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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Steuergeräts, eine Schaltungsanordnung für ein Steuergerät und ein Steuergerät.
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Stand der Technik
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Bei einem Betrieb eines Steuergeräts zur Steuerung einer technischen Vorrichtung wird u. a. eine Datenverarbeitung durchgeführt. Das Steuergerät stellt die Daten und/oder Informationen Aktoren und/oder Sensoren einer derartigen technischen Vorrichtung bereit. Zur Steuerung der technischen Vorrichtung werden durch das Steuergerät unterschiedliche Funktionen ausgeführt, wobei von jeweils einer Funktion für durchzuführende Berechnungen Hardwareressourcen genutzt werden. Im Rahmen der vorgestellten Erfindung ist vorgesehen, die gegebenen Hardwareressourcen besonders effektiv zu nutzen.
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Verschiedene Untersuchungen und Veröffentlichungen, z. B. die nachfolgend erwähnte Druckschrift
DE 10 2005 010 476 A1 , beschreiben Systemaufbauten, die dynamisch rekonfigurierbare Hardwareressourcen in Steuergeräten ermöglichen sollen. Bei den Untersuchungen werden datenintensive Berechnungen, wie bspw. Videobearbeitungen, die in einem Steuergerät nicht vorgenommen werden, berücksichtigt. Weiterhin werden die zum Teil sehr unterschiedlichen Modulgrößen und Timinganforderungen, die in Steuergeräten vorliegen, nicht weiter untersucht. Somit werden die in Steuergeräten gegebenen Bedingungen nur zureichend gewürdigt.
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Die Anbindung an externe Geräte erfolgt bei den untersuchten Vorrichtungen nur über standardisierte Datenschnittstellen, wie z. B. Firewire. Eine direkte Sensor- und/oder Aktor-Anbindung ist nicht vorgesehen. Bei Veröffentlichungen aus dem industriellen und/oder automotiven Umfeld werden Steuergeräte mit entsprechenden Schnittstellen wie CAN oder FlexRay gekoppelt. Die eigentlichen Aufbauten der Steuergeräte weisen jedoch dieselben Einschränkungen wie bspw. Vorrichtungen für datenintensive Berechnungen auf.
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Ein Steuergerät zur Steuerung von Komponenten in einem Verkehrsmittel ist Gegenstand der bereits genannten Druckschrift
DE 10 2005 010 476 A1 . Das Steuergerät umfasst eine Schnittstelle zu einem externen Datenbus, ein Hardwaremodul und einen Speicher zur Bereitstellung der für die Datenverarbeitung notwendigen Daten. Hierbei erfolgt über die Schnittstelle zum Datenbus mit Sensoren oder Aktoren eine direkte Kommunikation, um Komponenten von Verkehrsmitteln zu steuern. Das Steuergerät weist mindestens zwei konfigurierbare Hardwaremodule auf, die dazu ausgebildet sind, aufgrund der Nachrichten vom Datenbus oder der Steuerbefehle des Steuergeräts mehrere Steuerprozesse auf den Hardwaremodulen zeitlich parallel durchzuführen, wobei eine Verteilungseinheit zum Zuordnen der parallel ablaufenden Steuerungsprozesse auf die Hardwaremodule vorgesehen ist. Nach dem Zuordnen eines Steuerungsprozesses zu einem Hardwaremodul wird zunächst eine Hardwarekonfiguration in das Hardwaremodul geladen, um dessen Hardware neu zu konfigurieren. Nach Zuweisen der Eingangsdaten für den Steuerungsprozess übernimmt das neu konfigurierte Hardwaremodul die Steuerung der zugeordneten Komponente.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren, eine Schaltungsanordnung, und ein Steuergerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Die Erfindung betrifft u. a. einen Aufbau einer Schaltungsanordnung bzw. eines Systems zur Realisierung einer dynamischen Rekonfigurierung und somit einer Neu-Einstellung oder allgemein einer Einstellung von Flächen eines Hardwaremoduls, das bspw. als Rechenkern bzw. Prozessor oder Speicherbereich in einem Steuergerät ausgebildet sein kann.
