-
Die Erfindung betrifft eine Kommunikationsanordnung zum Debugging bzw. zur Programmierung eines oder mehrerer Teilnehmer der Kommunikationsanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren.
-
Stand der Technik
-
Serielle Schnittstellen werden in vielen Netzwerken statt paralleler Schnittstellen verwendet. Gründe hierfür sind die Reduktion der Kosten für die Aufbau- und Verbindungstechnik, bspw. Anzahl der Pins, eine Vereinfachung des Systemdesigns und eine Skalierbarkeit der Bandbreite von Übertragungsdaten durch parallele Nutzung mehrerer serieller Schnittstellen.
-
Dieser Trend zeichnet sich insbesondere im Bereich der Unterhaltungselektronik (Consumer Electronics) mit einer Vielzahl an seriellen Schnittstellen-Standards ab. Diese werden meist zur Kommunikation mit Peripheriegeräten, z. B. Festplatte oder Display, eingesetzt. Abgesehen von der geringen Anzahl der Pins nutzen diese Schnittstellen jedoch komplexe Protokolle, die einen hohen Implementierungsaufwand erfordern. Zur Datenübertragung zwischen Logikbausteinen (ICs), bspw. auf dem Mainboard eines PCs oder innerhalb eines Handheld-Geräts, bündeln heutige Schnittstellen mehrere serielle Datenströme, bspw. PCI-Express oder Quickpath, und ermöglichen dadurch dem Systemdesigner eine Skalierbarkeit der Bandbreite.
-
Im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik kommen zur Datenübertragung zwischen logischen Bausteinen, die als integrierte Schaltkreise (IC, Integrated Circuit) ausgebildet sein können, in Steuergeräten serielle Schnittstellen (SPI, Serial Peripheral Interface) zum Einsatz. Dieser Standard beschreibt eine bidirektionale, synchrone und serielle Datenübertragung zwischen einem als Master ausgebildeten Baustein und verschiedenen als Slaves ausgebildeten Bausteinen. Dabei umfasst eine Schnittstelle mindestens drei Leitungen zwischen dem Master und einem Slave, in der Regel sind dies zwei Datenleitungen und eine Taktleitung. Bei mehreren Slaves benötigt jeder dieser Bausteine eine zusätzliche Auswahl- bzw. Selektleitung vom Master. Die SPI-Schnittstelle ermöglicht die Umsetzung einer Daisy-Chain- oder Bustopologie.
-
In einigen Fällen ist die SPI-Schnittstelle nicht für die Übertragung zeitkritischer Ansteuersignale geeignet, um den Echtzeitanforderungen heutiger sicherheitskritischer Applikationen, z. B. ESP, gerecht zu werden. Häufig erfolgt mit einer SPI-Schnittstelle nur noch ein Austausch von Diagnose- und Statusinformationen. Zeitkritische Ansteuersignale werden in der Regel unter der Nutzung von Timer-Einheiten und/oder proprietären Schnittstellen mit hohem Aufwand an die Ansteuerbausteine der Aktoren und/oder von den Auswerteschaltungen der Sensoren übertragen.
-
In der Anwendung der SPI-Schnittstelle in Form einer Bustopologie ergeben sich bei höheren Datenraten zunehmend schlechtere Signalintegritäten und hohe Störbeeinflussungen aufgrund schlechter EMV-Eigenschaften. Weiter wird nur das Sendesignal mit dem Taktsignal synchron übertragen, während sich die phasensynchrone Übertragung des Empfangssignals durch die internen Verzögerungszeiten im Slave bei hohen Datenraten zunehmend schwieriger gestalten und Fehler in der Datenübertragung hervorrufen können.
-
In der Anwendung der SPI-Schnittstelle in einer Daisy-Chain-Topologie, d. h. Ringtopologie, entstehen sehr hohe Latenzzeiten, weswegen diese Form heutzutage nicht effizient in Kfz-Steuergeräten genutzt werden kann.
-
Aus der
DE 10 2010 041 427 ist eine Kommunikationsanordnung bekannt, welche deutliche Vorteile gegenüber den bekannten aufweist. Diese Kommunikationsanordnung ist ringförmig (vorzugsweise in Daisy-Chain-Topologie) ausgebildet ist und mindestens zwei Teilnehmer aufweist, die miteinander seriell (vorzugsweise über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen) verbunden sind. Unter den Teilnehmern befinden sich ein Master sowie ein oder mehrere Slaves. Jeder der Slaves weist ein Schieberegister auf, vorzugsweise ein 1-Bit-Schieberegister. Hierdurch ist es möglich Daten über die Kommunikationsanordnung, also über den Ring, von Teilnehmer zu Teilnehmer mit einer minimalen Verzögerung von einem Bit zu übertragen.
-
Neben den besagten Interchip-Schnittstellen ist im Stand der Technik zum Debugging und/oder zur Programmierung von Steuergeräten eine separate Schnittstelle (z.B. JTAG) vorgehalten, die nach der Auslieferung der Steuergeräte nicht mehr zugänglich ist. Weiter besteht allerdings die Möglichkeit über externe Kommunikationsschnittstellen (z.B. CAN) eine neue Software zu programmieren oder Messdaten aus den Steuergeräten auszulesen, allerdings mit einer begrenzten Bandbreite im Vergleich zu einer dedizierten Schnittstellenlösung.
