EP4519768A1 - DATENVERARBEITUNGSSYSTEM ZUR EFFIZIENTEN KOMMUNIKATION GROßER DATENMENGEN - Google Patents

Abstract

Datenverarbeitungssystem (1) zur Verarbeitung von Daten (2) aufweisend eine Datenverarbeitungsanlage (3) mit mindestens einem Prozessor (4) und mindestens einem Hauptspeicher (5), wobei auf der Datenverarbeitungsanlage (3) mindestens ein Betriebssystem (6) und eine Mehrzahl von Datenverarbeitungsmodulen (7) zur Erledigung von Datenverarbeitungsaufgaben betrieben werden, wobei das Betriebssystem (6) dazu eingerichtet ist, die Datenverarbeitungsmodule (7) zu verwalten und jeweils eine Schnittstelle (8) bereit zu stellen, über welche eine Kommunikation der Datenverarbeitungsmodule (7) über das Betriebssystem (6) ermöglicht ist, wobei die Datenverarbeitungsanlage (3) weiter auf dem Hauptspeicher (5) einen Austauschspeicher (9) bereitstellt, auf welchem ein direkter Zugriff von mindestens zwei der Datenverarbeitungsmodule (7) ermöglicht ist, so dass diese Datenverarbeitungsmodule (7) miteinander ohne Mitwirkung des Betriebssystems (6) kommunizieren können, wobei der Austauschspeicher (9) für jedes dieser Datenverarbeitungsmodule (7) mindestens eine Exklusivzone (10) bereitstellt, in welcher das jeweilige Datenverarbeitungsmodul (7) exklusive Schreibrechte hat, um Nachrichten an andere der Datenverarbeitungsmodule (7) kommunizieren zu können, ohne das eine Kollision von Schreibzugriffen auftreten kann.

Description

Beschreibung

Titel

Datenverarbeitungssystem zur effizienten Kommunikation großer Datenmengen.

Stand der Technik

Die hier beschriebene Erfindung betrifft ein Datenverarbeitungssystem zur effizienten Verarbeitung großer Datenmengen. Das Datenverarbeitungssystem ist insbesondere ein Datenverarbeitungssystem für die Verarbeitung von Daten in einem Kraftfahrzeug, wobei diese Datenverarbeitung insbesondere für Funktionen des hochautomatisierten und ggf. sogar autonomen Fahrens verwendet wird.

Bei der Datenverarbeitung für das hochautomatisierte oder autonome Fahren ist regelmäßig eine Besonderheit, dass extrem große Mengen von Daten verarbeitet werden müssen, die beispielsweise von Umfeldsensoren, wie Kameras, produziert werden. Kameras als Umfeldsensoren sind eine typische Quelle für sehr große Datenströme, die für Funktionen des hochautomatisierten Fahrens verwendet werden können.

Die Verarbeitung von solchen Datenströmen findet üblicherweise durch eine Kaskade von Filtern statt. Rein von der Datenhaltung her betrachtet wird die Menge der Daten ausgehend von der Datenquelle (bspw. einer Kamera) von Filter zu Filter immer weiter reduziert, bis am Ende bspw. für die hochautomatisierte Fahrfunktion erhebliche Informationen aus den Daten synthetisiert sind. Ein Beispiel könnte eine Funktion zur Verkehrszeichenerkennung sein, die basierend auf Kameradaten, die im Sichtbereich des Fahrzeugs befindliche und beim Fährbetrieb zu berücksichtigenden Verkehrszeichen erkennt. Ein Filter kann beispielsweise Farbwerte in den Kamerabildern erkennen. Ein weiterer Filter findet Kanten. Weitere Filter führen eine Erkennung von Objekten in den Kamerabildern durch und noch weitere Filter gleichen Objekte bspw. in Datenbanken von bekannten Verkehrszeichen ab.

Derartige Filter sind regelmäßig als eigenstände Programme implementiert, die bspw. auch als Datenverarbeitungsmodule bezeichnet werden können und die auf einer von einem Betriebssystem verwalteten Hardware "nebeneinander" betrieben werden.