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Das Steuergerät, für das die Schaltungsanordnung vorgesehen sein kann, kann für eine elektromechanische Einrichtung, bspw. für ein Fahrzeug, verwendet werden und umfasst in Ausgestaltung eine rekonfigurierbare Fläche bzw. Hardwarefläche des Hardwaremoduls, die in verschieden große Flächenelemente bzw. Teilflächenelemente aufgeteilt ist. Die Schaltungsanordnung kann weiterhin einen Dispatcher, der auch als Zuteilungsmodul bezeichnet wird und zur Zuordnung von mindestens einer Funktion zur Fläche des Hardwaremoduls ausgebildet ist, sowie einen Scheduler, der auch als Zeitplanungsmodul bezeichnet wird und zur zeitlichen Auswahl von der mindestens einen Funktion ausgebildet ist, umfassen. Außerdem kann die Schaltungsanordnung eine konfigurierbare Verbindungsstruktur bzw. Port-Matrix zum Zugriff auf Ein- und Ausgänge sowie zur Umsetzung einer Arbitrierung bzw. einer Zugriffskontrolle für Zugriffe auf diese Ein- und Ausgänge durch das Zusammenspiel von Dispatcher und Scheduler umfassen. Falls mehrere Funktionen auszuführen sind, so werden diese gemeinsam, üblicherweise unter gegenseitiger Wechselwirkung, realisiert.
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Durch den über die Schaltungsanordnung gegebenen Aufbau kann in einer Ausführungsform der Erfindung der Bedarf an rekonfigurierbarer Fläche des Hardwaremoduls und somit von Hardwareressourcen gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden und eine Zeiteinteilungsstruktur bzw. Timingeigenschaft eines Steuergeräts bei der Ausführung von Funktionen besser berücksichtigt werden. Außerdem kann eine dynamische Rekonfigurierung im Steuergerät bei Verbesserung des Flächenoverheads, eine Berücksichtigung von Timinganforderungen im Steuergerät und die Arbitrierung von Zugriffen auf externe Ressourcen ermöglicht werden, die von mehreren Funktionen gemeinsam genutzt werden. Bei den genannten externen Ressourcen handelt es sich üblicherweise um elektromechanische Einrichtungen wie Sensoren und/oder Aktoren.
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Das Hardwaremodul ist eine Einheit, die mindestens eine Funktion einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und/oder einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuergeräts ausführen kann. Bei dem Dispatcher (Zuteilungsmodul) handelt es sich um ein Modul, das die örtliche Lokalisation von Funktionen festlegt und diese an Stelle mindestens eines ausgewählten Funktionsmoduls einspielt bzw. wieder von dem mindestens einen Flächenelement entfernt. Der Scheduler (Zeitplanungsmodul) ist dazu ausgebildet, die Nutzung der rekonfigurierbaren Fläche durch die mindestens eine Funktion zeitlich festzulegen. Dabei legt der Scheduler u. a. fest, welche Funktion zu welchem Zeitpunkt ausgeführt werden soll. Der Dispatcher und der Scheduler können in einer Ausgestaltung gegenseitig ergänzend zusammenwirken und dabei gemeinsam festlegen, welche mindestens eine Funktion zu welchem Zeitpunkt auf welchem mindestens einen Flächenelement ausgeführt wird.
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Die Port-Matrix ist als eine Verbindungsstruktur ausgebildet, die ausgeführte Funktionen auf der rekonfigurierbaren Fläche mit Eingängen bzw. Input-Pins und Ausgängen bzw. Output-Pins verbindet, z. B. zur Anbindung des Steuergeräts an elektromechanische Einrichtungen, üblicherweise an Sensoren und/oder Aktoren. Die Arbitrierung bzw. das Zugriffskontrollverfahren dient der Kontrolle der Zugriffe auf die rekonfigurierbare Fläche des gemeinsam genutzten Hardwaremoduls.
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In Ausgestaltung legt der Scheduler aus Anforderungen der Schaltungsanordnung und somit des Steuergeräts unter möglicher Berücksichtigung externer elektronischer Einrichtungen und zeitlichen Anforderungen der Funktionen fest, welche Funktion zu welchem Zeitpunkt zur Ausführung gebracht werden soll. Dazu kann dem Scheduler mindestens eine der folgenden Informationen zur Verfügung stehen.
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Dies können Informationen über Zeitpunkte sein, zu denen Interrupts und somit Unterbrechungen von Funktionen auftreten, die durch die Schaltungsanordnung durchzuführen sind, wobei diese Interrupts in der Regel sehr schnell zu bearbeiten sind.
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Eine Endzeit für die mindestens eine Funktion, üblicherweise ein Zeitpunkt, an dem die Abarbeitung der mindestens einen Funktion beendet sein wird, kann ebenfalls als Information verwendet werden.
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Dasselbe gilt für eine Laufzeit der mindestens einen Funktion und somit eine Zeitspanne, die die mindestens eine Funktion zur Ausführung benötigt. Weiterhin kann über eine maximale Laufzeit eine Information bereitgestellt werden, zu der eine Funktion wieder von der rekonfigurierbaren Fläche entfernt wird, was bspw. über Zeitschlitze (time slots) und somit über Zeitabschnitte mit fest vorgegebener Länge erfolgen kann.
