3 vorgesehen sein, jedoch auch auf jede andere Weise implementiert sein.
In 3 ist eine alternative Hardware-Realisierung schematisch dargestellt, wobei jedoch gezeigt ist, wie aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen mit besonderem Vorteil eine Anzahl der bereitzustellenden, bzw. gesondert zu implementierenden Elemente reduziert werden kann. Im Rahmen der Realisierung der 3 ist, anstelle der Bereitstellung von zwei Filtern 2 und 4, lediglich ein Filter 2 vorgesehen, der jedoch zweimal durchlaufen wird. Dies wird durch eine Konfiguration der Kommunikationseinrichtung 5 auf folgende Weise realisiert.
Ein Signal, beispielsweise von Schnittstelle 5.9, gelangt über Schnittstelle 5.5 zu Schnittstelle 1.1 des Puffers 1. Von Puffer 1 gelangt das Signal über die Schnittstelle 1.2 zur Schnittstelle 5.6 der konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung. Von der Schnittstelle 5.6 zur Schnittstelle 5.10 ist eine Kommunikationsverbindung definiert, wodurch das Signal an der Schnittstelle 2.1 des Filters 2 bereitgestellt wird. Das Signal gelangt über die Schnittstelle 2.2 des Filters 2 an die Schnittstelle 5.11 der konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung 5. Von dort wird das Signal über die Schnittstelle 5.7 der konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung 5 an die Schnittstelle 3.1 des Puffers 3 bereitgestellt. Das Signal verlässt den Puffer 3 über die Schnittstelle 3.2 und gelangt über die Schnittstelle 5.8 und eine zwischen Schnittstelle 5.8 und Schnittstelle 5.10 vorgesehen Kommunikationsverbindung zur Schnittstelle 2.1 des Filters 2. Der Filter 2 wird damit ein weiteres mal durchlaufen. Nach dem Verlassen des Filters 2 über Schnittstelle 2.2 und nach dem Durchlaufen von Schnittstelle 5.11 wird das Signal an Schnittstelle 5.9 bereitgestellt.
Die Einrichtung der festen Kommunikationsverbindungen kann auch im Rahmen der 3 durch eine Kommunikationseinrichtung 6 erfolgen, diese ist jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
In 4A ist die Konfiguration von konfigurierbaren Elementen 8, wie sie als Teil einer konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung 5 zum Einsatz kommen können, schematisch dargestellt. Der linke und der rechte Teil der 4A zeigen das identische Konfigurationselement 8, das jedoch in unterschiedlichen Schaltzuständen dargestellt ist. Das Konfigurationselement 8 weist einen Eingang 8.1 und zwei Ausgänge 8.2 und 8.3 auf, die über eine Verbindung 7 wahlweise mit dem Eingang 8.1 verbunden werden können. Es sei zu verstehen gegeben, dass die Konfigurationselemente neben dem binären Schaltzustand, wie er in 4A dargestellt ist, auch über weitere Schaltzustände verfügen können, beispielsweise können mehrere Ein- und/oder Ausgänge vorgesehen sein.
Im Schaltzustand, wie er im linken Teil der 4A dargestellt ist, ist ein Eingang 8.1 des Kommunikationselements 8 mit einem Ausgang 8.3 des Kommunikationselements 8 verbunden. Im rechten Teil der 4A ist ein Eingang des Kommunikationselements 8.1 mit einem Ausgang 8.2 verbunden, wohingegen keine Verbindung zum Ausgang 8.3 besteht. Zwischen den jeweiligen Ein- und Ausgängen ist eine Verbindung 7 vorgesehen.
In 4B ist eine schematische, teilweise Detailansicht der 2 oder 3 dargestellt, wobei die Anordnung der Kommunikationselemente 8 veranschaulicht wird. Es ist gezeigt, wie jeweils zwischen den Schnittstellen 5.1 und 5.7 über die Verbindungen 7 eine direkte Kommunikationsverbindung zwischen der Schnittstelle 2.1 des Filters 2 der Schnittstelle 3.1 des Puffers 3, sowie den Schnittstellen 2.2 des Filters 2 sowie der Schnittstelle 3.2 des Puffers 3 hergestellt ist.