-
Aus der
US 7,265,578 B1 ist beispielsweise ein Verfahren für eine Im-System-Programmierung über SPI und JTAG bekannt. In der
US 7,554,357 B2 ist eine effiziente Programmierung von Teilnehmern einer Daisy-Chain-Anordnung offenbart.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Kommunikationsanordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Eine solche Kommunikationsanordnung ist vorrangig ringförmig (vorzugsweise in Daisy-Chain-Topologie) ausgebildet und weist mindestens zwei Teilnehmer auf, die miteinander seriell (vorzugsweise über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen) verbunden sind. Dabei ist ein Teilnehmer vorzugsweise als Master ausgebildet und die übrigen Teilnehmer sind als Slaves ausgebildet. Als Master sind insbesondere Mikrocontroller, Logikbausteine und FPGAs denkbar, Slaves können vorzugsweise als funktionale ASICs (z.B. Endstufen) ausgebildet sein. Der Master ist zudem dazu ausgebildet, ein Datenpaket an einen oder mehrere Slaves zu übermitteln, und jeder Slave verfügt über ein Schieberegister, über welches das Datenpaket geschoben wird. Eine solche Anordnung ermöglicht eine Übertragungsart, die nur zwei Pins/Signale pro Teilnehmer benötigt, und ermöglicht es zudem, weitere Bausteine in der Übertragungsstrecke einzubringen. Erfindungsgemäß umfasst die Kommunikationsvorrichtung einen Teilnehmer, welcher eine externe Schnittstelle aufweist und dazu eingerichtet ist, über die externe Schnittstelle Daten von außerhalb der Kommunikationsanordnung für ein Debugging oder eine Programmierung von einem oder mehreren Teilnehmern der Kommunikationsanordnung zu empfangen. Ebenso kann der Teilnehmer über die Schnittstelle Daten nach außerhalb der Kommunikationsanordnung für ein Debugging oder eine Programmierung von einem oder mehreren Teilnehmern der Kommunikationsanordnung senden. Ein Debugging ist dabei ein Vorgang, bei welchem eine Diagnose bzw. ein Auffinden von Fehlern des oder der Teilnehmer, bzw. der gesamten Kommunikationsanordnung, insbesondere eine Diagnose der Kommunikation innerhalb der Anordnung, durchgeführt wird. Das Debugging kann eine Diagnose von Software- und/oder Hardwarebestandteilen der Teilnehmer bzw. der Kommunikationsanordnung umfassen.
-
Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Für das Debugging bzw. die Programmierung eines oder mehrere Bausteine können mehrere Teilnehmer in einer ringförmigen Kommunikationsanordnung angeordnet werden und seriell miteinander verbunden werden. Vorzugsweise wird ein Teilnehmer als Master und die übrigen Teilnehmer werden als Slaves eingerichtet. Der Master übermittelt Datenpakete an einen oder mehrere der Slaves, wobei die Datenpakete in den Slaves über ein Schieberegister laufen. Ein Teilnehmer der Anordnung sendet oder empfängt über eine externe Schnittstelle Daten nach außerhalb bzw. von außerhalb der Kommunikationsanordnung für ein Debugging oder eine Programmierung von einem oder mehreren Teilnehmern der Kommunikationsanordnung.
-
Aus einer solchen Kommunikationsanordnung bzw. aus in einer solchen Kommunikationsanordnung durchgeführten Debugging- oder Programmierverfahren ergeben sich viele Vorteile gegenüber bekannten Anordnungen. Zum Beispiel weist die Anordnung eine sehr geringe Anzahl von Leitungen auf, was insbesondere bei komplexeren Systemen zu einer erheblichen Aufwands- und Kostenreduktion führen kann, da jeder weitere Baustein in der Konfigurationskette nur eine Leitung mehr erzeugt. In der vorgeschlagenen Ausgestaltung einer Debug-/Programmierschnittstelle bzw. dem in der vorgeschlagenen Kommunikationsanordnung durchgeführten Verfahren kann ein externer Eingriff in die Steuergeräteinterne Kommunikation vorgenommen werden. Somit können neue Daten in das System eingespielt oder aber die Steuergeräte-intern übertragenen Daten modifiziert und/oder ausgelesen werden.