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Zykluszeiten als zusätzliche oder alternative Informationen geben an, in welchen Abständen Funktionen zur Ausführung gebracht werden sollen. Weitere Informationen können über Prioritäten bzw. Dringlichkeiten von Funktionen Auskunft geben. Priorisierte bzw. dringliche Funktionen sind zur Ausführung von Basisfunktionen des Steuergeräts notwendig und haben eine höhere Priorität als z. B. einfache Kontrollfunktionen. Zusätzlich können hier Informationen darüber vorliegen, ob eine Funktion zur Ausführung gebracht werden muss oder nicht aktiviert werden soll, falls diese Funktion bspw. auf einen Interrupt wartet.
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Die nachfolgenden Absätze beschreiben Beispiele für konkrete Zeitplanungs- und/oder Schedulingverfahren. Diese stützen sich auf die zuvor eingeführten Informationen.
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So ist es bei einem Zeitplanungs- und/oder Schedulingverfahren möglich, Informationen über ein einfaches Durchwechseln bzw. einen zyklischen und/oder periodischen Austausch mehrerer Funktionen in fester Reihenfolge, in der Regel über ein Rundlauf-Verfahren (Round-Robin, Karussell), und eine sich daraus ergebende Regelmäßigkeit von Funktionsabläufen zur Zeitplanung zu nutzen.
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Eine prioritätsbasierte Auswahl von Funktionen, die dazu bereit sind, zur Ausführung gebracht zu werden, und die höchste Priorität unter mehreren Funktionen aufweisen, kann ebenfalls als Information genutzt werden. Um niedrigpriorisierte Funktionen sicher zur Ausführung zu bringen können, können die Prioritäten zusätzlich unter Berücksichtigung der seit der letzten Ausführung vergangenen Zeit umpriorisiert werden.
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Ein interruptgesteuertes Scheduling liefert Informationen über die auszuwählenden Funktionen, die anliegende Interrupts abarbeiten können.
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Über ein Deadline-Scheduling wird die Funktion ausgewählt, die als nächstes eine Deadline und somit einen festgelegten Termin erfüllen muss. Dazu können auch die Laufzeiten der hierzu auszuführenden Funktionen mitberücksichtigt werden.
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Mit den Informationen zu festen Ausführungszeitpunkten, typischerweise von Anfangszeitpunkten, existieren zu einer möglichen Umsetzung eines Zeitplanungs- und/oder Schedulingverfahrens Zeitpunkte, an denen die Funktionen zu starten sind.
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Zusätzlich können Kombinationen von jeweils mindestens zwei der oben genannten Zeitplanungs- und/oder Schedulingverfahren genutzt werden, z. B. das Deadline-Scheduling mit zusätzlichem Interrupt-Scheduling.
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Für den Scheduler und den Dispatcher kann es abhängig von einer Vorgehensweise zur Realisierung des Schedulings von Bedeutung sein, dass Funktionen auch eine Beendigung einer Ausführung signalisieren können. Der Scheduler kann aber auch Funktionen nach dem Ablauf einer festgelegten Zeitspanne bei der Ausführung unterbrechen.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann eine typischerweise dynamische Aufteilung der rekonfigurierbaren Fläche durch Kombination von Flächenelementen, mit denen die mindestens eine Funktion ausgeführt wird, erfolgen, wobei die rekonfigurierbare Fläche in Flächenelemente als Teilelemente aufgeteilt wird.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen nutzen mehrere als Teilelemente ausgebildete Hardwarekomponenten, die jeweils eine starr vorgegebene Fläche umfassen und die gleiche Größe aufweisen. Dadurch müssen alle diese Teilelemente eine Mindestgröße aufweisen, die dem Flächenbedarf des größten Moduls entspricht. Bei stark unterschiedlichen Modulgrößen, wie sie in Steuergeräten oft vorliegen, z. B. einerseits aufwendige Digitalregler-Strukturen gegenüber einem einfachen Zähler zur Bestimmung von Drehraten andererseits, führt diese Einteilung über Hardwarekomponenten zu einem hohen Overhead bzw. einer Überkapazität an Fläche, so dass große Bereiche der verfügbaren Fläche einer Hardwarekomponente ungenutzt bleiben.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird diesem Problem durch Bereitstellen von Flächenelementen des Hardwaremoduls, die unterschiedliche Größen umfassen, entgegengewirkt. Die größten Flächenelemente für die größte Funktion können zur Durchführung dieser größten Funktion ausreichend groß ausgelegt sein, wohingegen die kleinsten Flächenelemente bzgl. der Größe auf die kleinsten Funktionen abgestimmt werden. Die Flächenelemente können mit Funktionen konfiguriert werden, die nicht mehr als die verfügbare Fläche des Flächenelements nutzen. Kleine Funktionen können auch in großen Flächenelementen realisiert werden.
