DE19811235A1 - Computer-System für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Computersystem für Multimedia-Anwendungen in Kraftfahrzeugen, wobei das Computersystem neben weiteren Baugruppen (3, 4, 5) in wenigstens 2 voneinander unabhängige Prozessor-Baugruppen (1, 2) unterteilt ist, die jeweils Microprozessoren aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Computersystem für Kraftfahrzeuge. Derartige Computersysteme werden in Kraftfahrzeugen installiert, um die Fahrzeuginsassen während der Fahrt über zum Teil sicherheitsrelevante Fahrzeugdaten zu informieren.

Typische Daten, die mit solchen Computersystemen erfaßt werden, sind z. B. die Motordrehzahl, Klimaanlageneinstellung, Außentemperaturanzeige sowie u. a. auch die eingestellte Radio­ frequenz. Die erfaßten Fahrzeugdaten werden üblicherweise über den fahrzeuginternen Datenbus an das Computersystem über­ mittelt und über geeignete Fahrzeuginstrumente den Insassen zur Anzeige gebracht.

Neben der reinen Fahrzeugdatenerfassung wird von den Insassen heutzutage allerdings immer mehr die Möglichkeit erwartet, im Kraftfahrzeug auch informationsverarbeitende Prozesse durch­ führen zu können. Hierbei kann es sich insbesondere um Internet-Anwendungen, die Verarbeitung von CD-ROM Daten oder auch um Bürokommunikation über Telefax und Telefon handeln.

Derartige Anwendungen erfordern Rechenkapazitäten und Grafikleistungen, wie sie von bisherigen KFZ-tauglichen Computersystemen nicht zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus ist es auch aus sicherheitsrelevanten Gesichtspunkten nicht ratsam, die bekannten KFZ-Computersysteme mit derartigen Anwendungen zu beschäftigen, da in diesem Fall eine Echtzeit- Überwachung wichtiger Fahrzeugdaten nicht mehr gegeben wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein erweiterbares und somit an verschiedene und wachsende Anforderungen adaptierbares Computersystem für Kraftfahrzeuge zu schaffen, bei dem auch aus Sicherheitsgründen, die Systemteile, die multimediale Aufgaben, und solche, die sicherheitsrelevante Aufgaben wahrnehmen, streng voneinander entkoppelt sind. Weiterhin sind für zukünftige Anwendungen die Rechenleistung, der Speicher­ ausbau sowie die Grafikfähigkeiten variabel zu halten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Computersystem neben weiteren Baugruppen in wenigstens zwei voneinander unabhängige Prozessor-Baugruppen unterteilt ist, die jeweils Mikroprozessoren aufweisen. Durch die unabhängigen Prozessor- Baugruppen ist eine hohe Variabilität gegeben, da beide Prozessor-Baugruppen gleichzeitig für verschiedene, voneinander unabhängige Aufgaben eingesetzt werden können, und darüber hinaus an verschiedene Fahrzeughersteller und Fahrzeugtypen anpaßbar sind.

So kann mit dem erfindungsgemäßen Computersystem für Kraft­ fahrzeuge, neben der Ausführung von Multimedia Anwendungen gleichzeitig den hohen Sicherheitsanforderungen der Automobilindustrie genüge getan werden.

Als besonders vorteilhaft wird an dem erfindungsgemäßen Computersystem für Kraftfahrzeuge angesehen, daß die erste Prozessor-Baugruppe zur Echtzeit-Überwachung sicherheits- und komfortrelevanter Fahrzeugdaten und zur Kommunikation mit der Fahrzeugumgebung und die zweite Prozessor-Baugruppe für Multimedia Aufgaben eingesetzt ist. Hierdurch ist eine vollständige Entkopplung der beiden Prozessor-Baugruppen gegeben, so daß durch die erste Prozessor-Baugruppe auch weiterhin in Echtzeit wichtige Fahrzeugdaten, wie z. B. Motordrehzahl, Kraftstoffverbrauch, verbleibende Reichweite, Klimaanlagen- sowie andere Innenraumeinstellungen, System­ ausfälle oder z. B. auch die Senderkennung beim Radio überwacht werden können. Zur gleichen Zeit ist es hiervon unabhängig möglich, über die zweite Prozessor-Baugruppe Multimedia- Anwendungen durchzuführen, wie z. B. Informations- und Datenaustausch via Internet z. B. E-mail, World-Wide-Web, Telefax oder anderer Dienste.