-
Weitere Vorteile ergeben sich für die untergeordneten Ansprüche. Ein besonders flexibles System ergibt sich, wenn der Teilnehmer, der die Debug- bzw. Programmierschnittstelle darstellt nach den entsprechenden Debug- bzw. Programmiervorgängen von der Kommunikationsanordnung getrennt werden kann. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass das System bzw. die Anordnung oder der Teilnehmer einen Bypass aufweisen, mit welchem die Kommunikation um den Schnittstellenbaustein herumgeführt werden kann. Der Vorteil dieser Maßnahme ist, dass jederzeit der Schnittstellenteilnehmer wieder über Desaktivierung des Bypass-Modus in die Kommunikationsanordnung integriert werden kann. Alternativ kann der Schnittstellenteilnehmer auch grundsätzlich nur für einen temporären Verbleib im System vorgesehen werden. Dies kann z.B. erfolgen, in dem der Teilnehmer nur für die Debug- bzw. Programmiervorgänge, z.B. über Kontaktiernadeln, ins System eingebunden ist. Somit kann er besonders einfach wieder entfernt werden und ist vorteilhafter Weise flexible für weitere Systeme einsetzbar. Der Datenring der Kommunikationsanordnung muss nach dem Entfernen des Teilnehmers wieder geschlossen werden. Der Vorteil eines solche flexiblen Systems ist, dass der Teilnehmer nach Erfüllen seiner Aufgabe die Kommunikation in der Anordnung nicht beeinträchtigt.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die externe Schnittstelle als Funkschnittstelle ausgestaltet ist, da hierüber ein Eingriff in die interne Kommunikation der Kommunikationsanordnung von außen besonders einfach möglich ist.
-
Die Erfindung kann insbesondere in elektronischen Steuergeräten, z.B. in Kraftfahrzeugen, eingesetzt werden. Dabei erfüllt die Kommunikationsanordnung, bzw. deren Teilnehmer, eine Funktionalität des Steuergeräts.
-
Ausführungsformen der Erfindung und Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt eine ringförmige, serielle Kommunikationsanordnung.
-
2 zeigt die ringförmige, serielle Kommunikationsanordnung in einer anderen Darstellung.
-
3 zeigt eine zum Debugging oder für eine Programmierung eines oder mehrerer Teilnehmer geeignete Kommunikationsanordnung mit einem Debug- bzw. Programmierknoten.
-
4 zeigt eine zum Debugging oder für eine Programmierung eines oder mehrerer Teilnehmer geeignete Kommunikationsanordnung mit einem flexibel vom System trennbaren Debug- bzw. Programmierknoten.
-
Zunächst soll die zugrundeliegende, serielle sowie ringförmige Kommunikationsanordnung beschrieben werden. Als Teilnehmer der Anordnung sind mindestens ein Slave, insbesondere ein diskreter Logikbaustein (ASIC), sowie ein Master, insbesondere ein Logikbaustein wie ein Mikrocontroller, zur Kontrolle bzw. Steuerung und/oder Regelung des mindestens einen Slaves vorgesehen. Dabei wird eine einfache und kostengünstige Implementierung auf Logikbausteinen, d. h. Mikrocontrollern und/oder ASICs, mit hohen Datenraten ermöglicht, wobei eine derartige Implementierung mit wenigen Verbindungsleitungen auf einer Leiterplatte und wenigen Pins des Logikbausteins, d. h. geringen Kosten der Aufbau- und Verbindungstechnik, realisierbar ist.
-
Die Teilnehmer sind in der Kommunikationsanordnung in Form einer Ring-Topologie angeordnet, wodurch die Teilnehmer durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit einer minimalen Anzahl an Pins verbunden sein können. In der Ring-Topologie bestimmt der langsamste Teilnehmer die Busgeschwindigkeit. Gegebenenfalls kann eine Zusammenfassung bzw. Gruppierung von Teilnehmern in unterschiedlichen Ringen erfolgen, wobei in jedem dieser Ringe als eine für sich abgeschlossene Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kommunikationsanordnung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden kann. Sind mehrere Funktionsgruppen in einem Steuergerät integriert, bspw. ein Mikrocontroller kommuniziert mit mindestens einem ASIC unterschiedlicher Funktionseinheiten, so nutzen die jeweiligen Funktionsgruppen typischerweise jeweils eine separate Ringanordnung.
-
Ein Mikrocontroller agiert in der Regel als Master, wodurch keine Busarbitrierung erforderlich wird. Somit kann der Master entsprechend des heutigen SPI-Protokolls, das ebenfalls ein Master-Slave-Konzept ist, die Slaves über ein sog. Polling zyklisch abfragen.
-
Entsprechend dem SPI-Standard kann eine synchrone Datenübertragung erfolgen. Allerdings sind für Daten und Takt keine separaten Leitungen erforderlich. Die vorgesehene Schnittstelle sieht eine kodierte Übertragung des Takts innerhalb des Datensignals vor, bspw. eine 8B/10B-Kodierung, Manchestercodierung oder Millercodierung bzw. Modified Frequency Modulation. Folglich sind für niedrige Datenraten nur zwei Pins pro Teilnehmer mit je einer Leitung zum vorgehenden und nachfolgenden Teilnehmer vorgesehen. Hohe Datenraten sehen eine differentielle Übertragung mit vier Pins pro Teilnehmer mit je zwei Leitungen zum vorgehenden und nachfolgenden Teilnehmer vor. Durch die kodierte Übertragung der Taktinformation kann neben der Reduktion der Kosten auch ermöglicht werden, dass es zu keinen Verzögerungen zwischen Takt und Daten auf einer Übertragungsstrecke zwischen den Teilnehmern kommt. Ein Systemtakt wird durch den Master vorgegeben und alle Slaves synchronisieren sich mittels eigener, lokaler Taktrückgewinnungsmodule, bspw. durch eine Phasenregelschleife oder mittels einer Überabtastung mit entsprechender Synchronisation auf das Nachrichtensignal.