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Bei Bedarf können zusätzlich kleinere Flächenelemente dynamisch und zeitlich begrenzt zu größeren Flächenelementen zusammengefügt und demnach fusioniert werden, wenn eine große Funktion realisiert werden muss und falls keine entsprechend großen Flächenelemente frei sind. Zwischen den kleinsten und den größten Flächenelementen können mehrere andere Größenstufen für Flächenelemente existieren. Ein alternativer Aufbau sieht viele kleine Flächenelemente gleicher Größe vor, die eigentlich nicht groß genug zur Realisierung aller Funktionen sind. In diesem Fall werden große Funktionen durch Zusammenlegung dieser kleinen Flächenelemente implementiert.
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Falls das Hardwaremodul eine Vielzahl kleiner Flächenelemente gleicher Größe aufweist, kann zur Bereitstellung einer konfigurierbaren Fläche zur Ausführung einer Funktion eine beliebige geeignete Anzahl besagter kleiner Flächenelemente zusammengefügt werden.
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Der Dispatcher ist dazu ausgebildet, für mindestens eine zur Ausführung zu bringende Funktion mindestens ein Flächenelement auszuwählen, das mit der Funktion konfiguriert wird. Dazu nutzt der Dispatcher Informationen des Schedulers darüber, welche mindestens eine Funktion zur Ausführung gebracht werden soll. Außerdem werden der Funktionsspeicher und alte Zustände der mindestens einen Funktion, die im Zustandsspeicher gespeichert sind, verwendet. Mit den in dem Zustandsspeicher gespeicherten alten Zuständen kann eine bisherige Laufzeit zur Ausführung der mindestens einen Funktion sowie ein zur Abarbeitung der mindestens einen Funktion erforderliche Flächenbedarf berücksichtigt werden. Zur Bestimmung des Flächenelements, auf dem die mindestens eine Funktion ausgeführt werden soll, stehen verschiedene Vorgehensweisen zur Auswahl.
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So kann der Dispatcher unter Berücksichtigung des besten Platzes das mindestens eine Flächenelement auswählen, in dem die mindestens eine Funktion am besten Patz hat, wodurch der Flächenoverhead minimiert wird. Unter Berücksichtigung des ersten freien Platzes auf der rekonfigurierbaren Fläche wird von dem Dispatcher eine interne Datenstruktur des Dispatchers solange durchsucht, bis das erste Flächenelement geeigneter Größe gefunden wird, auf dem die mindestens eine Funktion zur Ausführung gebracht werden kann. Der Flächenoverhead ist dabei nicht relevant. Wird kein freies Flächenelement ausreichender Größe gefunden, kann mindestens eine der nachfolgenden Maßnahmen ergriffen werden.
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Das Zusammenlegen mehrerer freier Flächenelemente zu einem größeren Flächenelement. Üblicherweise wird eine Größe der rekonfigurierbaren Fläche an einen Bedarf der mindestens einen auszuführenden Funktion angepasst.
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Das Verschieben von kleinen Funktionen, die bislang in großen Flächenelementen ausgeführt werden, in kleinere, freie Flächenelemente geeigneter Größe. Dieses Verschieben von kleinen Funktionen aus großen Flächenelementen in kleinere passende Flächenelemente kann auch zu anderen Zeitpunkten erfolgen, um die Aufteilung zusätzlich zu optimieren.
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Das Ersetzen nicht mehr benötigter Funktionen, die bislang noch nicht durch Signale, bspw. vom Scheduler, entfernt wurden.
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Das Ersetzen von Funktionen niedriger Priorität, was auch vom Scheduler initiiert werden kann.
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Das Ersetzen von Funktionen, deren Ergebnisse erst zu einem späteren Zeitpunkt benötigt werden, was typischerweise vom Scheduler initiiert werden kann.
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Neben der allgemeinen Nutzung der üblicherweise dynamischen Rekonfiguration erlaubt der Aufbau der Schaltungsanordnung bzw. des Systems u. a. die abwechselnde Nutzung bestimmter Flächenelemente für einen Secure Mode bzw. einen Sicherheitsmodus, der auch als Sicherheitsbetrieb bezeichnet werden kann. Hierbei werden in diesem Modus vor allem verschiedene sicherheitsrelevante Funktionen zur Ausführung gebracht.