Üblicherweise findet die Ansteuerung der einzelnen Datenverarbeitungsmodule über Schnittstellen der Programme zum Betriebssystem statt. Über solche Schnittstellen werden von den Datenverarbeitungsmodulen etc. regelmäßig auch Überwachungsparameter kommuniziert. Für die Übertragung der zu verarbeitenden Daten von Datenverarbeitungsmodul zu Datenverarbeitungsmodul haben jedoch solche Schnittstellen zum Betriebssystem häufig keine ausreichende Performance. Dies gilt insbesondere bei großen Datenmengen, die Ausgangsdaten eines Datenverarbeitungsmoduls darstellen, zur Weiterverarbeitung an ein anderes Datenverarbeitungsmodul bereitstellen und von diesem anderen Datenverarbeitungsmodul als Eingangsdaten weiter verarbeitet werden.

Die reduzierte Performance solcher Schnittstellen zum Betriebssystem ist regelmäßig zumindest teilweise dadurch begründet, dass durch das Betriebssystem eine Abstraktionsebene zwischen der zu Grunde liegenden Hardware und den Datenverarbeitungsmodulen gebildet wird, welche Performanceeinbußen erzeugt. Dies kann beispielsweise dadurch begründet werden, dass Daten bei der Übertragung über solche Schnittstellen kopiert werden. Darüber hinaus können sich in solchen Schnittstellen durch Updates (insbesondere durch Updates des Betriebssystems) auch Veränderungen ergeben, die die Performance unerwartet beeinträchtigen. Dies ist insbesondere dann nicht hinnehmbar, wenn die Performance der Datenübertragung von Datenverarbeitungsmodul zu Datenverarbeitungsmodul für die Funktionsweise des Datenverarbeitungssystems insgesamt ein kritischer Parameter ist.

Zur Verbesserung der Performance ist es vor diesem Hintergrund möglich, mehreren Datenverarbeitungsmodulen vom Betriebssystem einen gemeinsamen Speicherbereich zuweisen zu lassen, auf welchem die Datenverarbeitungsmodule miteinander direkt (das heißt unter Umgehung des Betriebssystems) kommunizieren und Daten austauschen können. Ein solcher Austauschspeicher wird bevorzugt vom Betriebssystem bereitgestellt und es findet durch das Betriebssystem gegebenenfalls keine oder nur eine eingeschränkte Überwachung/Kontrolle statt, welche Datenverarbeitungsmodule auf diesen Speicher zugreifen.

Durch einen solchen Austauschspeicher wird das Prinzip der Isolation einzelner Programme (Datenverarbeitungsmodule) voneinander durchbrochen. Dieses Prinzip ist beim Betrieb von Programmen auf einem Betriebssystem üblicherweise umgesetzt und dient der Sicherheit, - insbesondere, wenn Inkompatibilitäten der einzelnen Programme (Datenverarbeitungsmodule) auftreten können. In den hier behandelten Anwendungsfällen des hochautomatisieren Fährbetriebs von Kraftfahrzeugen ist dieses Prinzip teilweise etwas weniger relevant als bspw. in Desktop-PCs, denn die einzelnen Datenverarbeitungsmodule sind bevorzugt zumindest teilweise unmittelbar und ausschließlich für die direkte Zusammenarbeit im Gesamtsystem konzipiert und getestet. Die Notwendigkeit eines Schutzes der Programme voreinander, wie sie bspw. bei einem Desktop-PC, auf welchem Software von ganz unterschiedlichen Herstellern ausgeführt wird, notwendig ist, ist hier regelmäßig nicht in gleichem Maße erforderlich, wobei die Anforderungen an die Isolation von Prozessen für den hochautomatisierten Fährbetrieb sich zukünftig mehr an die Anforderungen bei anderen Datenverarbeitungsanlagen, wie bspw. Desktop-PCs, annähern werden.

Sobald die eingesetzte Software anspruchsvoller wird, rücken Prinzipien der Isolation einzelner Programme (Datenverarbeitungsmodule) allerdings wieder mehr in den Fokus. Je mehr verschiedene Funktionen in einem Fahrzeug realisiert werden, umso eher wird es erforderlich, dass Datenverarbeitungsressourcen von diesen verschiedenen Funktionen parallel genutzt werden. Insbesondere, wenn auf einem Speicher auch ASIL-Daten [ASIL = Automotive Safety and Security] verarbeitet bzw. erzeugt werden, wird es regelmäßig erforderlich, Speicherschutzmechanismen anzuwenden, um ein Überschreiben der ASIL-Daten zu verhindern.