Wenngleich in der 4B vier konfigurierbare Elemente 8 dargestellt sind, ist selbstverständlich jede andere Anzahl konfigurierbarer Elemente 8 denkbar. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, als konfigurierbare Elemente einer konfigurierbaren Logikschaltung vorzusehen, beispielsweise eines FPGA-Bausteins.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung, die in der 5–8 dargestellt und jeweils insgesamt mit 50 bezeichnet ist, kann eine konfigurierbare Kommunikationseinrichtung 50 Funktionsmodule A–C, die in Blöcken 10.1–10.3 angeordnet sind, und Kommunikationsmittel 11.1, 11.2 zur Kommunikation wenigstens zwischen den Funktionsmodulen A–C und/oder den Blöcken 10.1–10.3 sowie wenigstens eine Systemüberwachungseinheit 12 aufweisen, wobei nach Maßgabe der wenigstens einen Systemüberwachungseinheit 12 auf Grundlage von durch die Kommunikationsmittel 11.1, 11.2 und/oder die Funktionsmodule A–C bereitgestellten Systeminformationen eine Verlagerung und/oder ein Austausch von Funktionsmodulen A–C vornehmbar ist.
Die Kommunikationseinrichtung 50 kann ferner beispielsweise eine Speichereinrichtung 13, eine Eingabe-Ausgabeeinheit 14, die beispielsweise mit einem Eingang 8.1–8.11, wie zuvor erläutert, verbunden sein kann, eine Bridge 15 und/oder einen Prozessor 16, insbesondere einen Softwareprozessor 16, aufweisen. Die einzelnen Elemente können über Kommunikationsanschlüsse 17.1–17.10 mit den Kommunikationsmitteln 11.1, 11.2 verbunden sein. Eine Kommunikation zwischen den Kommunikationsmitteln 11.1, 11.2, den Funktionsmodulen A–C und/oder den Blöcken 10.1–10.3, der Speichereinrichtung 13, der Eingabe-Ausgabeeinheit 14, der Bridge 15 und/oder dem Prozessor 16 einerseits und der Systemüberwachungseinheit 12 kann andererseits über weitere Kommunikationskanäle 18.1–18.6 erfolgen.
Feldprogrammierbare Gatterarrays (Field Programmable Gate Arrays, FPGA) ermöglichen eine flexible Realisierung von Schaltungen auf einem Chip und können daher auch vorteilhafterweise im Rahmen einer Kommunikationseinrichtung 50 verwendet werden. Die Konfiguration eines FPGA erfolgt herkömmlicherweise über entsprechende Konfigurationsdateien. Die Konfiguration erfolgt meist statisch, d. h. einmalig vor Inbetriebnahme eines entsprechenden Bausteins. Die bekannte, sogenannte dynamische Rekonfiguration von FPGA zur Laufzeit ist nur in beschränktem Umfang möglich. Bekannte FPGA-Architekturen sind daher unflexibel. Auch bei dynamischer Rekonfiguration existieren in der Regel feste Positionen, zwischen denen Funktionsmodule A–C ausgetauscht werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist hingegen eine gezielte dynamische Verlagerung und/oder ein Austausch einzelner Funktionsmodule A–C vorgesehen. Auf diese Weise können beispielsweise Kommunikationswege über Kommunikationsmittel 11.1, 11.2 verkürzt und/oder vereinfacht werden.
Gleichzeitig existiert herkömmlicherweise jeweils nur eine einzige Implementierung der Funktionsmodule A–C. Die Funktionsmodule A–C können jeweils auf unterschiedliche Parameter, beispielsweise auf Energieeffizienz, Performanz, Genauigkeit und Fläche hin optimiert werden. Um zu vermeiden, dass die Verbesserung eines Parameters die Verschlechterung anderer verursacht, werden herkömmlicherweise die Parameter gewichtet und eine entsprechende Lösung aus der Menge der Pareto-Optimalen ausgewählt.
Es ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung im Gegensatz dazu möglich, mehrere Implementierungen von Funktionsmodulen A–C vorzusehen, die dann jeweils individuell auf bestimmte Einzelparameter (Fläche, Geschwindigkeit, Energiebedarf etc.) hin optimiert werden können. Durch die vorgesehene Verlagerung und/oder einen entsprechenden Austausch können dann jeweils den aktuellen Anforderungen entsprechende Versionen bzw. Implementierungen der Funktionsmodule A–C verwendet werden.