Auch aus Sicherheitsgründen wird bevorzugt, wenn gleichzeitig auf den verschiedenen Prozessor-Baugruppen verschiedene Betriebssysteme einsetzbar sind. So erfordert die zweite Prozessor-Baugruppe für Multimedia-Anwendungen im allgemeinen Betriebssysteme, wie sie von derzeit gängigen Personal­ computern bekannt sind. Bei einem derartigen Betriebssystem kann es sich z. B. um das Programm "Windows" handeln, so daß mit dem kraftfahrzeuginternen Computersystem u. a. auch übliche PC-Programme lauffähig sind.

Aufgrund der teilweise jedoch nicht ausreichenden System­ stabilität bei derartigen Anwendungen, ist es ratsam, auf der ersten Prozessor-Baugruppe, die u. a. für sicherheitsrelevante Datenverarbeitung eingesetzt wird, ein anderes und wesentlich stabileres Betriebssystem zu verwenden. Hierbei kann es sich z. B. um das Betriebssystem "OSEK" handeln, daß speziell für den Einsatz in Kraftfahrzeugen entwickelt wurde.

Mit diesem Betriebssystem ist es z. B. möglich, ohne die Gefahr von Systemausfällen in Echtzeit wichtige Fahrzeugdaten aufzu­ nehmen, auszuwerten und zur Anzeige zu bringen.

Weiterhin ist es empfehlenswert, daß jede Prozessor-Baugruppe für sich über einen eigenen Speicherbereich verfügt, so daß gerade im Bereich der Multimedia-Anwendungen auch speicher­ intensive Programme ausgeführt werden können. Auch aus den bereits oben erwähnten sicherheitsbedingten Überlegungen hinsichtlich der eingesetzten Betriebssysteme ist zu empfehlen, die für Sicherheitsanwendungen vorgesehene erste Prozessor-Baugruppe mit einem eigenen Speicher auszurüsten, in dem die Fahrzeugdaten gespeichert und weiter verarbeitet werden.

Für Grafikanwendungen, wie z. B. die Eingabe von Video- und TV-Signa­ len oder anderen grafischen Informationen sowie die Ausgabe dieser Signale und grafischer Daten, ist eine grafische Ein-/Ausgabe-Baugruppe vorgesehen. Die Ein-/Ausgabe- Baugruppe, die u. a. für die Darstellung des Bildschirm­ speichers auf einem fahrzeuginternen Bildschirm zuständig ist, kann auch für die Kommunikation der beiden Prozessor- Baugruppen eingesetzt werden, die jeweils ihre Daten in einem Teil eines Grafikspeichers ablegen können.

Für besonders anspruchsvolle und/oder schnelle Grafiken ist zur Grafikaufbereitung ein weiterer Grafik-Microcontroller vorgesehen. Der Einsatz eines solchen Microcontrollers kann dann empfehlenswert sein, wenn besonders rechenintensive Grafikanwendungen eingesetzt werden, wie z. B. die 3D-Animation von Landkarten oder ähnlichem. Dieser Grafikcontroller, der z. B. für besonders schnelles Zeichnen von Linien zuständig ist, ist frei progranierbar und somit in weiten Grenzen variabel an die gewünschte Aufgabe anpaßbar. Ist die Grafikanwendung von vornherein auf einen bestimmten Typ beschränkt, so kann es von Vorteil sein, daß der Grafik- Microcontroller auch hardware-unterstützt arbeitet. In diesem Fall ist es dann z. B. denkbar, daß der Grafik-Microcontroller eine hardwaremäßige Fließkomma-Einheit enthält, mit der besonders rechenintensive Anwendungen, wie z. B. Matrix­ operationen oder Polynomberechnungen durchführbar sind.