Grundsätzlich kann angenommen werden, dass je größer die Domänencontroller werden (d.h. je mehr unterschiedliche Funktionen realisiert werden), desto größer wird der Bedarf an gegenseitigem Schutz. Eine aufgetretene Verletzung von vorgesehenen Mechanismen der Isolation einzelner Programme zueinander, erzeugt üblicherweise einen unklaren Speicherzustand, der meistens durch einen kompletten Neustart des jeweiligen Systems mit allen unterschiedlichen darauf realisierten Programmen/Funktionen einher geht. Während eines Neustarts ist keine der von dem im Neustart befindlichen Kontroller bereitgestellten Funktionen verfügbar. Je größer der jeweilige Kontroller ist (je mehr Funktionen dieser bereitstellt), desto länger dauert der Neustart, desto mehr Funktionen fallen während des Neustarts aus und desto wichtiger wird es, die ggf. auftretende Notwendigkeit eines Neustarts zu vermeiden, weil ein Restart dann sehr teuer/langsam wird (man bootet einen ausgewachsenen Rechner, nicht nur einen kleinen Controller) und während der Zeit keine einzige der dort laufenden Funktionen verfügbar wäre.

Trotzdem ist ein Schutz vor Kollisionen beim Zugriff auf einen Austauschspeicher hilfreich - bspw. beim Lesezugriff und beim Schreibzugriff. Dieser Schutz kann beispielsweise durch eine Selbstverwaltung der einzelnen Datenverarbeitungsmodule beim Zugriff auf den Austauschspeicher realisiert werden. Die Datenverarbeitungsmodule müssen dafür Informationen über Lese- und Schreibzugriffe anderer Datenverarbeitungsmodule erhalten und anhand dieser Informationen beim Zugriff auf andere Datenverarbeitungsmodule Rücksicht nehmen.

Insgesamt besteht hier noch Verbesserungspotential und es soll mit dem hier beschriebenen Datenverarbeitungssystem eine neuartige Struktur für solche Datenverarbeitungssysteme vorgeschlagen werden.

Offenbarung der Erfindung

Hier beschrieben wird ein Datenverarbeitungssystem zur Verarbeitung von Daten aufweisend eine Datenverarbeitungsanlage mit mindestens einem Prozessor und mindestens einem Hauptspeicher, wobei auf der Datenverarbeitungsanlage mindestens ein Betriebssystem und eine Mehrzahl von Datenverarbeitungsmodulen zur Erledigung von Datenverarbeitungsaufgaben betrieben werden, wobei das Betriebssystem dazu eingerichtet ist, die Datenverarbeitungsmodule zu verwalten und jeweils eine Betriebssystemschnittstelle bereit zu stellen, über welche eine Kommunikation der Datenverarbeitungsmodule über das Betriebssystem ermöglicht ist, wobei die Datenverarbeitungsanlage weiter auf dem Hauptspeicher einen Austauschspeicher bereitstellt, auf welchem ein direkter Zugriff von mindestens zwei der Datenverarbeitungsmodule ermöglicht ist, so dass diese Datenverarbeitungsmodule miteinander ohne Mitwirkung des Betriebssystems kommunizieren können, wobei der Austauschspeicher für jedes dieser Datenverarbeitungsmodule mindestens eine Exklusivzone bereitstellt, in welcher das jeweilige Datenverarbeitungsmodul exklusive Schreibrechte hat, um Nachrichten an andere Datenverarbeitungsmodule kommunizieren zu können, ohne das eine Kollision von Schreibzugriffen auftreten kann.

Die Datenverarbeitungsanlage ist die Hardware, auf der das beschriebene Datenverarbeitungssystem betrieben wird. Bevorzugt weist diese Hardware eine Mehrzahl von einzelnen Prozessorkernen auf und ggf. besteht auch der Hauptspeicher einer solchen Datenverarbeitungsanlage aus einer Mehrzahl von Einzelspeichern. Die Gesamtheit aller Elemente, wie Prozessoren, Hauptspeicher etc. wird hier auch als "Systemressourcen" bezeichnet. Die einzelnen Prozessoren und Prozessorkerne können für unterschiedliche Aufgaben optimiert sein. Gleiches gilt für den Hauptspeicher, der keine monolithische Struktur aufweisen muss, sondern unterschiedliche Speicherarten für unterschiedliche Aufgaben aufweisen kann. Gegebenenfalls können einzelne Prozessoren oder Prozessorkerne und/oder Speicher oder Speicherbereiche auch für bestimmte Datenverarbeitungsaufgaben und/oder für den Betrieb bestimmter Datenverarbeitungsmodule reserviert sein. Gegebenenfalls können Systemressourcen auch für im Hintergrund laufende Prüffunktionen verwendet werden.