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Sicherheitsrelevante Funktionen überwachen in der Regel andere Funktionen auf eine korrekte Funktionsweise. Dabei werden bestimmte Zeitraster eingehalten. So wird z. B. in regelmäßigen Zeitanständen ein Ventil durch minimale Ansteuerung beaufschlagt und die Reaktion des Ventils auf diese Ansteuerung daraufhin geprüft, ob die Betriebsparameter des Ventils von vorgegebenen Sollwerten abweichen. Eine hierzu erforderliche Kontrolle des Ventils erfolgt über mindestens eine elektronische Einrichtung, bspw. einen Sensor und/oder Aktor. In vielen Steuergeräten sind mehrere derartige sicherheitsrelevante Funktionen realisiert, der temporäre Flächenoverhead ist daher signifikant. Werden die sicherheitsrelevanten Funktionen sequentiell durch dynamische Rekonfiguration durchgewechselt, wird nur ein kleiner Teil der rekonfigurierbaren Fläche benötigt. Dies ist u. a. dann möglich, wenn derartige sicherheitsrelevante Funktionen nicht oder nur selten benötigt werden.
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Um diese sicherheitsrelevanten Funktionen auszuführen, kann es unter Umständen nötig sein, wenigstens ein Flächenelement des rekonfigurierbaren Bereichs speziell darauf vorzubereiten. Dann stehen dem wenigstens einen Flächenelement zusätzliche Eingaben aus anderen Komponenten, bspw. Hardware und/oder Software, oder der gesamten Schaltungsanordnung bzw. dem gesamten System zur Verfügung, die für die Überwachung der dort implementierten Funktionen notwendig sind. Dies können z. B. Zwischenergebnisse in Registern oder Signalverläufe zwischen verschiedenen Stufen einer Modul-Pipeline sein. Derartige sicherheitsrelevante Funktionen benötigen typischerweise auch Zugriff auf Werte von Sensoren oder müssen Aktoren gezielt selbst ansteuern können. Dieser Zugriff erfolgt über die Port-Matrix mit entsprechender temporärer Arbitrierung.
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Die rekonfigurierbare Fläche kann bspw. als eines der folgenden Module zur Datenverarbeitung ausgebildet sein:
- – als FPGA (Field Programmable Gate Array) und somit als integrierter Schaltkreis (IC), in den eine logische Schaltung programmiert werden kann.
- – als CPLD (Complex Programmable Logic Device), wobei es sich um einen Schaltkreis handelt, der üblicherweise eine programmierbare Diodenmatrix umfasst. Ein CPLD kann in Ausgestaltung einen Eingabeblock, einen Ausgabeblock sowie eine programmierbare AND/OR-Matrix und eine programmierbare Rückkopplung aufweisen.
- – als PSoC Programmable System-on-Chip) bzw. ein programmierbares, chipgebundenes System. Der PSoC kann ein Rechenwerk, einen Flash und einen RAM aufweisen. Die Ressourcen des PSoCs können auch betriebsbegleitend an einen herrschenden Bedarf an der rekonfigurierbaren Fläche dynamisch angepasst werden.
- – als FPAA (Field-Programmable analog array) und demnach als frei programmierbare Analoganordnung mit einem frei programmierbaren analogen Schaltkreis, der eine Matrix mit frei konfigurierbaren analogen Blöcken aufweist.
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Die Flächenelemente können damit aus Blöcken oder Zellen von Schaltkreisen, die bspw. matrixartig ausgebildet und frei konfigurierbar sind, bestehen. Im Fall eines FPGAs stellen die Flächenelemente z. B. eine Sammlung der einzeln programmierbaren Zellen dar, die jeweils eine einfache digitale Funktion realisieren können. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zellen oder Blöcke adressierbar sind und der Dispatcher damit kleine Flächenelemente logisch in größere Flächenelemente zusammenfassen kann.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Dispatcher zur Zuteilung der Funktionen auf die rekonfigurierbaren Flächen und somit mindestens ein Flächenelement Größenangaben der Funktion benötigt. Diese können durch verschiedene Parameter erhalten werden: explizite Angabe als Zusatz im Funktionsspeicher, Größe eines verbrauchten Funktionsspeichers und/oder Größe der Netzliste bzw. Menge an Informationen, die für die typischerweise programmierbaren Flächenelemente (Zellen) benötigt wird.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Schaltungsanordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Schaltungsanordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Schaltungsanordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen wenigstens einer Komponente der Schaltungsanordnung oder der gesamten Schaltungsanordnung realisiert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend 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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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2 zeigt eine Variante einer Verbindungsstruktur bzw. Port-Matrix als eine Komponente einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in schematischer Darstellung.
