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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung von einem Programmiergerät zu einem elektronischen Steuergerät insbesondere zu elektronischen Steuergeräten von Kraftfahrzeugen.
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Ein solches Verfahren ist aus der Druckschrift Liebscher P.: ”Aktuelle Trends bei der Steuergeräte-Reprogrammierung”. In: Elektronik automotive 2.2006, S. 34–37 bekannt. Die ältere nicht vorveröffentlichte
DE 10 2008 052 955 A1 zeigt ebenfalls die Übertragung von Programmcodes an einen Speicher eines Steuergerätes, bei dem zunächst der Programmspeicher im Steuergerät mit ungültigen Codes überschrieben wird, anschließend die zu übertragenden Programmcodes nach dem Huffman-Datenkompressionsverfahren komprimiert, übertragen, im Steuergerät dekomprimiert und gespeichert werden.
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Die Druckschrift Decker, Th.: ”Vortrag 6: Huffman”; In: Online-Bibliothek Wikipedia, 19.01.1999, http://www.itec.uka.de/seminare/redundanz/vortrag06/ sowie die
US 2007/0016406 A1 ,
DE 39 43 881 B4 und
DE 699 16 661 T2 beschreiben, dass die Huffman-Codierung dadurch optimiert werden kann, dass als zu codierende Datenworte nicht nur einzelne Eingangsdatenworte verwendet werden sondern Paare/Tuppel dieser Eingangsworte.
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Bei der
US 2007/0016406 A1 und der
DE 39 43 881 B4 ist zusätzlich beschrieben, die verwendeten Huffman-Codierungen abhängig von den gerade zu codierenden Daten umzuschalten und zwar bereichsweise innerhalb der zu codierenden Daten. Weiter ist bei der
DE 39 43 881 34 ein Kennungsbit zum Unterscheiden verschiedener Codierungsvarianten vorgesehen.
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Zur Datenübertragung größerer Datenmengen in vertretbarer zeit ist es bekannt, die zu übertragenden Daten zu komprimieren. Hierfür eignet sich die sehr leistungsfähige verlustfreie Huffman-Codierung. Die Huffman 16 Codierung, die mit 16-Bit Datenworten arbeitet ist sehr leistungsfähig, erfordert aber einen verhältnismäßig großen Codebaum zum Decodieren (bis ca. 278 KBytes). Die Größe hängt von der Code Ausnutzung ab. Jeder verwendete 16-Bit Code kostet 34 Bit im Codebaum für die Decodierung. Dementsprechend dauert die Erstellung des Codebaumes auch lange. Außerdem muß bei der Datenübertragung der Codebaum für die Decodierung mit übertragen werden und passt eventuell aufgrund seiner Größe nicht mehr in den Arbeitsspeicher des Zielsystems bzw. Steuergerätes.
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Andererseits kommt die 8-Bit Huffman-Codierung, die mit 8-Bit Datenworten arbeitet, mit einem kleineren Codebaum für die Decodierung aus (ca. 574 Bytes) erreicht jedoch nicht die Leistungsfähigkeit der 16-Bit Huffman-Codierung.
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Aufgabe der Erfindung ist es das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dahingehend zu verbessern, dass es bei hoher Leistungsfähigkeit mit kleineren Codebäumen auskommt und dadurch die Datenübertragung schneller stattfindet. Weiter soll die Belastung des Arbeitsspeichers des Steuergerätes durch den Codebaum verringert werden.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Grundidee der Erfindung liegt darin, die Komprimierung der zu übertragenden Daten teilweise mit einer N-Bit Huffman-Codierung und teilweise mit M-Bit Huffman-Codierung durchzuführen, wobei N ein ganzzahliges Vielfaches M ist und die Anzahl von N-Bit-Datenworten und die Anzahl von M-Bit-Datenworten jeweils größer 2 ist und weiter beide Codebäume an das Steuergerät übertragen werden. Unter N-Bit Huffman-Codierung und M-Bit Huffman-Codierung wird hier und im folgenden eine Huffman-Codierung mit einem ersten bzw. zweiten Codebaum verstanden, der Datenwörter bestehend aus N-Bits bzw. M-Bits codiert.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine vorbestimmte Anzahl von zu codierenden Datenworten mit der 16-Bit Huffman-Codierung durchgeführt, während die restlichen Datenworte mit der 8-Bit Huffman-Codierung komprimiert werden.
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Für die häufigsten 16-Bit Datenworte wird eine eigene Codiertabelle und ein eigener(erster)Codebaum für die Decodierung erstellt, wobei die Anzahl der Datenworte so gewählt wird, dass die Größe des Codebaumes überschaubar bleibt. Für alle übrigen Codes wird ein (zweiter) 8-Bit Huffman-Baum erstellt, der alle Codes von ”0” bis ”255” decodieren kann. Da der vollständige 8-Bit Codebaum für die Decodierung nur 574 Bytes groß ist, lohnt es sich hier nicht, einen unvollständigen Baum zu verwenden.
