DE102016211769A1

DE102016211769A1 - Mikrocontroller für einen Feldbus

Info

Publication number: DE102016211769A1
Application number: DE102016211769.6A
Authority: DE
Inventors: Axel Aue; Eugen Becker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-01-04
Also published as: KR20180002536A; CN107544615B; CN107544615A; KR102279947B1

Abstract

Mikrocontroller (µC) für einen Feldbus (12), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Mikrocontroller (µC) umfasst einen Zeitgeberbaustein (GTM) mit einem Eingangsmodul (TIM), – der Mikrocontroller (µC) umfasst ferner einen mit dem Eingangsmodul (TIM) elektrisch verbundenen Pin-Multiplexer (10), – der Zeitgeberbaustein (GTM) ist darauf programmiert, ein vorgegebenes Schlüsselaustauschprotokoll zu befolgen und – der Pin-Multiplexer (10) ist dazu konfiguriert, elektrische Eingangssignale von dem Feldbus (12) wahlweise dem Eingangsmodul (TIM) zuzuleiten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrocontroller für einen Feldbus. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Steuergerät und Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
In der Digitaltechnik und insbesondere elektrischen Automatisierungstechnik und Fahrzeugelektronik werden integrierte Schaltkreise, die einen Hauptprozessor (central processing unit, CPU) mit unterschiedlichsten Peripheriefunktionen vereinen, zusammenfassend als Mikrocontroller (µController, µC, MCU) bezeichnet. Gattungsmäßige Mikrocontroller umfassen in der Regel einen teilweise oder vollständig auf demselben Mikrochip integrierten Arbeits- und Programmspeicher und sind dem Fachmann in diesem Fall auch als System-on-a-Chip (SoC) vertraut. Mikrocontroller nach dem Stand der Technik erfüllen mitunter komplexe Peripheriefunktionen und weisen teils programmierbare digitale, analoge oder hybride Funktionsblöcke auf, welche die bei einem klassischen Mikroprozessor als Unterstützungs- und Peripheriebausteine realisierten Komponenten wie Takterzeugung, Interrupt-Controller, Schnittstellenbausteine, Speichercontroller und insbesondere Zeitgeber in den Chip selbst integriert werden.
Der Begriff „Zeitgeber“ ist in diesem Zusammenhang in einem engeren, dem Sprachgebrauch der technischen Informatik und Elektronik entsprechenden Wortsinn zu verstehen und bezeichnet einen Steuerbaustein, der zur Realisierung unterschiedlichster zeitbezogener Funktionen eingerichtet ist. Ein gattungsmäßiger Zeitgeberbaustein (generic timer module, GTM) verwaltet einen oder mehrere unterschiedliche Timer, die unabhängig voneinander betrieben und beispielsweise im Rahmen von Impulsgeneratoren, Taktgebern, zur Zeitmessung oder als Referenz für Ereigniszähler eingesetzt werden können.
DE 10 2010 003521 offenbart exemplarisch eine Schaltungsanordnung für ein datenverarbeitendes System zur Verarbeitung von Daten in einer Mehrzahl von Modulen, wobei die Schaltungsanordnung dazu konfiguriert ist, jedem der Mehrzahl der Module mindestens einen Takt, eine Zeitbasis und eine Basis mindestens einer weiteren physikalischen Größe zur Verfügung zu stellen, die Schaltungsanordnung ferner eine zentrale Routing-Einheit umfasst, an welche die Mehrzahl der Module angekoppelt ist und über welche die Mehrzahl der Module untereinander Daten, die auf der Zeitbasis und/oder der Basis der anderen physikalischen Größe basieren, periodisch austauschen können, und jedes der Mehrzahl der Module dazu konfiguriert ist, eigenständig und parallel zu anderen Modulen der Mehrzahl der Module Daten zu verarbeiten. Ferner offenbart DE 10 2010 003521 ein entsprechendes Verfahren.