Das Betriebssystem ist bevorzugt für die Verwaltung und Zuordnung der einzelnen Systemressourcen zu den Datenverarbeitungsmodulen zuständig. Das Betriebssystem ist bevorzugt für die Art der Datenverarbeitung, die mit dem beschriebenen Datenverarbeitungssystem durchgeführt wird, speziell eingerichtet. Bevorzugt bilden das Betriebssystem und die einzelnen Datenverarbeitungsmodule zusammen eine Datenverarbeitungsstruktur, die die Erfüllung der jeweiligen Datenverarbeitungsaufgabe mit der Datenverarbeitungsanlage ermöglicht. Die Installation anderer als der für die Erfüllung der Datenverarbeitungsaufgaben erforderlichen Datenverarbeitungsmodule ist bevorzugt nicht vorgesehen. Vielmehr ist die Datenverarbeitungsstruktur insgesamt ein in sich abgeschlossenes System. Aus diesem Grund kann auch die Bereitstellung des Austauschspeichers unter Verletzung des Isolationsprinzips erfolgen, ohne dass übergeordnete Interessen der Systemsicherheit hierdurch kompromittiert werden.

Das Datenverarbeitungssystem ist grundsätzlich für die Verarbeitung von verschiedensten Arten von Daten geeignet, wobei ein Fokus auf der oben schon angesprochenen Verarbeitung großer Datenmengen mit einer Kaskade von datenverarbeitenden Modulen (Filtern) liegt.

Die Betriebssystemschnittstellen werden für einen Zugriff auf die einzelnen Datenverarbeitungsmodule während des Betriebs des Gesamtsystems verwendet. Der Zugriff auf die Datenverarbeitungsmodule über die Betriebssystemschnittstellen kann beispielsweise als Zugang "von vorne" oder als "offizieller" Zugang zu den Datenverarbeitungsmodulen verstanden werden.

Der Austauspeicher bildet eine Art Hintergrundkanal zur schnellen Kommunikation der Datenverarbeitungsmodule untereinander. Dieser Hintergrundkanal ist bevorzugt nicht für den Zugriff von außen (vom Betriebssystem aus) auf die von den Datenverarbeitungsmodulen bereitgestellten Daten/Informationen vorgesehen, sondern hier findet mit einer besonders guten Performance im Hintergrund ein Austausch der Daten statt (ein Ablegen von Ausgangsdaten von Datenverarbeitungsmodulen sowie das Einlesen dieser Daten als Eingangsdaten durch andere Datenverarbeitungsmodule).

Die Besonderheit des hier beschriebenen Datenverarbeitungssystems ist, dass in dem Austauschspeicher jeweils Exklusivzonen für einzelne Datenverarbeitungsmodule bereitgestellt werden, in denen die jeweiligen Datenverarbeitungsmodule exklusiven Schreibzugriff haben. Diese Exklusivzonen werden bevorzugt vom Betriebssystem bereitgestellt (zugeordnet) und besonders bevorzugt überwacht das Betriebssystem auch, dass keine unberechtigten Schreibzugriffe von anderen Datenverarbeitungsmodulen auf diese Exklusivzonen erfolgen. Gegebenenfalls werden solche unberechtigten Schreibzugriffe nur festgestellt und es wird eine Fehlerbehandlung angestoßen, wenn ein solcher unberechtigter Schreibzugriff erfolgt. Eine solche Fehlerbehandlung kann als Reaktion beispielsweise einen Neustart des Datenverarbeitungssystems beinhalten. In anderen Fällen kann auch eine aktive Verhinderung solcher unberechtigter Schreibzugriffe erfolgen. Dies gilt insbesondere, wenn das Datenverarbeitungssystem eine hohe ASIL-Einstufung hat. Dann ist es regelmäßig erforderlich, dass unberechtigte Schreibzugriffe vollständig vermieden werden und Neustarts gar nicht erst notwendig werden.