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3 zeigt ein Diagramm zu einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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4 zeigt ein Diagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
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1 zeigt einen allgemeinen Aufbau einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 in schematischer Darstellung. Als eine Komponente der Schaltungsanordnung 1 ist die rekonfigurierbare Fläche 3 als Bestandteil eines Hardwaremoduls 4 der Schaltungsanordnung 1 vorgesehen. Diese rekonfigurierbare Fläche 3 wird dynamisch zur Laufzeit eines Steuergeräts 12 mit verschiedenen Funktionen konfiguriert. Die Fläche 3 umfasst verschiedene Flächenelemente 5, 7, 9, 11 unterschiedlicher Größe. In der hier gezeigten ersten Ausführungsform ist die Schaltungsanordnung 1 als eine Komponente des Steuergeräts 12 ausgebildet.
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Funktionen, die innerhalb der rekonfigurierbaren Fläche 3 ausgeführt werden, können über eine Kommunikationsstruktur, die als Kommunikationseinheit 13 bezeichnet wird, zwischen den Flächenelementen 5, 7, 9, 11 miteinander kommunizieren. Die schematisch gezeigte Kommunikationseinheit 13 kann in das Hardwaremodul 4 fest integriert sein, z. B. als ein Bus bzw. ein Netzwerk, und/oder selbst rekonfigurierbar sein.
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Die rekonfigurierbare Fläche 3 ist über eine Zuteilungsmodulschnittstelle 15 bzw. ein Dispatcher-Interface an ein Zuteilungsmodul 17 bzw. einen Dispatcher angeschlossen, das bzw. der auszuführende Funktionen in den Flächenelementen 5, 7, 9, 11 auswechseln kann. Wird eine Funktion vom ausführenden Flächenelement 5, 7, 9, 11 entfernt, speichert der Dispatcher den aktuellen Ausführungszustand 19, z. B. die Registerinhalte der Funktion, in einem Zustandsspeicher 21. Die Informationen über die Funktionen 5, 7, 9, 11 selbst, bspw. deren Flächenbedarf und/oder der zur Ausführung benötigten Zeitspanne, sind in einem Funktionsspeicher 23, der z. B. als Flash ausgebildet ist, hinterlegt. Die mindestens eine ausführbare Funktion ist ebenfalls in diesem Funktionsspeicher 23 bzw. Modulspeicher gespeichert und wird von dort aus über das Zuteilungsmodul 17 einem zugewiesenen Flächenelement 5, 7, 9, 11 bereitgestellt, typischerweise übermittelt.
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Welche Funktion zu welchem Zeitpunkt ausgeführt werden soll, bestimmt ein Zeitplanungsmodul 25 bzw. ein Scheduler, das bzw. der mit dem Dispatcher verbunden ist und dadurch die entsprechenden Funktionen zur Ausführung auswählen kann. Hierzu kann die dargestellte Schaltungsanordnung 1 auch eine Timereinheit bzw. Uhr 27 aufweisen, die dem Scheduler als Zeitgrundlage dient. Der Scheduler reagiert auf Anforderungen 29 aus dem Zustand der Schaltungsanordnung 1 bzw. dem Systemzustand.
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Die Anbindung der Funktionen an Sensoren und Aktoren als elektromechanische Einrichtungen 31 erfolgt über eine Verbindungsstruktur 33 bzw. eine Port-Matrix. Da Sensoren und Aktoren von verschiedenen Funktionen genutzt werden können, erfolgt ein Zugriffskontrollverfahren 34 bzw. eine Arbitrierung der Zugriffe durch den Dispatcher und den Scheduler.
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Die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung 1 kann entweder ein Teil eines größeren Systems sein oder eigenständig, z. B. auf einem separaten ASIC, implementiert werden. Zumindest Teile der Hardware-Komponenten können auch als Software-Komponenten realisiert werden. Weiterhin sind in 1 Modulbeschreibungen 35 dargestellt, die ausgehend von dem Funktionsspeicher 23 an das Zuteilungsmodul 17 und weiterhin an das Hardwaremodul 4 übermittelt werden.
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2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausgestaltung einer umschaltbaren, als Port-Matrix ausgebildeten Verbindungsstruktur 37, die zur Ausführung eines Zugriffskontrollverfahrens bzw. einer Arbitrierung gemeinsam genutzter Ressourcen ausgebildet ist, so dass ein Zugriff auf gemeinsam genutzte Ressourcen genutzt wird.