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Bei der Codierung wird zunächst geprüft, ob der gefundene 16-Bit Wert in der 16-Bit Codiertabelle enthalten ist. Wenn nicht, wird die 8-Bit Tabelle verwendet und die beiden Bytes des 16-Bit Wortes codiert.
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Für die Entscheidung, welcher Codebaum zum Decodieren zu verwenden ist, wird bei der Codierung ein Bit hinzugefügt. Der Codebaum kann für beliebige Daten verwendet werden, da mit Hilfe der vollständigen 8-Bit Bäume beliebige Daten darstellbar sind.
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Generell ist anstelle der erwähnten 16-Bit Codierung auch eine 32-Bit Codierung denkbar, wobei das Verfahren prinzipiell auch für beliebige andere Datengrößen einsetzbar ist, wie z. B. 9-Bit oder 19-Bit.
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Primäres Einsatzgebiet des Verfahrens nach der Erfindung ist die Programmierung von elektronischen Steuergeräten für Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge über eine Diagnoseschnittstelle. Durch die Komprimierung der Daten läßt sich bei der Entwicklung, in Produktion und in der Werkstatt erhebliche Zeit sparen.
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Durch die Kombination der zwei Codierarten lassen sich die Vorteile beider Codebäume nutzen. Die Nachteile der geringen Effizienz der 8-Bit Codierung und des zu großen Codebaumes für die Decodierung der 16-Bit Codierung werden kompensiert. Die Übertragung der Daten über die Diagnoseschnittstelle eines Fahrzeuges erfolgt in aufsteigender Reihenfolge was bei manchen Steuergeräten notwendig ist, da nicht wahlfrei, sondern nur Sektorweise in den Speicher geschrieben werden kann. Die Codebäume für die Decodierung sind klein genug, um während der Decodierung im Arbeitsspeicher des Zielsystems abgelegt werden zu können. Danach können die Codebäume für die Decodierung aus dem Arbeitsspeicher entfernt werden, sodass dieser für andere Aufgaben zu Verfügung steht. Es ist aber auch möglich zumindest einen der Codebäume für die Decodierung oder auch beide Codebäume für die Decodierung permanent in einem nicht flüchtigen Speicher wie z. B. einem Flash-Speicher des Steuergerätes gespeichert zu behalten. Bei späteren Änderungen der an das Steuergerät zu übertragenden Daten ändern sich im Regelfall die Codebäume nicht oder nur geringfügig, sodass keine spürbare Verschlechterung eintritt. Selbstverständlich muß bei späteren Datenänderungen dann der ursprünglich verwendete Codebaum benutzt werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigt:
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1 einen ersten Codebaum für die 16-Bit Huffman-Codierung;
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2 einen 16-Bit Codebaum für die Decodierung für das Ausführungsbeispiel der 1;
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3 einen zweiten Codebaum für die 8-Bit Huffman-Codierung; und
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4 einen Codebaum für die Decodierung mit einem 8-Bit und einem 16-Bit Teil-Codebaum für die Decodierung.
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Zur Unterscheidung von Hexadezimalzahlen gegenüber Primär- und Dezimalzahlen wird das übliche Präfix 0x verwendet, um Hexadezimalzahlen zu kennzeichnen. Sofern nicht gesondert darauf hingewiesen wird.
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Folgende Bytes ab Adresse 0x2000 sind zu komprimieren, wobei alle Werte Hexadezimalzahlen sind: Tabelle 1
dabei ergeben sich folgende Häufigkeiten: Tabelle 2
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Darin sind folgende 8-Bit Werte enthalten: Tabelle 3
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Es wird dann eine Anzahl x (mit x = 5 im beschriebenen Beispiel) der häufiger vorkommenden 16-Bit Werte bestimmt, die einer 16-Bit Codierung unterworfen werden. Die Anzahl x ist jedoch kleiner 2N, sodass nicht alle 16-Bit Werte der 16-Bit Codierung unterworfen werden und mehrere 8-Bit Werte übrig bleiben, die 16-Bit Codierung also unvollständig ist, damit der 16-Bit Codebaum und der entsprechende 16-Bit Codebaum für die Decodierung nicht zu lang werden. Werte für x von 100 bis 200 werden als günstig angesehen.
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Da die auftretenden 8-Bit-Werte in den 16-Bit-Werten zum Teil enthalten sind, müssen die Häufigkeiten der 8-Bit-Werte korrigiert werden. Dabei ist zu beachten, dass sowohl das höherwertige Byte als auch das niederwertige Byte der 16-Bit-Werte berücksichtigt werden. Zum Beispiel wird die Häufigkeit von 0xFF (8-Bit) mit jedem Auftreten von 0xFFFF (16-Bit) um zwei vermindert, mit jedem Auftreten von 0xFF00 um eins.