Für die Kommunikation der einzelnen Baugruppen untereinander und mit der Außenwelt, werden vorzugsweise spezifische Schnittstellen, insbesondere serielle Schnittstellen eingesetzt. So kann die Kommunikation der ersten Prozessor- Baugruppe, die u. a. für sicherheitsrelevante Anwendungen zuständig ist, mit den unterschiedlichen Fahrzeugsystemen, wie z. B. der Motorelektronik, über ein spezielles, fahrzeuginternes Bus-System erfolgen. Bei diesem Bus-System handelt es sich vorzugsweise um einen CAN-Bus (controller area network). Auch andere Bus-Systeme sind hier denkbar.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn einzelne Baugruppen auf einen gemeinsamen Speicher, insbesondere einen Grafikspeicher Zugriff haben. Dieser Grafikspeicher kann in mehrere Bereiche, wie z. B. Kommunikationsbereiche, Programm­ speicher oder Bildschirmspeicher etc. unterteilt sein. Somit ist es möglich, daß in den Kommunikationsbereich dieses Grafikspeichers z. B. von der ersten Prozessor-Baugruppe wichtige Fahrzeugdaten abgelegt werden, die von der zweiten Prozessor-Baugruppe z. B. in Multimedia-Anwendungen weiter verwendet werden. Zur Gewährleistung einer sicheren Kommunikation können Hardware-MMU's in den jeweiligen Prozessoren verwendet werden. Hierbei versteht man unter einer MMU eine Memory Management Unit, also eine Speicher- Verwaltungs-Einheit.

Wenn die Kommunikation der drei wesentlichen Baugruppen, also der beiden Prozessor-Baugruppen sowie der Grafik-Baugruppe immer über den vorhandenen gemeinsamen Speicher stattfindet, so ist es möglich, jede einzelne Baugruppe soweit auszubauen, daß eine individuelle Anpassung an die jeweils gestellte Aufgabe möglich ist und trotzdem die Kommunikation unter den Baugruppen erhalten bleibt. Diese Anpassung kann dadurch erfolgen, daß z. B. je nach gewünschter Anwendung die eine oder andere Prozessor-Baugruppe oder auch die Baugruppen, die für Grafikanwendungen zuständig sind, z. B. mit besonders schnellen Prozessoren, Controllern, Bus-Systemen hoher Bit-Breite oder großen Speicherbereichen ausgerüstet werden.

Im umgekehrten Fall ist es jedoch auch möglich, daß einzelne Baugruppen, wie z. B. der spezielle Grafik-Microcontroller entfallen, sofern keine besonders rechenintensiven Grafik- Anwendungen durchgeführt werden sollen.

Durch das Variieren, auch der für Multimedia-Anwendungen vorgesehenen zweiten Prozessor-Baugruppe wird ein KFZ-taug­ liches Computersystem geschaffen, das die Aufgaben bereits bekannter Computersysteme übernimmt, jedoch darüber hinaus eine flexible und individuelle Ausbaubarkeit bietet, so daß das erfindungsgemäße Computersystem die bekannten Computer­ systeme vollständig ersetzen kann und dennoch, je nach Fahrzeugtyp, bzw. Fahrzeugklasse, auf einfachste Art und Weise durch Hinzufügen der speziellen Baugruppen an die gewünschte Anforderung anpaßbar ist.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Computersystems sind in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 Den prinzipiellen Computersystemaufbau mit allen wesentlichen Baugruppen.

Fig. 2 Ein für Multimedia und Grafik-Anwendungen maximal ausgebautes Computersystem.

Fig. 3 Ein Computersystem für Standard-Anwendungen.

Fig. 4 Ein minimal ausgebautes Computersystem.

Die Fig. 1 zeigt ein Computersystem für Kraftfahrzeuge, das neben weiteren Baugruppen in wenigstens zwei voneinander unabhängige Prozessor-Baugruppen unterteilt ist, die jeweils Mikroprozessoren aufweisen.

Bei den Prozessor-Baugruppen handelt sich um die Baugruppe 1, die zur Echtzeit-Überwachung sicherheits- und komfort­ relevanter Fahrzeugdaten und zur Kommunikation mit der Fahrzeugumgebung eingesetzt wird, sowie um die Prozessor- Baugruppe 2, die für Multimedia Aufgaben eingesetzt wird. Zur Aufnahme der Fahrzeugdaten in Echtzeit ist die Prozessor- Baugruppe 1 über serielle Anschlüsse 7 mit dem CAN-Bus des Fahrzeugs verbunden. Genauso wie die Prozessor-Baugruppe 2 für Multimedia-Anwendungen, weist die Prozessor-Baugruppe 1 einen eigenen Speicherbereich 10 auf, der je nach gewünschter Anwendung ausbaubar ist.