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Die rekonfigurierbare Port-Matrix dient dazu, den Zugriff von weiteren Hardwareelementen 39 auf externe Eingänge und/oder Ausgänge 41 bzw. Inputs und/oder Outputs zu regeln, über die weiterhin eine Verbindung zu externen elektromechanischen Einheiten und somit Einrichtungen, wie z. B. Sensoren und Aktoren, bereitgestellt wird. Dazu nutzt die Port-Matrix vom Dispatcher bereitgestellte Informationen 43 darüber, über welche einprogrammierte Verbindung 45 welcher Port bzw. Anschluss der Hardwareelemente 39 mit welchem Input- und/oder Output-Port, d. h. Eingangs- und/oder Ausgangs-Anschluss, verbunden werden soll. Der Scheduler liefert Informationen 47 darüber, zu welchem Zeitpunkt eine derartige Verbindung 45 bestehen soll. Die genannten Informationen 43, 47 werden der Verbindungsstruktur 37 über eine Programmierschnittstelle 49 bzw. ein Programmier-Interface als Komponente der Verbindungsstruktur 37 bereitgestellt.
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2 zeigt somit insgesamt einen beispielhaften Aufbau der Verbindungsstruktur 37 bzw. der Port-Matrix. Die verschiedenen Ports der Flächenelemente des Hardwaremoduls, für das die Fläche rekonfigurierbar ist, werden durch eine einfache Matrixstruktur mit programmierbaren Verbindungen 45 mit den Inputs und Outputs verbunden. Die Programmierschnittstelle übernimmt dabei die Informationen 43, 47 und somit Daten vom Dispatcher und Scheduler und setzt diese in der Programmierung um.
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Die hier als Matrix ausgebildete Verbindungsstruktur 37 bietet gegenüber einer bspw. als Bus ausgebildeten Implementierung, die ebenfalls als eine mögliche Realisierung vorgesehen sein kann, die Möglichkeit, in Steuergeräten einzelne Signalleitungen zu verbinden. Typischerweise besteht eine Sent-Schnittstelle aus zwei Leitungen, die direkt von mindestens einem Flächenelement einer rekonfigurierbaren Fläche des Hardwaremoduls ausgewertet werden kann. Eine andere Struktur der Port-Matrix benötigt hier eventuell zusätzliche Vorverarbeitungsstufen, wie z. B. eine Uhr und somit einen Timer. Mit der Matrix-Struktur können zusätzlich auch analoge Signale übermittelt werden. Bei entsprechender Auslegung der Verbindungsstruktur 37 und somit der Port-Matrix kann auch eine Verbindung zwischen den einzelnen Hardwareelementen 39 realisiert werden, falls dies nicht über die internen Kommunikationsstrukturen der rekonfigurierbaren Fläche möglich oder erwünscht ist. Zur Arbitrierung der Zugriffe auf die Inputs und/oder Outputs können diese in verschiedene Gruppen eingeteilt werden. Falls ein nur lesender, einzelner Zugriff erfolgt, kann nur ein Hardwareelement 39 den Wert des Input-Pins bzw. Eingangs-Anschlusses lesen, z. B. von Stromschnittstellen zu Sensoren wie Drehzahlfühlern für ein ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm).
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Wenn mehrere Hardwareelemente auf einen Ein- und/oder Ausgang 41 zugreifen, erfolgt dies über die Arbitierung. Bei einem nur lesenden, gemeinsamen Zugriff liefert der Ein- und/oder Ausgang 41 ein Signal, das von mehreren Hardwareelementen 39 gleichzeitig gelesen werden kann, z. B. ein Read-Signal über eine Sent-Schnittstelle. Bei einem schreibenden, einzelnen Zugriff werden Aktoren üblicherweise nur von einer Funktion betrieben. Ein gemeinsamer Zugriff ist nicht notwendig, z. B. über Schnittstellen mit einem Write-Signale. Bei einem gemischten, üblicherweise lesenden und schreibenden Zugriff ist vorgesehen, dass ein Anschluss eines Ein- und/oder Ausgangs 41 bidirektional ausgebildet ist. Die Arbitrierung legt dabei fest, dass nur ein Hardwareelement 39 schreibend auf diesen Anschluss zugreifen kann. Bei Bedarf wird dabei ein Lesen durch die Arbitrierung unterbunden.
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Das Diagramm aus 3 zeigt beispielhaft einen möglichen Ablauf einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn zwei Funktionen abwechselnd zur Ausführung gebracht werden. Als Beispiel dient ein Regler 51 für ein anzusteuerndes Ventil, der zur Ausführung einer Überwachungsfunktion des Ventils ausgebildet ist. Da nicht beide Funktionen parallel auf das Ventil zugreifen können, können die Funktionen unabhängig voneinander betrieben werden.
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Bei Ausführung des Verfahrens ist zunächst vorgesehen, dass bei einem ersten Schritt ein Scheduler 53 bzw. Zeitplanungsmodul erkennt, dass während eines regulären Betriebs der Regler 51 durch eine Testfunktion 55 ersetzt werden soll. Dies kann z. B. durch das Erreichen eines bestimmten Zeitpunkts erfolgen. Der Scheduler 53 schickt einem Dispatcher 57 bzw. einem Zuteilungsmodul den Befehl ”Test für Regler” 59, wonach der Regler 51 durch die Testfunktion 55 ersetzt werden soll.