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Ohne diese Korrektur würde sich zum Beispiel für die 66 ein kurzer Huffman-Code ergeben, obwohl dieser 8-Bit-Wert gar nicht vorkommt. (Weil er in dem 16-Bit-Wert 6655 aufgegangen ist.) Es ergeben sich dann folgende Korrekturen für die Häufigkeit der 8-Bit Werte.
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Für die Erstellung des Codebaumens darf die Häufigkeit „0” nicht vorkommen, da sonst eine Erstellung nicht möglich wäre. Deshalb werden alle Häufigkeiten mit dem Wert „0” auf „1” gesetzt, um vollständige 8-Bit Codebäume und Codebäume für die Decodierung zu erzwingen. Damit aber nicht vorkommende Zeichen dadurch keinen gleich „guten” Platz im Codebaum erhalten, wie selten oder nur einmal vorkommende Zeichen, werden die Häufigkeiten der tatsächlich vorkommenden Zeichen mit einem Faktor multipliziert, beispielsweise mit dem Faktor 100. Es ergeben sich dann folgende umsortierte 8-Bit Werte: Tabelle 5
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Da das Verhältnis der Häufigkeiten zueinander gleich bleibt, ändern sich der erzeugte Codebaum und die erzeugten Codes bei Vorkommen aller 8-Bit-Werte nicht.
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Im dargestellten Beispiel wirkt dieser Mechanismus sehr stark, hat jedoch keine Bedeutung, wenn alle 8-Bit Werte auch in Daten vorkommen.
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Es werden nun zwei voneinander unabhängige Codebäume erzeugt, nämlich ein Codebaum für 16-Bit-Werte und ein Codebaum für 8-Bit-Werte.
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Der 16-Bit-Codebaum wird hier zur übersichtlichen Darstellung nur für die ersten 5 Werte gemäß der Häufigkeit erzeugt, im Beispiel also die Werte FFFF, 0000, FF00, 6655 und 0605, wie in 1 dargestellt.
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Der entsprechende Codebaum für die Decodierung dazu ist in 2 gezeigt.
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Für alle 8-Bit-Werte wird ein vollständiger 8-Bit Codebaum erstellt, der in 3 nur für die vorkommenden 8-Bit-Werte dargestellt ist. Damit ergeben sich folgende Codiertabellen:
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Tabelle 6
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Codiertabelle M = 8-Bit
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- nur für die vorkommenden Zeichen dargestellt.
| Wert |
Länge |
Code |
| 55 |
3 |
101 |
| 02 |
4 |
1111 |
| 00 |
4 |
1110 |
| 01 |
3 |
001 |
| 78 |
4 |
1000 |
| 90 |
5 |
11011 |
| 12 |
5 |
11010 |
| AA |
4 |
0101 |
| 34 |
4 |
0100 |
| 56 |
4 |
0111 |
| 06 |
4 |
0110 |
| 05 |
4 |
0001 |
| FF |
4 |
0000 |
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Tabelle 7
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Codiertabelle N = 16-Bit
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Nicht vorkommende 16-Bit Zeichen werden als zwei 8-Bit Zeichen codiert.
| Wert | Länge | Code |
| FFFF | 1 | 0 |
| 0000 | 2 | 10 |
| FF00 | 3 | 110 |
| 6655 | 4 | 1111 |
| 0605 | 4 | 1110 |
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Bei der Codierung wird zunächst versucht, jedes 16-Bit Wort als solches zu codieren. Kommt es in der 16-Bit Tabelle nicht vor, so werden beide Hälften einzeln als 8-Bit Wert codiert. Damit kommen 8-Bit Werte hier immer Paarweise vor, oder allgemeiner gesagt N/M-fach.
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Zur Unterscheidung wird als „Kennungsbit” vor jedem 16-Bit Wert eine ”0” eingefügt und eine ”1”, wenn zwei 8-Bit Werte folgen.
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Die so codierten und mit Kennungsbit versehenen Daten werden dann zusammen mit den zugehörigen Codebäumen für die Decodierung an das Steuergerät übertragen und dort mittels der Codebäume für die Decodierung decodiert. Falls die Codebäume für die Decodierung schon im Steuergerät aufgrund einer Erstprogrammierung gespeichert sind, entfällt natürlich die Übertragung der Codebäume für die Decodierung, wobei dann für die Codierung die ursprünglichen Codebäume verwendet werden müssen.