Die Exklusivzonen können bevorzugt von anderen Datenverarbeitungsmodulen, die Zugriff auf den Austauschspeicher haben (besonders bevorzugt von allen Datenverarbeitungsmodulen, die Zugriff auf den Austauschspeicher haben), gelesen werden. Es bestehen also für diese Datenverarbeitungsmodule Leserechte für die Exklusivzonen. Die Exklusivzonen ermöglichen es Datenverarbeitungsmodulen, sicher Informationen an andere Datenverarbeitungsmodule zu übermitteln, die nicht kompromittiert werden können. Die Exklusivzonen werden dazu von den anderen Datenverarbeitungsmodulen, die Informationen von dem jeweiligen Datenverarbeitungsmodul weiterverarbeiten sollen, überwacht. Dies kann zeitgesteuert (bspw. regelmäßig) und/oder eventgesteuert (in Folge einer bestimmten Nachricht oder eines bestimmten Events) erfolgen.

Durch das Einrichten der beschriebenen Exklusivzonen können einerseits die positiven Effekte einer hohen Performance des beschriebenen Austauschspeichers voll genutzt werden. Andererseits kann das Vermeiden von Datenkollisionen in dem Austauschspeicher effizient gestaltet werden.

Besonders bevorzugt ist, wenn der Austauschspeicher einen Verarbeitungsdatenbereich zur Bereitstellung von Ausgabedaten und einen Steuerdatenbereich zur Bereitstellung von Steuerdaten aufweist, wobei die Exklusivzonen jeweils Teile des Steuerdatenbereichs umfassen.

In bevorzugten Ausführungsvarianten können Exklusivzonen auch Teile des Verarbeitungsdatenbereichs umfassen. Es können im Verarbeitungsdatenbereich auch zusätzliche Exklusivzonen vorgesehen sein. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, um Verarbeitungsdaten vor fehlerhaften Leseprozessen zu schützen.

In dem Verarbeitungsdatenbereich werden bevorzugt die Daten selbst abgelegt, die mit dem beschriebenen Datenverarbeitungssystem verarbeitet werden. Hierzu zählen beispielsweise Bilddaten von Kameras, Daten betreffend in solchen Bilddaten aufgefundener Kanten etc. In dem Steuerdatenbereich werden Daten abgelegt, die der Kommunikation der Datenverarbeitungsmodule untereinander dienen, beispielsweise Flags, Trigger, Statusmeldungen und so weiter. Bevorzugt ist der Verarbeitungsdatenbereich größer (das heißt für die Ablage einer erheblich größeren Datenmenge eingerichtet) als der Steuerdatenbereich. In Ausführungsvarianten können der Verarbeitungsdatenbereich und der Steuerdatenbereich auch auf unterschiedlicher Hardware (auf unterschiedlichen Hardware- Speicherelementen) bereitgestellt werden.

Besonders bevorzugt ist, wenn mindestens ein Datenverarbeitungsmodul dazu eingerichtet ist, in dem Austauschspeicher Ausgabedaten bereitzustellen, die von einer Mehrzahl von weiteren Datenverarbeitungsmodulen als Eingangsdaten aus dem Austauschspeicher entnommen werden

Besonders bevorzugt findet also in dem Datenverarbeitungssystem mindestens an einer Stelle eine l:n-Kommunikation von einem Datenverarbeitungsmodul zu einer Mehrzahl von anderen Datenverarbeitungsmodulen statt. Eine solche l:n- Kommunikation ist eine wesentliche Stärke der Verwendung des Austauschspeichers für die Kommunikation von Datenverarbeitungsmodulen untereinander.

Besonders bevorzugt ist, wenn Ausgabedaten von der Mehrzahl von weiteren Datenverarbeitungsmodulen als Eingangsdaten unmittelbar aus dem Verarbeitungsdatenbereich heraus weiterverarbeitet werden und bevorzugt keine Kopie der Ausgabedaten erstellt wird.

Die Ausgabedaten werden also unmittelbar dort, wo sie hardwaremäßig abgelegt wurden, als Eingangsdaten eingelesen. Insbesondere findet kein Kopieren von Ausgangsdaten zu Eingangsdaten statt. Solche Kopiervorgänge sind regelmäßig Teil einer Kommunikation, die über Betriebssystemschnittstellen stattfindet und solche Kommunikation bindet üblicherweise viele Ressourcen wie Bandbreite und Prozessorkern-Auslastung.