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt einen Mikrocontroller für einen Feldbus, ein entsprechendes Steuergerät sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug nach den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Dem vorgeschlagenen Ansatz liegen die Herausforderungen neu entwickelter Verfahren zugrunde, um über asynchrone serielle Feldbusse wie CAN, LIN oder 2I C mit nichtdestruktiver bitweiser Arbitration auf der Basis von Und-Logikgattern (wired AND) das kryptografische Schlüsselverteilungsproblem zu lösen. Als Beispiel eines einschlägigen Verfahrens sei das in DE 10 2015 207220 A1 sowie MÜLLER, Andreas; LOTHSPEICH, Timo. Plug-and-secure communication for CAN. CAN Newsletter, 2015, S. 10–14. beschriebene Schlüsselaustauschprotokoll genannt. Die Umsetzung eines solchen Protokolls bedarf in der Regel einer synthesefähigen Hardwarebeschreibung etwa in VHDL, Verilog oder ABEL und der Integration mit einem geeigneten Mikrocontroller und Sendeempfänger (transceiver). Diese Schritte sind zeit- und kostenintensiv und bedingen mitunter die Einführung eines neuen Produktes mit der daran geknüpften Verzögerung für den praktischen Einsatz.
Das im Folgenden vorgestellte Konzept fußt hingegen auf einer Nachbildung besagter Funktionalität im GTM. Als vollwertige Capture/Compare-Einheit vermag ein solcher Peripheriebaustein externe Signale zu erfassen (capture) und zu vergleichen (compare).
Ein Vorzug der erfindungsgemäßen Lösung liegt in ihrer Eignung, in bereits verfügbaren und definierten µC-Produkten eingesetzt zu werden. Dazu wird keine Hardware-Änderung benötigt. Die nachgebildete Funktionalität wird vielmehr als zusätzliches Leistungsmerkmal in die Software des betreffenden Mikrocontrollers integriert.
Beim Schaltungslayout neuer µC-Produkte mit entsprechender Protokollunterstützung kann erfindungsgemäß der Flächenbedarf reduziert werden. Weiterhin bietet hier eine erfindungsgemäße Ausgestaltung den Vorteil, einen etwaigen Mehrfachkoppler (multiplexer, MUX) für das sogenannte Pin-Sharing einzusetzen. Eine derart gemeinsame Nutzung von Anschlüssen für 2CAN, LIN, I C und GTM ist bereits in herkömmlicher Hardware verbreitet; daher wird hier keine Änderung erforderlich.
Da das oben zitierte PnS-Protokoll eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung für den Schlüsselaustausch verwendet, ist eine verteilte PnS-Unterstützung im Feldbussystem vorauszusetzen. Eine erfindungsgemäße PnS-Nachbildung kann jedoch bei Steuergeräten nachgerüstet werden, ohne hierzu deren Hardware zu ändern.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann vorgesehen sein, dass der Zeitgeberbaustein eine fortschrittliche Leiteinheit (advanced routing unit, ARU) und ein auf das Schnittstellenprotokoll programmiertes, vorzugsweise mehrkanalfähiges Mikroprogrammsteuerwerk (multi-channel sequencer, MCS) umfasst, das zur Verarbeitung der konzeptionell „höheren“ Schichten der Schnittstellenprotokolle sowie Generierung und Berechnung von Geheimschlüsseln oder Zufallsbitfolgen für die Verwendung von PnS-Funktionen dient.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass der Zeitgeberbaustein ein mit der Leiteinheit verbundenes Parameterspeichermodul (parameter storage module, PSM) umfasst, welches dazu konfiguriert ist, zeitdiskrete Werte des Eingangssignales oder Ausgangssignales in einer Warteschlange (first-in first-out, FIFO) bzw. internes RAM abzulegen. Dies ermöglicht die Ablage eines Bitstroms (bitstream), damit letzterer nachträglich im MCS verarbeitet und so zum Beispiel eine zyklische Redundanzprüfung (cyclic redundancy check, CRC) vorgenommen werden kann.
Schließlich kann zur Verkürzung von Antwortzeiten im Falle eines CAN vorgesehen sein, dass der Zeitgeberbaustein ein mit dem Eingangsmodul verbundenes Totzeitmodul (deadtime module, DTM) umfasst, um wahlweise eine Empfangsbestätigung (acknowledgment, ACK) oder einen Fehlerdatenrahmen (error frame) zu erzeugen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 das Blockdiagramm eines Mikrocontrollers gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 das Blockdiagramm eines Mikrocontrollers gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