Beispielsweise ist bei einem Motorsteuergerät vorteilhaft, je nach Drehzahl Implementierungen von Modulen A–C auf verschiedene Parameter hin auszulegen. Bei geringen Drehzahlen können weniger performante, aber dafür energieeffizientere Funktionsmodule A–C zum Einsatz kommen. Bei höheren Drehzahlen werden diese Funktionsmodule A–C durch geschwindigkeitsoptimierte Funktionsmodule A–C ersetzt.
Eine derartige mehrfache Implementierung kann modernen Verfahren der FPGA-Synthese (wie beispielsweise der High-Level-Synthese) mit vertretbarem Aufwand realisiert werden. Sind diese jeweils optimierten Instanzen der Funktionsmodule A–C zur Laufzeit verfügbar, können nach Bedarf verschiedene Versionen eingesetzt werden, um so das Systemverhalten situationsgerecht zu optimieren. Dafür können beispielsweise Funktion, Kommunikation und/oder Auslastung der Funktionsmodule A–C und/oder der Blöcke 10.1–10.3 zur Laufzeit von der Systemüberwachungseinrichtung 12 überwacht werden, die Informationen von beispielsweise den Kommunikationsmitteln 11.1, 11.2, den Funktionsmodulen A–C, der Speichereinrichtung 13, der Eingabe-Ausgabeeinheit 14, der Bridge 15 und/oder dem Prozessor 16 erhält.
So können beispielsweise Funktionsmodule A–C, zwischen denen in bestimmten Situationen ein hohes Kommunikationsaufkommen besteht, näher zueinander verschoben werden und je nach Auslastung entweder performantere oder energiesparende Implementierungen verwendet werden. Es ist auch möglich je nach aktuellen Systemanforderungen einzelne Funktionen in Software auf einem optionalen (Software-)Prozessor 10 auszuführen oder bei Bedarf in externe Hardwarekomponenten (nicht gezeigt) auszulagern.
Die Systemüberwachungseinheit 12 selbst analysiert vorteilhafterweise als passives Buselement die Kommunikation über die als Bus bereitgestellten Kommunikationsmittel 11.1, 11.2 und kann so entsprechende Anforderungen bzw. Bedürfnisse ermitteln, ohne das Systemverhalten zu beeinflussen oder gar einzuschränken. Auch die Auslastung der einzelnen Funktionsmodule A–C lässt sich implizit über die Kommunikation bzw. ein Kommunikationsaufkommen über die Kommunikationsmittel 11.1, 11.2 ermitteln. Es sind aber auch direkte Informationen der Funktionsmodule A–C denkbar, welche entsprechende Informationen der Systemüberwachungseinheit 12 (ähnlich einer Diagnoseschnittstelle) zur Verfügung stellen. Die Bereitstellung der Informationen an Systemüberwachungseinheit 12 kann über die existierenden Kommunikationsmittel 11.1, 11.2 und/oder über die weiteren Kommunikationskanäle 17.1–17.6 erfolgen.
A priori-Informationen über die jeweiligen Implementierungen (Deadlines, Fläche, Performanz etc.) der Funktionsmodule A–C sind der Systemüberwachungseinheit 12 bekannt und/oder werden, beispielsweise als Meta-Informationen, zusätzlich zu den Funktionsmodulen A–C zur Laufzeit zur Verfügung gestellt. Durch eine vorteilhafterweise vorgesehene redundante Instanzierung der zu verlagernden und/oder auszutauschenden Funktionsmodule A–C, bzw. der entsprechenden Implementierungen der Funktionsmodule A–C kann das System unterbrechungsfrei weiterarbeiten. Die Umschaltung von der ursprünglichen Instanz bzw. Implementierung eines Funktionsmoduls A–C zur neuen Instanz bzw. Implementierung kann im laufenden Betrieb erfolgen.
In diesem Zusammenhang kann sich eine Network-On-Chip-Architektur oder der zuvor erläuterte Ansatz der konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung als vorteilhaft erweisen, da diese eine entsprechende dynamische Kommunikation erlauben, einfache Clusterungen zulassen und die Umschaltung zwischen den Instanzen durch Änderungen im Routing gegebenenfalls nativ unterstützen.