-
Während der Initialisierung zu Beginn einer Übertragung sendet der Master ausgehend von einer ersten Schnittstelle, von der aus Datenpakete versendet werden, ein Synchronisationssignal bspw. das Zwischenrahmensymbol an den ersten Slave in der bspw. als Ring ausgebildeten Kommunikationsanordnung. Sobald der Systemtakt des ersten Slave, d. h. Empfänger, in Phase mit dem Master ist, beginnt die Weiterleitung des Synchronisationssignals an den nächsten Slave. Dieses Vorgehen setzt sich durch die gesamte Kommunikationsanordnung fort. Nachdem die Synchronisation aller Slaves in der bspw. als Ring ausgebildeten Kommunikationsanordnung erfolgt ist, kann auch ein Empfänger im Master, üblicherweise eine zweite Schnittstelle, mit der Datenpakte empfangen werden, adaptiert werden. Aufgrund der im Master unbekannten Verzögerung bei der Übertragung von Datenrahmen oder Leerrahmen durch den Ring und des damit verbundenen Phasenoffsets zum eignen Systemtakt wird in einem letzten Schritt der Initialisierung auch im Master eine Phasennachführung vorgenommen. Nachdem auch die Phase im Empfänger des Masters nachgeführt ist, sind alle Teilnehmer in Phase und können nun Datenpakete synchron übertragen.
-
Um Frequenzschwankungen der Taktrückgewinnungsmodule in den Slaves durch ständiges Neu-Synchronisieren zu vermeiden, kann eine kontinuierliche Übertragung von Daten und somit von Datenpaketen bei einem sog. Dauerbetrieb zum Einsatz kommen. Hierdurch entfällt zunächst der Überhang für Synchronisationsmuster zu Beginn eines Datenpakets, der bei einer paketorientierten Übertragung (sog. Burst Transmission Mode) im Gegensatz zur kontinuierlichen Übertragung (sog. Continuous Transmission Mode) erforderlich ist. Durch die Möglichkeit der kontinuierlichen Synchronisation benötigen die Slaves auch keinen weiteren Systemtakt, der bei bekannten Systemen in der Regel neben der Kommunikationsschnittstelle zusätzlich zugeführt werden muss. Folglich können weitere Leitungen und Pins eingespart werden. Optional sieht der Dauerbetrieb den Einsatz eines Spread-Spectrum-Verfahrens bzw. eine spektrale Spreizung zur Verbesserung der EMV-Eigenschaften vor. Ferner ist auch die Anwendung einer paketorientierten Übertragung (sog. Burst Transmission Mode) möglich, wenngleich hierdurch möglicherweise eine zusätzliche Leitung für die Übertragung des Systemtakts vom Master an die Slaves erforderlich wird.
-
In weiterer Ausgestaltung weisen die an der Kommunikation beteiligten Teilnehmer Schieberegister auf. Dabei erfolgt eine automatische Taktung der Schieberegister, wobei mittels eines Taktrückgewinnungsmoduls ein Takt zur Zeitbasis des Masters, der als Mikrocontroller ausgebildet ist, zurückgewonnen wird. Das Schieberegister überträgt mit einem Taktsignal dieses Takts automatisch die Daten. Da die Bits einzeln verarbeitet werden können, kann die minimale Latenzzeit von einer Bitdauer je Teilnehmer erreicht werden. Latenzzeiten, die sich ergeben, bis ein Datenpaket mit einer Nachricht durch den Ring übertragen ist, sind somit gering, wodurch die Echtzeitfähigkeit der Kommunikationsanordnung sichergestellt werden kann. Durch die minimale Verzögerung der Nachricht um mindestens einen Takt erfolgt in jedem Teilnehmer zudem eine Signalaufbereitung, d. h. ein sog. Bit-Reshaping, das pegel- und/oder zeitbezogen wirken kann.
-
In der Kommunikationsanordnung erfolgt die Adressierung der Teilnehmer vorzugsweise nicht über ein separates Auswahl-Signal, sondern durch eine Adressierung innerhalb eines als Datenrahmen oder Leerrahmen ausgebildeten Datenpakets. Um das Adressfeld im kontinuierlichen Datenstrom zu detektieren, wird das Zwischenrahmensymbol, das in Ausgestaltung einem Anfangssymbol sowie einem Endsymbol eines Datenpakets entspricht, eingefügt.
-
Das Zwischenrahmensymbol kann auch als Präambel eines Datenrahmens betrachtet werden, womit sich die Slaves auf die bevorstehenden Daten synchronisieren können. Hierüber erfolgt eine Synchronisation des Rahmens, da jedem Teilnehmer bekannt ist, dass nach dem Zwischenrahmensymbol stets Daten übertragen werden. Das Zwischenrahmensymbol kann auch zur Umsetzung variabler Datenlängen verwendet werden.
-
Der Master kann die Slaves über die Adressierung ansprechen und über entsprechende Befehle Daten schreiben oder lesen.