1 illustriert die grundlegenden konstruktiven Merkmale einer Ausführungsform der Erfindung anhand eines Mikrocontrollers (µC) für ein CAN. Um einen gleichsam „versteckten“ Schlüssel aus einer über diesen Feldbus (12) empfangenen Nachricht zu gewinnen, werden einige arithmetische und logische Operationen angewendet, die von einer Recheneinheit in Gestalt eines Mikroprogrammsteuerwerkes (MCS) ausgeführt werden können. Damit ein Schlüsselaustausch stattfinden kann, sollen die verwendeten Pins des Netzwerkmodules (13) durch einen Multiplexer (10) hierzu auf jene des Zeitgeberbausteines (GTM) umgeschaltet werden.
Bei der auf diese Weise ermöglichten „PnS-Nachbildung“ (14) werden das Eingangssignal (Rx) und Ausgangssignal (Tx) auf das Eingangsmodul (timer input module, TIM) und (mit der ARU verbundene) Ausgangsmodul (timer output module, TOM) im Zeitgeberbaustein (GTM) umgeleitet. Die wechselnden Flanken des Eingangssignales (Rx) werden mit Hilfe des TIM-Modules als Zeitstempel oder durch eine optionale Abtastung (sampling) im TIM-Modul erfasst. Wenn der Flankenwechsel stattfindet, wird die Änderung (Pegel) zusammen mit dem Zeitstempel, bei dem sich der geänderte Pegel eingestellt hat, bzw. der durch Abtastung erkannte Pegel über die ARU zum MCS transportiert. Dies entspricht im Wesentlichen einer Standardfunktion des TIM, die z. B. im Rahmen der Motorsteuerung für die Erfassung von Nockenwelleneingangssignalen verwendet wird.
Im Falle sehr kurzer Zeitspannen zwischen den Flanken kann die durch eine Kommunikation über die ARU bedingte Verzögerung zu groß sein; deswegen kann das MCS die Daten aus dem TIM oder TOM wahlweise direkt auslesen. Dieses Verhalten wird durch eine entsprechende Konfiguration aktiviert. Das MCS gewinnt aus dem vom Eingangssignal (Rx) getragenen Bitstrom – transportiert durch mehrere ARU-Übertragungen aufgrund mehrerer Erfassungsereignisse (capture events) im TIM bzw. mehrere direkte Zugriffe auf den TIM durch das MCS selbst – ein Datenwort, z. B. 0111011111. Da das Protokoll bekannt ist, kann das MCS anhand dieses Datenwortes die notwendigen Informationen wie Kennung (identification, ID), Nutzdaten, Anzahl der Bytes im Datenfeld (data length code, DLC), CRC etc. extrahieren, Informationen prüfen und für die weitere Anwendung zur Verfügung stellen.
Ein komplementäres Verfahren wird zur Erzeugung des Ausgangssignales (Tx) verwendet, um einen Bitstrom auszugeben. Das MCS-Modul sendet dem TOM-Modul über die ARU bzw. durch direkten Zugriff Zeitangaben, die bestimmen, wann sich das Ausgangssignal (Tx) einen bestimmten Pegel annehmen soll – viele solcher Übertragungen definieren z. B. das Datenwort 0100010001. Anhand des erfassten Eingangssignales (Rx) und generierten Ausgangssignales (Tx) werden entsprechende Frames empfangen bzw. generiert. Die Protokollschichtverwaltung erfolgt mittels des MCS-Kanals.
Das PnS-Verfahren sieht die Verwendung einer Zufallszahl vor. Deren Generierung kann entweder durch MCS oder CPU des Mikrocontrollers (µC) erfolgen. Auch die Einbettung der Zufallszahl in eine bzw. spätere Extrahierung des resultierenden Schlüssels aus einer übertragenen Nachricht kann durch MCS oder CPU erfolgen. Nachdem der Schlüsselaustausch stattgefunden hat, werden Eingangssignal (Rx) und Ausgangssignal (Tx) über den Multiplexer (10) auf das Netzwerkmodul (13) zurückgeschaltet. Eine alternative Ausgestaltung kann stattdessen eine direkte Verbindung des Eingangssignales (Rx) vorsehen, sodass der Multiplexer (10) lediglich für das Ausgangssignal (Tx) zur Anwendung kommt. Der Sendeempfänger (11) dient in beiden Szenarien als Treiberbaustein zur physischen Anbindung an den Feldbus (12).
Hierbei kann das Netzwerkmodul (13) als eigenständige Hardware (HW) im µC vorgesehen oder, wie 2 verdeutlicht, ebenfalls softwaremäßig im GTM nachgebildet (15) sein. Beide Lösungen mögen im Rahmen geeigneter Ausführungsformen Anwendung finden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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 102010003521 [0004, 0004]
DE 102015207220 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