Durch die implizite und kontinuierliche Optimierung des Systems muss die Entwicklung der Funktionalenblöcke nicht angepasst werden. Vielmehr kann der Ansatz auch bei existierenden Systemen angewendet werden und allein durch die dynamische Verlagerung der Funktionsmodule A–C zur Laufzeit (Verringerung des Kommunikationsaufwands) die Performanz und der Energiebedarf optimiert werden. Durch platzsparende Implementierungen der Funktionsmodule A–C lässt sich beispielsweise bei Bedarf Platz für aktuell benötigte performante Instanzen anderer Funktionsmodule A–C schaffen. Auf diese Weise arbeitet das System immer im situationsoptimalen Zustand.
In den 6 bis 8 ist die Funktionsweise der Kommunikationseinrichtung 50, wie in 5 ausführlich erläutert, jeweils an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht. In den nachfolgenden Figuren ist die Systemüberwachungseinheit 12 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, jedoch gleichwohl bereitstellbar. Die jeweilige Schraffur der Funktionsmodule gibt eine Auslastung bzw. Nutzung an, wobei ein weißes Funktionsmodul A–C gering, ein schwarzes Funktionsmodul A–C stark ausgelastet ist, und die übrigen Schraffuren, ihrer Helligkeit entsprechend, Zwischenzustände angeben. Die Flächengröße der Symbole der Funktionsmodule A–C symbolisiert eine reale Größe, beispielsweise eine Chipfläche bzw. einer Prozessorbelegung oder -auslastung dieser Module, wobei größer dargestellte Funktionsmodule beispielsweise leistungsfähiger (performanter), jedoch resourcenintensiver sind.
In 6A ist eine Kommunikationseinrichtung 50 im Betrieb dargestellt, wobei Funktionsmodul A Block 10.3 und Funktionsmodul C Block 10.1 belegt. Block 10.2 ist unbelegt, Funktionsmodul B ist in einem Prozessor 16 implementiert. In 6A ist Funktionsmodul C in Block 1 zu stark ausgelastet. Es ist daher zweckmäßigerweise eine performantere Implementierung zu instanzieren.
Um das System unterbrechungsfrei weiterarbeiten zu lassen, wird das Funktionsmodul C während einer Übergangszeit, wie in 6B dargestellt, parallel instanziert. In 6B läuft eine erste Implementierung des Funktionsmoduls C (stark ausgelastet) in Block 10.1. Eine weitere (leistungsfähigere und damit geringer ausgelastete) Implementierung des Funktionsmoduls C ist gleichzeitig in Block 10.2 instanziert.
Nach einer Übergangszeit wird die erste, zuvor übermäßig ausgelastete Instanz des Funktionsmoduls C aus Block 10.1 entfernt, wie in 6C dargestellt.
7A zeigt eine Kommunikationseinrichtung 50, in der ein hohes Kommunikationsaufkommen zwischen einem in Block 10.3 implementierten Funktionsmodul A und einem in Block 10.2 implementierten Funktionsmodul C festgestellt wird, wodurch Kommunikationsmittel 11.1 und 11.2 sowie gegebenenfalls die Bridge 15 stark ausgelastet ist. Daher soll Funktionsmodul A näher zu Funktionsmodul C verlagert werden, wozu sich der (unbelegte) Block 10.1 anbietet.
Um das System unterbrechungsfrei weiterarbeiten zu lassen, wird das Funktionsmodul A während einer Übergangszeit, wie in 7B dargestellt, parallel instanziert. In 7B läuft eine erste Implementierung des Funktionsmoduls A in Block 10.3. Eine weitere (vorzugsweise funktionell identische) Implementierung des Funktionsmoduls A ist gleichzeitig in Block 10.1 instanziert.
Nach einer Übergangszeit wird auch hier die erste, zuvor weiter entfernte Instanz des Funktionsmoduls A aus Block 10.3 entfernt, wie in 7C dargestellt. Somit erfolgt die Kommunikation zwischen den Funktionsmodulen A und C nun nunmehr über Kommunikationsmittel 10.1, und damit effizienter.
8A zeigt eine Kommunikationseinrichtung 50, in der eine geringe Auslastung eines in Block 10.1 implementierten Funktionsmoduls A festgestellt wird, weshalb sich anbietet, dieses Funktionsmodul A in den Prozessor 16 auszulagern und dort, beispielsweise in Form einer Softwareimplementierung, neben dem Funktionsmodul B auszuführen.