Besonders bevorzugt ist, wenn mindestens ein Datenverarbeitungsmodul dazu eingerichtet ist, in dem Verarbeitungsdatenbereich Ausgabedaten und in dem Steuerdatenbereich als Steuerdaten Zeiger auf die Ausgabedaten bereitzustellen, die von weiteren Datenverarbeitungsmodulen verwendet werden können, um auf die Ausgabedaten zuzugreifen.

Bevorzugt werden über den Steuerdatenbereich also Zugriffspunkte auf die in dem Verarbeitungsdatenbereich abgelegten Daten bereitgestellt, welche als Zeiger realisiert sind. Der Begriff "Zeiger" wird hier als Oberbegriff für verwendet. Ein Zeiger beinhaltet insbesondere eine Adresse, an der auf bestimmte Daten zugegriffen werden kann. Zeiger können insbesondere auch mehrstufig sein und so einen effizienten Zugriff auf größere Datenstrukturen in dem Verarbeitungsdatenbereich ermöglichen. Es können auch komplexere Indizes (indizierte Zugriffe) unter dem Begriff "Zeiger" verstanden werden. Zeiger können auch relativ definiert sein und bspw. Abstände von Daten zueinander an einem Ablageort definieren.

Besonders bevorzugt ist, wenn Zeiger auf die Ausgabedaten von einem Datenverarbeitungsmodul in einer ihm zugeordneten Exklusivzone bereitgestellt werden.

Derartige Zeiger können also durch Schreibzugriffe anderer Datenverarbeitungsmodule bevorzugt nicht kompromittiert werden.

Besonders bevorzugt ist, wenn Datenverarbeitungsmodule dazu eingerichtet sind, in der jeweils zugeordneten Exklusivzone Statusnachrichten zu hinterlegen.

Besonders bevorzugt ist, wenn Datenverarbeitungsmodule, die zum Empfang von Ausgabedaten anderer Datenverarbeitungsmodule eingerichtet sind, darüber hinaus dazu eingerichtet sind in der ihnen jeweils zugeordneten Exklusivzone eine Statusnachricht abzugeben, die einen Empfang der Ausgabedaten quittiert, wenn der Empfang von Ausgabedaten abgeschlossen ist.

Statusnachrichten können beispielsweise dazu dienen, mitzuteilen, dass einzelne Datenverarbeitungsaufgaben von bestimmten Datenverarbeitungsmodulen (beispielsweise das Einlesen bestimmter Daten) abgeschlossen sind. Dadurch, dass Statusnachrichten in Exklusivzonen bereitgestellt werden, kann sichergestellt werden, dass solche Statusnachrichten von anderen Datenverarbeitungsmodulen auch empfangen werden können. Besonders bevorzugt ist, wenn der Austauschspeicher mit den Exklusivzonen auf der Datenverarbeitungsanlage von dem Betriebssystem bereitgestellt wird.

Durch die Bereitstellung der Exklusivzonen durch das Betriebssystem kann eine hohe Sicherheit gegen die Kompromittierung von Daten gewährleistet werden, die über den Austauschspeicher ausgetauscht werden

Besonders bevorzugt ist, wenn mindestens ein Datenverarbeitungsmodul zur Überwachung von Exklusivzonen anderer Datenverarbeitungsmodule eingerichtet ist, um Statusnachrichten der anderen Datenverarbeitungsmodule zu empfangen.

Besonders bevorzugt ist, wenn ein Datenverarbeitungssystem eingerichtet ist zur Durchführung von Datenverarbeitungsaufgaben für einen Betrieb eines Kraftfahrzeuges.

Beschriebene Datenverarbeitungssysteme können aber auch für ganz andere Aufgaben verwendet werden, beispielsweise zur Kontrolle und Überwachung von Fertigungsprozessen.

Außerdem bevorzugt ist, wenn das Datenverarbeitungssystem eingerichtet ist zur Durchführung von Datenverarbeitungsaufgaben zur Verarbeitung von Umfelddaten eines Kraftfahrzeuges.

Das Datenverarbeitungssystem ist insbesondere geeignet, um Datenverarbeitungsaufgaben für einen hochautomatisierten ggf. autonomen Fährbetrieb eines Kraftfahrzeugs durchzuführen.