-
Mit der beschriebenen Schnittstelle kann eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Rahmenlängen durchgeführt werden. Sofern eine feste Rahmenlänge gewählt wird, können unter Umständen kleine Datenpakete in einem großen Rahmen übertragen werden. Hierbei ist ein Auffüllen des Datenrahmens mit Blinddaten erforderlich. Ebenso ist eine variable Rahmenlänge umsetzbar, wobei die Länge der Datenregister in den Slaves unabhängig voneinander sein kann, da die irrelevanten Datenrahmen jeweils nur durchgereicht werden.
-
Im Fall von variablen Rahmenlängen können die Slaves über einen Leerrahmen dem Master mit einer Anforderung signalisieren, dass von dem Slave Nutzdaten zu übertragen sind, wonach diese anschließend von dem Master durch Versenden eines Datenrahmens passender Länge abgeholt werden.
-
Ein Slave bezieht seine Adresse entsprechend der Position im Ring über den Leerrahmen. Der Leerrahmen wird vom Master mit dem Adresswert 0x00 versendet, wobei jeder Slave den Adresswert um den Wert 0x01 erhöht und den empfangenen Wert in seinem Adressregister ablegt. Damit erfolgt mit dem Versenden eines Leerrahmens eine indirekte Adressvergabe. Entsprechend der Position im Ring kann der Slave das ihm im Leerrahmen zugeordnete Interruptbit modifizieren und somit dem Master eine Unterbrechungsanfrage übermitteln.
-
Über einen Leerrahmen kann der Slave einen Interrupt bzw. eine Unterbrechung, bspw. einen Soft-Interrupt, an den Master senden und darauf warten, dass der Master einen passenden Datenrahmen in einem nächsten Umlauf an den Slave schickt. Dieser Datenrahmen ist mit einem gesetzten Reservierungszeichen und der Adresse des Slaves versehen. Im Inhalt des Datenrahmens kann nun bspw. nochmals der Befehl zum Auslesen eines Register stehen, wonach der Slave im Anschluss die vorhandene Information in den Datenrahmen kopiert.
-
Um bei dieser Variante der Kommunikation eine Signalisierung auszulösen, erfolgt eine Priorisierung eines Slaves anhand der Position des Slaves in der Kommunikationsanordnung. Dabei kann in einer Ausgestaltung der Schnittstelle ein Slave über das Setzen eines ihm zugeordneten Bits eine Signalisierung an den Master übermitteln. Nach dem Zwischenrahmensymbol und dem Reservierungszeichen folgt entsprechend der Anzahl an Slaves als Teilnehmer in der Kommunikationsanordnung eine Anzahl an Bits, die mindestens so groß wie die Anzahl der Teilnehmer, in der Regel der Anzahl der Slaves, in der Kommunikationsanordnung ist, welche einen Interrupt auslösen können. Teilnehmer, welche nur Daten vom Master empfangen und keine Botschaften an diesen liefern, besitzen demnach keine Interrupt-Fähigkeit und ignorieren folglich die Leerrahmen. Somit braucht für diese Art von Teilnehmern auch kein Interrupt-Bit im Leerrahmen vorgehalten werden. Sofern durch einen interruptfähigen Teilnehmer ein Interrupt ausgelöst werden soll, setzt dieser Teilnehmer das ihm zugeordnete Bit. Die Priorisierung der Abarbeitung der Interrupts kann nun im Master (Mikrocontroller) erfolgen.
-
Eine Fehlerkorrektur kann in einer weiteren Ausgestaltung ebenfalls hinzugefügt werden. Falls eine Kommunikationsanordnung ringförmig ausgebildet ist, kann diese aufgrund der Ring-Topologie so ausgelegt werden, dass der Master nach der Übertragung durch den Ring die empfangene Botschaft mit der von ihm ursprünglich gesendeten Botschaft vergleicht und somit auf eine fehlerfreie bzw. fehlerhafte Übertragung schließen kann. In der Regel wird die Antwort auf eine Anfrage von den Slaves direkt an den Master geschickt, um eine bessere Auslastung des Systems zu gewährleisten. Alternativ kann die Antwort des Slaves auch erst mit dem nächstfolgenden an ihn adressierten Datenpaket erfolgen, entsprechend heutiger Ausgestaltungen einer SPI-Kommunikation. Optional kann eine zyklische Redundanzprüfung (Cyclic Redundancy Check, CRC) als Prüfsummenverfahren durchgeführt oder eine Paritätsprüfung im Datenrahmen hinzugefügt werden und der empfangende Teilnehmer am Ende seiner Antwort einen Empfang quittieren (Acknowledge).
-
Wahlweise kann die Übertragung der Daten derart erfolgen, dass eine Botschaft mit Daten, die üblicherweise in einem Datenrahmen bereitgestellt und ausgehend vom Sender, d. h. dem Master, komplett durch den Ring übertragen wird, im Master wieder dekodiert wird, bevor das Senden des nächsten Datenrahmens erfolgt. Alternativ kann auch ein kontinuierlicher Bitstrom an Daten gewählt werden, d. h. das Senden des nächsten Datenrahmens erfolgt direkt im Anschluss und nicht erst nach Empfang der vorherigen Botschaft. In diesem Fall wird im Protokoll durch Arbitrierung sichergestellt, dass ein Soft-Interrupt eines Slaves bei überschneidender Adressierung durch den Master, d. h. der Master spricht den Slave an, noch bevor der Soft-Interrupt des Slaves verarbeitet wurde, korrekt bearbeitet wird. Dieses Szenario ist zulässig und hat keinen Einfluss auf die Ausgestaltung der beschriebenen Bitübertragungsschicht.