Um das System auch in diesem Fall unterbrechungsfrei weiterarbeiten zu lassen, wird das Funktionsmodul A während einer Übergangszeit, wie in 8B dargestellt, parallel instanziert. In 8B läuft eine erste Implementierung des Funktionsmoduls A noch in Block 10.1. Eine weitere, beispielsweise resourcenschonendere aber leistungsschwächere, Software-Implementierung des Funktionsmoduls A ist gleichzeitig Prozessor 16 realisiert.
Nach einer Übergangszeit wird auch hier die erste, in Block 10.1 implementierte Instanz des Funktionsmoduls A abgeschaltet, wie in 8C dargestellt.

Claims

Konfigurierbare Kommunikationseinrichtung (5), insbesondere Kommunikationsbaustein, mit einer Anzahl von Kommunikationsanschlüssen (5.1–5.8) zum Anschluss kommunizierender Elemente (1–4), dadurch gekennzeichnet, dass in der Kommunikationseinrichtung (5) nach Maßgabe einer Konfiguration frei vorgebbare direkte Kommunikationsverbindungen (7) zwischen jeweils wenigstens zwei Kommunikationsanschlüssen (5.1–5.8) ausbildbar und wieder entfernbar sind.
Konfigurierbare Kommunikationseinrichtung (5) nach Anspruch 1, die wenigstens eine Konfigurationseinrichtung (6) zur Konfiguration auf Grundlage einer Anforderung durch wenigstens ein kommunizierendes Element (1–4), insbesondere unter Berücksichtigung einer Kommunikationsreihenfolge zwischen kommunizierenden Elementen (1–4), aufweist.
Konfigurierbare Kommunikationseinrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kommunikationsverbindungen (7) wenigstens einen Kommunikationskanal zur Pipelinekommunikation und/oder zum exklusiven Austausch von Datenflüssen beinhalten.
Konfigurierbare Kommunikationseinrichtung (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Kommunikationsverbindungen (7) wenigstens eine zyklische Kommunikationsverbindung (7) beinhalten.
Konfigurierbare Kommunikationseinrichtung (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die wenigstens ein konfigurierbares Verbindungselement (8), insbesondere ein Feld konfigurierbarer Verbindungselemente (8), aufweist.
Konfigurierbare Kommunikationseinrichtung (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weitere Kommunikationsstrukturen, insbesondere wenigstens einen Kommunikationsbus, aufweist.
Konfigurierbare Kommunikationseinrichtung (50) nach Anspruch 1 oder dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die Funktionsmodule (A–C) und Kommunikationsmittel (11.1, 11.2) zur Kommunikation wenigstens zwischen den Funktionsmodulen (A–C) sowie wenigstens eine Systemüberwachungseinheit (12) aufweist und bei der nach Maßgabe der wenigstens Systemüberwachungseinheit (12) auf Grundlage von durch die Kommunikationsmittel (11.1, 11.2) und/oder die Funktionsmodule (A–C) bereitgestellten Systeminformationen eine Verlagerung und/oder ein Austausch von Funktionsmodulen (A–C) vornehmbar ist.
Konfigurierbare Kommunikationseinrichtung (50) nach Anspruch 7, bei der die Systeminformationen eine Auslastung von und/oder ein Kommunikationsaufkommen zwischen den Funktionsmodulen (A–C) beinhalten und durch die Verlagerung und/oder den Austausch von Funktionsmodulen (A–C) die Auslastung von und/oder das Kommunikationsaufkommen zwischen den Funktionsmodulen (A–C) beeinflussbar ist.
Verfahren zur Kommunikation zwischen kommunizierenden Elementen (1–4), das unter Verwendung einer konfigurierbaren Kommunikationseinrichtung (5, 50) oder eines Kommunikationssystems nach einem der vorstehenden Ansprüche durchgeführt wird.
Verfahren zur Kommunikation zwischen kommunizierenden Elementen (1–4) nach Anspruch 7 bis 9, bei der im Rahmen der Verlagerung und/oder des Austauschs von Funktionsmodulen (A–C) eine redundante Instanzierung wenigstens eines Funktionsmoduls (A–C) erfolgt.