Das beschriebene Datenverarbeitungssystem sowie das technische Umfeld der wird nachfolgend anhand der Figur noch näher erläutert. Die Figur zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 1 zeigt ein beschriebenes Datenverarbeitungssystem 1 in einer schematischen Darstellung, in der verschiedene Aspekte der Verarbeitung von Daten 2 mit einem derartigen Datenverarbeitungssystem 1 dargestellt sind. Die Datenverarbeitung von Daten 2 mit dem Datenverarbeitungssystem 1 erfolgt bevorzugt durch eine nacheinander folgende Verarbeitung der Daten 2 in einer Mehrzahl von Datenverarbeitungsmodulen 7. Bei den Daten 2 handelt es sich beispielsweise um Umfelddaten 22, die bspw. in einem Umfeld eines Kraftfahrzeuges 18 mit Umfeldsensoren 21 akquiriert wurden und die mit dem Datenverarbeitungssystem 1 verarbeitet werden, um Systemausgabedaten 23 zu erzeugen, die in dem Kraftfahrzeug 18 verwendet werden, bspw. um einen autonomen Fährbetrieb des Kraftfahrzeuges 18 zu gewährleisten. Bevorzugt erfüllt jedes Datenverarbeitungsmodul 7 Teilaufgaben einer Datenverarbeitung, um basierend auf den zur Verfügung gestellten Daten (bspw. den Umfelddaten 22) die gewünschten Systemausgabedaten 23 zu erzeugen. Wenn die Umfelddaten 22 bspw. Kameradaten einer Kamera sind und das Datenverarbeitungssystem 1 beispielsweise eine Verkehrszeichenerkennung gewährleisten soll, dann sind die Systemausgabedaten 23 bspw. Daten 2 über die erkannten Verkehrszeichen. Dann führen bestimmte Datenverarbeitungsmodule 7 beispielsweise eine Merkmalsregistrierung in den Kameradaten aus. Andere Datenverarbeitungsmodule 7 gleichen aufbereitete Kameradaten mit verfügbaren Kartendaten und/oder einer Datenbank mit hinterlegten Informationen über Verkehrszeichen ab. Die genannten Datenverarbeitungsaufgaben sind als Beispiele angegeben. Praktisch sind meist viele weitere Datenverarbeitungsaufgaben erforderlich, um letztlich die gewünschten Systemausgabedaten 23 zu erzeugen. Bevorzugt werden die einzelnen Datenverarbeitungsaufgaben jeweils von einem Datenverarbeitungsmodul 7 ausgeführt und besonders bevorzugt erfolgte eine permanente Verarbeitung immer neuer verfügbarer Eingangsdaten (in diesem Falle Kameradaten) um permanent Systemausgangsdaten 23 bereitzustellen, so dass die gewünschten Informationen (bspw. die Informationen betreffend mit den Kameras erfasster Verkehrszeichen) permanent und mit hoher Aktualität zur Verfügung stehen. Jedes Datenverarbeitungsmodul 7 führt die Datenverarbeitungsaufgabe, für des es eingerichtet ist, also bevorzugt immer wieder aus und erzeugt dabei jeweils neue Ausgabedaten 12, die dann von anderen Datenverarbeitungsmodulen 7, die nachfolgende Datenverarbeitungsaufgaben ausführen, als Eingangsdaten 15 verarbeitet werden.

Das Datenverarbeitungssystem 1 wird auf einer Datenverarbeitungsanlage 3 betrieben, welche mindestens einen Prozessor 4 und mindestens einen Hauptspeicher 5 aufweist. Die Datenverarbeitungsanlage 3 ist hier als Verbindung zwischen Prozessor 4 und Hauptspeicher 5 schematisch dargestellt, weil in der hier gewählten Darstellung Komponenten auf funktionaler Systemebene (das Datenverarbeitungssystem 1) und Hardwarekomponenten (die Datenverarbeitungsanlage 3 mit dem Prozessor 4 und dem Hauptspeicher 5) gemeinsam dargestellt werden. Der mindestens eine Prozessor 4 stellt Rechenkapazität zur Verfügung, die für verschiedenste Prozesse genutzt werden kann und in dem mindestens einen Hauptspeicher 5 können den Prozessen zu Grunde liegende Variablen, Systemzustände, und Programmbestandteile gespeichert werden. Die Darstellung der Datenverarbeitungsanlage 3 ist hier stark vereinfacht und schematisch. Das beschriebene Datenverarbeitungssystem 1 umfasst bevorzugt insbesondere eine Mehrzahl von Prozessoren 4 und es können mit dem beschriebenen Datenverarbeitungssystem 1 umfangreiche Datenverarbeitungsaufgaben zur Verarbeitung großer Datenmengen bevorzugt parallel durchgeführt werden. Es können auch mehrere Hauptspeicher s bzw. mehrere Hautspeichermodule vorgesehen sein.