MÜLLER, Andreas; LOTHSPEICH, Timo. Plug-and-secure communication for CAN. CAN Newsletter, 2015, S. 10–14 [0006]

Claims

Mikrocontroller (µC) für einen Feldbus (12), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Mikrocontroller (µC) umfasst einen Zeitgeberbaustein (GTM) mit einem Eingangsmodul (TIM), – der Mikrocontroller (µC) umfasst ferner einen mit dem Eingangsmodul (TIM) elektrisch verbundenen Pin-Multiplexer (10), – der Zeitgeberbaustein (GTM) ist darauf programmiert, ein vorgegebenes Schlüsselaustauschprotokoll zu befolgen und – der Pin-Multiplexer (10) ist dazu konfiguriert, elektrische Eingangssignale von dem Feldbus (12) wahlweise dem Eingangsmodul (TIM) zuzuleiten.
Mikrocontroller (µC) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Zeitgeberbaustein (GTM) umfasst ferner ein mit dem Pin-Multiplexer (10) verbundenes Ausgangsmodul ((A)TOM) und – der Pin-Multiplexer (10) ist ferner dazu konfiguriert, dem Feldbus (12) wahlweise elektrische Ausgangssignale von dem Ausgangsmodul ((A)TOM) zuzuleiten.
Mikrocontroller (µC) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Feldbus (12) ist ein CAN, – der Zeitgeberbaustein (GTM) umfasst ferner ein mit dem Eingangsmodul (TIM) verbundenes Totzeitmodul (DTM) und – das Totzeitmodul (DTM) ist dazu konfiguriert, wahlweise eine Empfangsbestätigung oder einen Fehlerdatenrahmen zu erzeugen.
Mikrocontroller (µC) nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Zeitgeberbaustein (GTM) umfasst ferner eine Leiteinheit (ARU) und ein auf das Schnittstellenprotokoll programmiertes, vorzugsweise mehrkanalfähiges Mikroprogrammsteuerwerk (MCS) und – die Leiteinheit (ARU) verbindet das Eingangsmodul (TIM) und das Ausgangsmodul (TOM) jeweils mit dem Mikroprogrammsteuerwerk (MCS).
Mikrocontroller (µC) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Zeitgeberbaustein (GTM) umfasst ferner ein mit der Leiteinheit (ARU) verbundenes Parameterspeichermodul, RAM und – das Parameterspeichermodul ist dazu konfiguriert, zeitdiskrete Werte des Eingangssignales (Rx) oder Ausgangssignales (Tx) in einer Warteschlange, RAM abzulegen.
Mikrocontroller (µC) nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – das Mikroprogrammsteuerwerk (MCS) ist wahlweise dazu konfiguriert, unmittelbar oder über die Leiteinheit (ARU) mit dem Eingangsmodul (TIM) und dem Ausgangsmodul (TOM) zu kommunizieren.
Mikrocontroller (µC) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Zeitgeberbaustein (GTM) umfasst ferner ein mit dem Pin-Multiplexer (10) verbundenes Netzwerkmodul (13) und – der Pin-Multiplexer (10) ist dazu konfiguriert, die Eingangssignale von dem Feldbus (12) wahlweise dem Netzwerkmodul (13) zuzuleiten und dem Feldbus (12) wahlweise Ausgangssignale von dem Netzwerkmodul (13) zuzuleiten.
Mikrocontroller (µC) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Zeitgeberbaustein (GTM) umfasst zumindest ein weiteres Eingangsmodul (TIM) und ein weiteres Ausgangsmodul (TOM), – der Pin-Multiplexer (10) ist ferner mit dem weiteren Eingangsmodul (TIM) und dem weiteren Ausgangsmodul (TOM) verbunden und – der Pin-Multiplexer (10) ist ferner dazu konfiguriert, die Eingangssignale von dem Feldbus (12) wahlweise dem weiteren Eingangsmodul (TIM) und dem Feldbus (12) wahlweise Ausgangssignale von dem weiteren Ausgangsmodul (TOM) zuzuleiten.
Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Steuergerät umfasst einen Mikrocontroller (µC) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und – das Steuergerät umfasst einen mit dem Mikrocontroller (µC) verbundenen Sendeempfänger (11) für den Feldbus (12).
Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Kraftfahrzeug umfasst einen Feldbus (12), insbesondere ein CAN, LIN oder I²C und – das Kraftfahrzeug umfasst ein mit dem Feldbus (12) verbundenes Steuergerät nach Anspruch 9.