-
Optional erfolgt eine Implementierung eines zusätzlichen Logikmoduls im Master, um die empfangenen Daten, z. B. Sensordaten, direkt in einen Speicher zu schreiben. Desweiteren kann das Polling der Slaves automatisiert werden. Hierdurch erfolgt eine Reduktion der Software-Interaktion, was zu einer Entlastung der zentralen Recheneinheit (CPU) führt. Weiter können die Register der ASICs (Slaves) im Speicher des Mikrocontrollers (Master) transparent abgelegt werden. Mögliche HW-Module sind aus dem Stand der Technik als DMA, Transfer Units oder auch Message Boxen bekannt.
-
Eine im Rahmen der Erfindung vorgesehene Schnittstelle für einen Teilnehmer kann für Anwendungen im Kfz-Bereich eingesetzt werden. Entsprechend den bekannten Standards wie IIC (Inter-Integrated Circuit) und SPI (Serial Peripheral Interface) ist die genannte Schnittstelle ebenfalls universell einsetzbar und demnach nicht auf einen Einsatz im Automotive-Bereich oder gar in Steuergeräten (ECUs) beschränkt.
-
Die erfindungsgemäße Kommunikationsanordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten, üblicherweise von Teilnehmern, der Kommunikationsanordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Kommunikationsanordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Kommunikationsanordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen wenigstens einer Komponente der Kommunikationsanordnung oder der gesamten Kommunikationsanordnung realisiert werden.
-
Für Debugging- und Programmiervorgänge von Teilnehmern einer Kommunikationsanordnung wird eine serielle Übertragungsart gewählt. Insbesondere kann die beschrieben Kommunikationsanordnung bzw. die hierdurch geschaffene Debug- bzw. Programmierschnittstelle für Anwendungen im Kfz-Bereich, insbesondere in elektronischen Steuergeräten (ECUs) eines Kraftfahrzeugs, eingesetzt werden. In den unterschiedlichen Ausführungsformen kann es sich dabei dann bei den Teilnehmern der Kommunikationsanordnung insbesondere um Teilnehmer handeln, die auf der Leiterplatte eines Steuergeräts verbaut sind. Der Einsatz ist allerdings nicht auf den Automotive-Bereich oder gar ECUs beschränkt und kann vielmehr universell in unterschiedlichsten Applikationen zum Einsatz kommen.
-
Die Teilnehmer (auch Knoten genannt) werden in Form einer Ring-Topologie angeordnet, wodurch die Teilnehmer durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verbunden sind. Ein Teilnehmer agiert als Master, wodurch keine Busarbitrierung erforderlich wird. Vorteilhafterweise verfügen die Kommunikationsteilnehmer über ein Schieberegister. Es erfolgt eine automatische Taktung der Schieberegister mit dem mittels Taktrückgewinnungsmodul zurück gewonnenen Takt zur Zeitbasis des Masters bzw. Mikrocontrollers. Das Schieberegister überträgt mit diesem Taktsignal automatisch die Daten. Da die Bits einzeln verarbeitet werden, genügt die Verzögerung um eine Bitzeit und damit minimaler Latenz. Durch die minimale Verzögerung der Nachricht um einen Takt erfolgt in jedem Teilnehmer zudem eine Signalaufbereitung (sog. Bit-Reshaping). Zusätzlich kann jeder Teilnehmer durch die 1-Bit Verzögerung die Botschaften auf dem Kanal modifizieren.
-
Bei den Teilnehmern der Kommunikationsanordnung handelt es sich beispielsweise um einen diskreten Baustein bzw. diskrete Bausteine (ASICs), die von einer Logik (Mikrocontroller) gesteuert werden müssen. Weitere Teilnehmer bzw. Knoten des Kommunikationsnetzwerks können Speicherbausteine (z.B. Flash, EEPROM) oder auch programmierbare Implementierungsplattformen (z.B. FPGAs) sein.
-
Das beschriebene, ringförmige Kommunikationssystems wird um einen weiteren Teilnehmer, nämlich einen Debug-Knoten bzw. Debug-Teilnehmer, erweitert, welcher in den Ring eingefügt wird. Dieser Debug-Knoten enthält vorzugsweise keinen Bestandteil der hauptsächlichen Funktionalität der Kommunikationsanordnung. Umfasst diese hauptsächliche Funktionalität beispielsweise eine Steuergerätefunktionalität (z.B. ABS/ESP-Regelung), so trägt der Debug-Knoten vorzugsweise nicht hierzu bei. Vielmehr stellt dieser Teilnehmer eine Schnittstelle zu externen Systemen dar. Hierbei bezeichnet extern eine Position außerhalb der Kommunikationsanordnung. Ein externes System kann über diesen Debug-Teilnehmer in die interne Kommunikation der Kommunikationsanordnung eingreifen, also beispielsweise in die Steuergeräte-interne Kommunikation. Das externe System kann Daten einspeisen, beispielsweise um eine neue Software und/oder Hardware-Konfigurationen (beim Einsatz von programmierbaren Implementierungsplattformen) bereitzustellen. Des Weiteren kann aber auch die Kommunikationsanordnungs-interne (bzw. Steuergeräte-interne) Datenübertragung in einem Debug-Mode überwacht werden.