Aus den bereits oben erwähnten Sicherheitsüberlegungen sind auf den Prozessor-Baugruppen 1 und 2 jeweils verschiedene Betriebssysteme, wie z. B. "OSEK" auf der Prozessor-Baugruppe 1 und "Windows" auf der Prozessor Baugruppe 2 einsetzbar. Die beiden Prozessor-Baugruppen 1 und 2 kommunizieren darüber hinaus untereinander und mit der Außenwelt über Schnittstellen 6, die über die grafische Ein-Ausgabe-Baugruppe 3 mit dem gemeinsamen Grafikspeicher 4 verbunden sind. Dieser Grafikspeicher 4 untergliedert sich in einen Kommunikations­ bereich 11, einen Programmspeicher 12 für einen grafischen Microcontroller und einen Bildschirmspeicher 13. Über den Kommunikationsbereich 11 des Grafikspeichers 4 besteht die Möglichkeit, daß Daten, die von einer der Prozessor-Baugruppen 1 oder 2 in diesen Bereich abgelegt werden von einer anderen Baugruppe 3, 4, 5 weiterverwendet werden. Insofern ist ein Datenaustausch zwischen den einzelnen Baugruppen (1, 2, . . ., 5) gewährleistet.

Die grafische Ein-Ausgabe-Baugruppe 3 untergliedert sich ihrerseits in einen DMA-Kontroller 14, ein Speicherbus- Interface 15 sowie Ein- und Ausgabeeinheiten 16 und 17 für Videodaten.

Daher ist es möglich, daß z. B. am Videoeingang 8 anliegende Videodaten, die z. B. von einer Video-Kamera oder auch von einem TV-Empfänger zur Verfügung gestellt werden, über den Video-Eingang 16 der Baugruppe 3 und einen anschließenden DMA-Trans­ fer (direct memory access) über das Speicherbus-Interface 15 der Baugruppe 3 in den Bildschirmspeicher 13 des Grafik­ speichers 4 eingelesen wird. Der Bildschirmspeicher des Grafikspeichers 4, auf den wiederum sämtliche Baugruppen des Computersystems Zugriff haben, kann umgekehrt über das Speicherbus-Interface 15 der Baugruppe 3 und einem DMA-Trans­ fer über die Video-Ausgabeeinheit 17 auf einem Bildschirm 9 dargestellt werden.

In der vorliegenden Konfiguration sind die Ausbaustufen der Prozessor-Baugruppen 1 und 2 sowie des Grafikspeichers 4 und des Grafik-Microcontrollers 5 frei wählbar. Das heißt, diese Baugruppen können durch unterschiedlich große Speicher­ bereiche, bzw. durch verschieden schnelle Prozessoren individuell an die gewünschte Anwendung angepaßt werden.

Der Grafik-Microcontroller 5, der seinerseits wiederum über die grafische Baugruppe 3 mittels eines DMA-Transfers und des Speicherbus-Interfaces 15 mit seinem Programmspeicher 12 im Grafikspeicher 4 in Verbindung steht, kann für besonders rechenintensive grafische Anwendung eingesetzt werden und manipuliert z. B. die im Bildschirmspeicher abgelegten darzu­ stellenden Daten. Dadurch, daß sich der Programmspeicher 12 des Grafik-Microcontrollers 5 im Grafikspeicher 4 befindet, ist eine individuelle Anpassung der Programme für den Grafik- Microcontroller 5 an jede gewünschte Anwendung möglich.

Durch die Verknüpfung der einzelnen Baugruppen (1, . . ., 5) untereinander und die Nutzung des gemeinsamen Grafikspeichers 4 ist demnach die Möglichkeit gegeben, daß unabhängig vonein­ ander sowohl Fahrzeugdaten als auch Multimedia-Anwendungen auf einem Bildschirm 9 im Fahrzeuginneren dargestellt werden.

Die Fig. 2 zeigt eine mögliche maximale Ausbaustufe des KFZ-taug­ lichen Computersystems. Hier ist insbesondere die für Multimedia-Anwendungen ausgestattete Prozessor-Baugruppe mit einem 200 MHz-schnellen Prozessor ausgerüstet. Bei dem Prozessor kann es sich z. B. um standardmäßig verfügbare Pentium-Prozessoren oder auch andere Arten handeln.

Für besonders schnelle Grafikanwendungen ist die Verbindung zwischen der Grafik-Baugruppe 3 und dem gemeinsamen Grafik­ speicher 4 über ein 64-Bit breites Speicherbus-Interface 15 realisiert. Zur weiteren Unterstützung schneller Grafiken ist der Grafik-Microcontroller ebenfalls mit einem 200 MHz-schnel­ len Prozessor ausgestattet.