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Weiterhin sucht der Dispatcher 57 einen freien Platz im Bereich der rekonfigurierbaren Fläche 61, z. B. kann der Dispatcher 57 die ebenfalls als Hardwaremodul ausgebildete Fläche des Reglers 51 weiterbenutzen. Wurde mindestens ein Flächenelement der rekonfigurierbaren Fläche gefunden, werden die notwendigen Befehle ”Test Konfiguration” 65 und ”Port Konfiguration” 67 für die Programmierung und der letzte Ausführungszustand an die rekonfigurierbare Fläche 61 und eine Port-Matrix 69 bzw. Verbindungsstruktur gesendet. Der Scheduler 53 erhält die Information ”Fläche gefunden” 71 darüber, dass mindestens ein passendes Flächenelement gefunden 71 wurde.
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In einem dritten Schritt stellt die Port Matrix 69 den Kommunikationsweg von einem Aktor zu einem Flächenelement um und schält diesen neuen Pfad auf ein Signal des Schedulers 53 mit der Information ”Port freigegeben” 73 frei.
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Die rekonfigurierbare Fläche 63 entnimmt in einem vierten Schritt den Zustand des Reglers 51 und ersetzt diesen nach Übermittlung des Befehls ”Ersetzen” 75 durch die Testfunktion 55. Die Testfunktion 55 wird nach Beendigung des Reglers 51 und Erhalt des Befehls ”Ausführen” 77 ausgeführt.
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Der Dispatcher 57 sichert in einem fünften Schritt den aktuellen Ausführungszustand.
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Der Scheduler 53 erkennt in einem sechsten Schritt, dass die Testfunktion 55 ihre Bearbeitung beendet hat und initiiert den Austausch der Testfunktion 55 durch den Regler 51 über den Befehl ”Regler für Test” 79.
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Die weiteren Schritte erfolgen analog wie die ersten fünf Schritte, wobei die Testfunktion 55 durch den Regler 51 unter Berücksichtigung des Befehls ”Ersetzen” 75 ersetzt wird. Dabei folgt der Befehl ”Regler Konfiguration” 81, so dass der Regler 51 konfiguriert wird.
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Die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist anhand des Diagramms aus 4 verdeutlicht. Hier werden zunächst dieselben Schritte wie bei der ersten Ausführungsform aus 3 ausgeführt. Außerdem wird mit dem Befehl ”Zustand des Reglers” 83 dessen Zustand bestimmt. Allerdings erkennt der Scheduler 53 anschließend durch externe Signale, hier durch einen Interrupt 85 sowie dem bereitgestellten Befehl ”Regler schnell” 87, dass der Regler 51 schnell zur Ausführung gebracht werden muss. Es findet daher kein Ersetzen der Testfunktion 55 statt. Die Schritte nach dem Interrupt 85 ergeben sich damit wie folgt.
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In einem ersten Schritt signalisiert der Scheduler 53 dem Dispatcher 57 lediglich, dass der Regler 51 aktiviert werden muss.
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Der Dispatcher 57 sucht in einem zweiten Schritt ein passendes freies Flächenelement und übermittelt der rekonfigurierbaren Fläche 61 alle Informationen zur Konfiguration, einschließlich einem letzten Zustand des mindestens einen Flächenelements und dem neuen Pfad von dem Ventil zu dem mindestens einen Flächenelement. Anschließend wird der Scheduler 53 über das mindestens eine gefundene Flächenelement informiert.
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Im dritten Schritt wird die rekonfigurierbare Fläche 61 konfiguriert und die Funktion schnellstmöglich ausgeführt.
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Die Port-Matrix wird in einem vierten Schritt über den Befehl ”Port-Konfiguration” 67 neu konfiguriert.
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Der Scheduler 53 gibt in einem fünften Schritt mit dem Befehl ”Port freigegeben” 73 die Ports bzw. Anschlüsse für den Regler 51 frei. Zu diesem Zeitpunkt sind sowohl die Testfunktion 55 als auch der Regler 51 in Hardware realisiert, allerdings hat der Regler 51 den alleinigen Zugriff auf das Ventil. Wie mit der Testfunktion 55 weiter verfahren wird, ist der Schaltungsanordnung bzw. dem System überlassen. Das Ventil wird jedoch zumindest speziell gekennzeichnet bzw. markiert, damit es bei einer anderen Funktionsimplementierung ersetzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005010476 A1 [0003, 0005]