-
Der Debug-Knoten verfügt über ein 1-Bit-Schieberegister. Hierüber können wie oben zur ringförmigen, seriellen Kommunikationsanordnung beschrieben die Daten modifiziert werden, welche über dieses Schieberegister laufen. Beispielsweise können auch Daten für Testzwecke manipuliert werden. Aufgrund der geringen Verzögerung von einem Bit wird die Kommunikation im Steuergerät nicht weiter beeinflusst, d.h. die Latenz kann vernachlässigt werden. Der Debug-Knoten ist somit aus Sicht der funktionalen Software „unsichtbar“. Es sind somit keine Anpassungen in der Software der Kommunikationsanordnung bzw. ihrer Teilnehmer erforderlich.
-
In 1 ist eine entsprechende ringförmige Kommunikationsanordnung in einer einfachen Ausführung gezeigt. Diese weist einen Master 1 sowie Slaves 2–4 auf. Der Master 1 verfügt über ein Register 11 sowie ein Taktmittel 12. Die Slaves 2, 3, 4 verfügen über Schieberegister 21, 31, bzw. 41. Stellvertretend auch für die übrigens Slaves 2 und 3 ist für den in größerem Detail gezeigten Slave 4 zudem Taktrückgewinnungsmittel 42 angedeutet, über welche ein Takt der Taktmittel 12 des Masters 1 rückgewonnen werden kann. Ein Datenstrom 5, welcher Datenpakete umfasst, die in der Kommunikationsanordnung übertragen werden ist durch Pfeile dargestellt. Wie in 1 angedeutet, läuft der Datenstrom in den Slaves 2, 3, 4 über die Schieberegister 21, 31, 41. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um 1-Bit-Schieberegister, so dass sich für den Datenstrom 5 jeweils eine sehr geringe Verzögerung von einem Bit ergibt.
-
2 zeigt einen entsprechenden Datenring in einer anderen Darstellung. Der gezeigte Ausschnitt der ringförmigen Kommunikationsanordnung weist einen Master-Teilnehmer 201 mit Taktmitteln 212, Taktrückgewinnungsmitteln 213, einem Systemtakt 214 sowie Registern 210 und 211 auf sowie zwei Slaveteilnehmer 202 und 203 mit jeweils einem Schieberegister 221 bzw. 231, mit Taktrückgewinnungsmitteln 223 bzw. 233 sowie einem Systemtakt 224 bzw. 234. Die Kommunikationsverbindung- bzw. -leitung 205 der Kommunikationsanordnung verbindet die gezeigten Teilnehmer 201–203 sowie gegebenenfalls weitere nicht gezeigte Teilnehmer ringförmig.
-
In 3 sind in Übereinstimmung mit 2 ein Master-Teilnehmer 301 mit Taktmitteln 312, Taktrückgewinnungsmitteln 313, einem Systemtakt 314 sowie Registern 310 und 311 dargestellt sowie zwei Slaveteilnehmer 302 und 303 mit jeweils einem Schieberegister 321 bzw. 331, mit Taktrückgewinnungsmitteln 323 bzw. 333 sowie einem Systemtakt 324 bzw. 334. Zusätzlich ist nun ein weiterer Teilnehmer 304 in der Kommunikationsanordnung angeordnet. Hierbei handelt es sich um einen Debug- bzw.- Programmierknoten bzw. -teilnehmer. Dieser weist neben einem Schieberegister 341, Taktrückgewinnungsmitteln 343 und einem Systemtakt 344 eine Schnittstelle 346 nach extern (also nach außerhalb der Kommunikationsanordnung) auf. Diese Schnittstelle 346 ist in der speziellen Ausgestaltung nach 3 als drahtlose Funk-Schnittstelle (Wifi-Schnittstelle) vorgesehen (angedeutet durch die Sendewellen). Die Kommunikationsverbindung- bzw. -leitung 305 der Kommunikationsanordnung verbindet alle gezeigten Teilnehmer 301–304 ringförmig. Die externe Schnittstelle 346 des Teilnehmers 304 kann in weiteren Ausführungsbeispielen allerdings ebenso anders ausgeführt sein, insbesondere drahtgebunden, optisch etc. Über die externe Schnittstelle 346 empfängt der Teilnehmer 304 Daten von extern, bzw. kann Daten nach extern senden. Auf Basis dieser Kommunikation mit extern können Programmteile von Teilnehmern der Kommunikationsanordnung geändert werden sowie Überwachungs- und Diagnosefunktionen durchgeführt werden. Der Teilnehmer 304 fungiert somit als Debug- bzw. Programmierschnittstelle der Kommunikationsanordnung. Über eine solche Schnittstelle 304 kann beispielsweise in einer Werkstatt eine neue Software ins System, z.B. in ein Steuergerät, eingespielt werden. Sofern der Debug-Teilnehmer 304 im System, insbesondere auf der Leiterplatte eines Steuergeräts, verbleibt und im Feld nicht mehr genutzt wird, kann vorgesehen sein, dass der Teilnehmer nach erfolgter Programmierung in einen Bypass-Modus wechselt und ist somit im weiteren Betrieb im Feld nicht mehr funktionaler Teil der Kommunikationsanordnung. Für spätere Programmiervorgänge, kann der Bypass-Modus wieder beendet werden. In 3 ist der Bypass-Modus durch einen bevorzugten Hardware-Bypass 345 dargestellt. Durch diesen wird eine direkte Verbindung der Teilnehmer 302 und 303 über die Verbindung 305 ermöglicht, ohne dass die Kommunikation zwischen diesen Teilnehmer über den Teilnehmer 304 läuft. Der Debug-Knoten kann also nach einem Test-, Debug- oder Programmiervorgang im System, bzw. auf der Leiterplatte verbleiben, ohne die spätere Kommunikation im Datenring zu beeinflussen.