Demgegenüber zeigt die Fig. 3 eine Standardversion des Computersystems für Kraftfahrzeuge, bei dem die Multimedia- taugliche Prozessor-Baugruppe 2 mit einem kleineren eigenen Speicherbereich und mit einer nur 80 MHz-getakteten CPU ausgestattet ist. Bei sonst gleichem Aufbau und 64 Bit breiten Speicherbus-Interface 15 hat für geringere grafische Anwendungen hier auch der grafische Microcontroller 5 nur eine Taktfrequenz von 80 MHz.

Die Minimalausrüstung wird in der Abb. 4 dargestellt. Hier entfällt vollständig die multimedia-taugliche Prozessor- Baugruppe 2. Wegen der geringen Anforderungen an die Grafik­ fähigkeit des gesamten Systems ist der Grafikspeicher 4 kleiner ausgelegt und verfügt nur über ein Speicherbus- Interface 15 von 32 Bit-Breite. Auch die Taktfrequenz des Grafik-Microcontrollers ist nur auf 60 MHz ausgelegt.

Mit diesem Mimimalsystem kann neben einer Video-Darstellung lediglich eine Überwachung der wichtigsten Fahrzeugdaten und deren Darstellung auf einem KFZ-internen Bildschirm 9 erfolgen, wie dies bereits von bestehenden Computersystemen bekannt ist. Gegenüber diesen bekannten Computersystemen hat das vorliegende Minimalsystem jedoch nach wie vor die Möglichkeit, nachträglich an wachsende Aufgaben und Anforderungen angepaßt zu werden. Als kostengünstigste Variante ist dieses Minimalsystem daher geeignet, die bestehenden Computersysteme abzulösen und als Grundversion auch in Fahrzeuge der unteren Klasse eingebaut zu werden.

Soll das Computersystem lediglich dazu verwendet werden, die Fahrzeuginsassen über Daten und Status der Fahrzeugsysteme zu informieren, so kann auf die Verwendung eines Grafik- Microcontrollers 5 und einer Video-Eingabe-Einheit 8 verzichtet werden. Ebenso reicht es, den Kommunikations­ prozessor 1 mit nur 8-Bit Datenbreite auszustatten. Ein derartiges System ist in der Fig. 5 dargestellt.

Eine nachträgliche Aufrüstung bis zur Maximalausstattung, wie in Fig. 2 angegeben, ist jederzeit möglich.

Weiterhin ist zu erwähnen, daß es auch denkbar ist, im Sinne einer höheren Integrationsdichte des gesamten Computersystems, einzelne Baugruppe hardwaremäßig zusammenzufassen und damit das Computersystem wesentlich zu vereinfachen. Hierbei ist lediglich zu beachten, daß je nach Realisierung dieser höheren Integrationsdichte, unter Umständen die weitere Ausbaufähigkeit verlorengeht.

Claims (10)

1. Computersystem für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß das Computersystem neben weiteren Baugruppen (3, 4, 5) in wenigstens 2 voneinander unabhängige Prozessor- Baugruppen (1, 2) unterteilt ist, die jeweils Microprozessoren aufweisen.

2. Computersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Prozessor-Baugruppe (1) zur Echtzeitüberwachung sicherheits- und komfortrelevanter Fahrzeugdaten und zur Kommunikation mit der Fahrzeugumgebung und die zweite Prozessor-Baugruppe (2) für Multimedia-Aufgaben eingesetzt ist.

3. Computersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig auf den verschiedenen Prozessor-Baugruppen (1, 2) verschiedene Betriebssysteme einsetzbar sind.

4. Computersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Prozessor-Baugruppe (1, 2) über einen eigenen Speicherbereich (10) verfügt.

5. Computersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für Grafik-Anwendungen eine grafische Ein-/Ausgabe-Baugruppe (3) vorgesehen ist.

6. Computersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Grafikaufbereitung ein Grafik- Microcontroller (5) vorgesehen ist.

7. Computersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grafik-Microcontroller (5) hardware-unterstützt arbeitet.

8. Computersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommunikation der einzelnen Baugruppen (1, . . ., 5) untereinander und mit der Außenwelt über Schnittstellen (6, 7), insbesondere über serielle Schnittstellen erfolgt.

9. Computersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Baugruppen (1, . . ., 5) auf einen gemeinsamen Speicher (4), insbesondere einen Grafikspeicher Zugriff haben.

10. Computersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbaustufe einer jeden Baugruppe (1, . . ., 5) frei wählbar ist.