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Bei der Decodierung werden immer entweder ein 16-Bit Wert oder zwei 8-Bit-Werte decodiert. Einzelne 8-Bit-Werte werden nicht decodiert, weil dies keinen Vorteil bringen würde. Durch die Ausrichtung der Mikrocontroller-Codes an 16-Bit Grenzen und die Notwendigkeit eines zusätzlichen Codebits für jeden 8-Bit-Code würde sich eine Verschlechterung der Komprimierung ergeben.
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4 zeigt, dass das vor die codierten Werte gesetzte Bit (Kennungs-Bit) entscheidet, ob die 16-Bit Decodierung (für einen 16-Bit Wert) oder die 8-Bit Decodierung (für zwei aufeinanderfolgende 8-Bit Werte) durchgeführt wird. Ist dieses Bit eine ”0”, so wird der 16-Bit Codebaum für die Decodierung verwendet, ist es eine ”1”, so wird der 8-Bit Codebaum für die Decodierung verwendet. Die jeweilige Decodierung eines Datenwortes ist immer dann erledigt, wenn im Codebaum für die Decodierung das letzte ”Blatt” erreicht ist, wobei nach Auftreten des Kennungs-Bit ”1” der 8-Bit Codebaum für die Decodierung zweimal durchlaufen wird.
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Der Codebaum für die Decodierung für die 8-Bit Werte ist in 3 dargestellt. In den 1 bis 3 sind Hexadezimalwerte jeweils durch den Präfix 0x kenntlich gemacht.
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Aus obigem ist ersichtlich, dass die Größe des 16-Bit Codebaumes und des zugehörigen 16-Bit Codebaumes für die Decodierung einen wesentlichen Einfluß hat. Eine beliebige Vergrößerung des 16-Bit Codebaumes für die Decodierung kann kontraproduktiv sein und zu einer schlechteren Komprimierung führen. Dies sei an folgendem Beispiel verdeutlicht:
Ein zusätzlicher Eintrag im Codebaum für die Decodierung beansprucht 34 Bit.
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Die Codierung der zwei 8-Bit Werte beansprucht 6 + 8 + 1 = 15 Bit.
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Die Codierung eines 16-Bit Wertes beansprucht 12 + 1 = 13 Bit.
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Pro zwei Bytes werden also vier Bit eingespart. Um die zusätzlichen 34 Bit zu Amortisieren muß der 16-Bit Wert in diesem Rechenbeispiel mindestens 17 Mal auftreten. Um dies zu überprüfen, müßte man teilweise große Dateien durchrechnen, da die Länge der codierten Zeichen nicht konstant ist.
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Die optimalen Werte hängen von den jeweils vorliegenden Daten ab. Die nachfolgende Tabelle 9 zeigt ausgehend von der ursprünglichen Größe einer Datei von 131072 Bytes den Zusammenhang zwischen der Anzahl von 16-Bit Codes, der Anzahl der komprimierten Bytes einschließlich Codebäume und das Kompressionsverhältnis in Prozent. Tabelle 9
| Anzahl 16-Bit Codes Kodierbäume | Anzahl Bytes komprimiert incl. | Prozent von 131072 Bytes |
| 78 | 55848 | 42,61% |
| 386 | 55433 | 42,29% |
| 152 | 55425 | 42,29% |
| 231 | 55309 | 42,20% |
| 295 | 55290 | 42,18% |
| 268 | 55266 | 42,16% |
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Eine Testapplikation mit einer ursprünglichen Größe von 1179648 Bytes zeigt, dass das Kompressionsverhältnis bei größeren Dateien noch besser wird. Tabelle 10
| Anzahl 16-Bit Codes | Anzahl Bytes komprimiert incl. Kodierbäume | Prozent von 1179648 Bytes |
| 1025 | 265977 | 22,55% |
| 635 | 263772 | 22,36% |
| 418 | 262473 | 22,25% |
| 335 | 261968 | 22,21% |
| 277 | 261654 | 22,18% |
| 240 | 261367 | 22,16% |
| 200 | 261118 | 22,14% |
| 42 | 261029 | 22,13% |
| 94 | 260973 | 22,12% |
| 165 | 260942 | 22,12% |
| 118 | 260929 | 22,12% |
| 65 | 260737 | 22,10% |
| 50 | 260717 | 22,10% |
| 56 | 260618 | 22,09% |
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Weiter ist zu erkennen, dass die Anzahl der 16-Bit Codes bei Dateien dieser Größe einen relativ geringen Einfluß hat. Die optimalen Parameter hängen nämlich von der Code-Verteilung in den zu komprimierenden Daten ab.
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Da bei größeren Datenmengen der Codebaum für die Decodierung kaum ins Gewicht fällt, sollte man die Anzahl der 16-Bit Codes nicht zu klein wählen. Werte um 100 bis 200 erscheinen günstig zu sein, wobei generell jeder Wert größer 1 möglich ist.