-
Der Debug-Knoten kann alternativ nach einem Test-, Debug- oder Programmiervorgang auch aus dem System, bzw. von der Leiterplatte, entfernt werden. Dies ist in 4 dargestellt. In 4 ist wiederum gezeigt ein Master-Teilnehmer 401 mit Taktmitteln 412, Taktrückgewinnungsmitteln 413, einem Systemtakt 414 sowie Registern 410 und 411 sowie zwei Slaveteilnehmer 402 und 403 mit jeweils einem Schieberegister 421 bzw. 431, mit Taktrückgewinnungsmitteln 423 bzw. 433 sowie einem Systemtakt 424 bzw. 434. Zusätzlich ist wiederum ein weiterer Debug- bzw.- Programmierknoten bzw. -teilnehmer 404 in der Kommunikationsanordnung angeordnet. Dieser weist neben einem Schieberegister 441, Taktrückgewinnungsmitteln 443 und einem Systemtakt 444 eine Schnittstelle 446 nach extern (also nach außerhalb der Kommunikationsanordnung) auf. Die Kommunikationsverbindung- bzw. -leitung 405 der Kommunikationsanordnung verbindet alle gezeigten Teilnehmer 401–404 ringförmig. Die Funktionsweise der Schnittstelle 446 bzw. des Teilnehmers 404 entspricht denen der Schnittstelle 346 bzw. des Teilnehmers 304 wie zu 3 beschrieben. In der in 4 gezeigten Ausführungsform wird nun allerdings der Debug-Knoten 404 nur zeitweise im System eingesetzt, z.B. zu Testzwecken im Werk. Der Teilnehmer bzw. Debug-Knoten 404 kann hierzu beispielsweise über Kontaktiernadeln mit der Kommunikationsleitung 405 und damit mit der Kommunikationsanordnung verbunden werden (Verbindungsstellen 447, 448). Nach Abschluss der Test-, Debug- oder Programmiervorgänge, kann der Ring, beispielsweise durch die Bestückung eines 0R-Widerstands, wieder geschlossen werden. Der Debugknoten ist also flexibel in die Kommunikationsanordnung einbringbar bzw. wieder aus dieser entfernbar. Dies kann beispielsweise nach einem Test-, Debug- oder Programmiervorgang eines Steuergeräts im Werk ausgenutzt werden, um den Teilnehmer 404 vor der Auslieferung des Steuergeräts, bzw. vor dem Verschluss des Steuergeräts zu entfernen.
-
In weiterer Ausführungsform kann der Debug-Knoten in Form eines Multi-Slaves mit weiteren Teilnehmern kombiniert werden. Somit befindet sich der Debug-Knoten auf einer physikalischen Implementierungsplattform (ASIC, FPGA, ...) mit weiteren Nicht-Debug-Knoten. Vorzugsweise wird der Debug-Knoten im System-ASIC integriert. Dabei ist der System-ASIC ein zentraler Baustein der Kommunikationsanordnung, beispielsweise in einem Steuergerät ein Baustein, der eine Spannungsversorgung und Schnittstellen zu weiteren Kommunikationsanordnungen (beispielsweise zu einem CAN-Bus) aufweist.
-
In allen Ausführungsformen kann mit der Aktivierung bzw. mit dem Einfügen des Debugknotens dieser die Masterfunktionalität in der Kommunikationsanordnung übernehmen und der eigentliche bzw. bisherige Master des Systems (z.B. der Mikrocontroller) wird zu einem Slave. Der Wechsel der Funktionalität des Mikrocontroller vom Master zum Slave kann insbesondere über eine Signalleitung und/oder eine externe Beschaltung und entsprechender Initialisierung während der Hochlaufphase erfolgen. Nach Deaktivierung bzw. Entfernung des Debugknotens übernimmt dann wieder der eigentliche bzw. ursprüngliche Masterknoten die Masterfunktion der Kommunikationsanordnung.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010041427 [0008]
- US 7265578 B1 [0010]
- US 7554357 B2 [0010]