Auf der Datenverarbeitungsanlage 3 wird ein Betriebssystem 6 betrieben, welches die Systemressourcen der Datenverarbeitungsanlage 3 (insbesondere die Rechenleistung des mindestens einen Prozessors 4 und den Hauptspeicher 5) verwaltet und dem auf der Datenverarbeitungsanlage 3 betriebenen Prozessor 4 zur Verfügung stellt.

Die Datenverarbeitungsaufgaben zur Verarbeitung von Daten 2 werden von Datenverarbeitungsmodulen 7 durchgeführt. Der Betrieb der Datenverarbeitungsmodule 7 wird von dem Betriebssystem 6 gesteuert. Jedes Datenverarbeitungsmodul 7 hat eine Schnittstelle 8 zum Betriebssystem 6. Über die Schnittstelle 8 kann das Datenverarbeitungsmodul 7 gestartet, gesteuert und ggf. auch beendet werden. Ein Austausch von Informationen zwischen einzelnen Datenverarbeitungsmodulen 7 findet üblicherweise über das Betriebssystem 6 statt. Wenn ein Datenverarbeitungsmodul 7 eine Datenverarbeitungsaufgabe abgeschlossen hat, kann es so eingerichtet sein, dass es Ausgabedaten 12 über die Schnittstelle 8 und das Betriebssystem 6 anderen Datenverarbeitungsmodulen 7 zur Verfügung stellt.

Die Kommunikation zwischen Datenverarbeitungsmodulen 7 über Schnittstellen 8 zum Betriebssystem 6 bzw. über das Betriebssystem 6 ist regelmäßig relativ langsam. Insbesondere ist es bei der Kommunikation von Daten 2 über solche Schnittstellen 8 regelmäßig erforderlich, dass die Daten 2 im Hauptspeicher 5 kopiert werden. Im Hintergrund finden bei der Übertragung von Daten 2 über solche Schnittstellen 8 üblicherweise eine Mehrzahl von Hardwarezugriffen statt, die bei einem direkten lesenden und/oder schreibenden Zugriff auf einen Speicher nicht auftreten. Darüber hinaus werden die Vorgänge bei der Kommunikation über solche Schnittstellen 8 vom Betriebssystem 6 kontrolliert. Updates des Betriebssystems 6 können zu einer großen Veränderung der Leistung des Datenverarbeitungssystems 1 führen, wenn vom Betriebssystem 6 bereitgestellte Schnittstellen 8 für die Kommunikation von Daten 2 verwendet werden, insbesondere, wenn über diese Schnittstellen 8 große Datenmengen kommuniziert werden.

Um eine schnellere Kommunikation von Daten 2 zwischen Datenverarbeitungsmodulen 7 des Datenverarbeitungssystems 1 zu gewährleisten, wird in dem Hauptspeicher 5 ein Austauschspeicher 9 bereitgestellt, über welchen die einzelnen Datenverarbeitungsmodule 7 Daten 2 direkt austauschen können, wobei das Betriebssystem 6 und vom Betriebssystem 6 bereitgestellte Schnittstellen 8 umgangen werden. Die Darstellung von genau einem Austauschspeicher 9 ist hier stark vereinfacht. Tatsächlich kann der Austauschspeicher 9 komplex strukturiert sein und eine Vielzahl von Speicherbereichen und Zonen aufweisen. Auf diese Art ist ein effizienterer Austausch von Daten 2 möglich, der vor allem auch nicht beeinflusst wird, wenn Veränderungen am Betriebssystem 6, beispielsweise durch Updates, auftreten.

Der Austauschspeicher 9 wird den Datenverarbeitungsmodulen 7 bevorzugt vom Betriebssystem 6 zugewiesen.

Der Austauschspeicher 9 hat bevorzugt zwei Teilbereiche, nämlich einen Verarbeitungsdatenbereich 11 und einen Steuerdatenbereich 13. In dem Verarbeitungsdatenbereich 11 werden die eigentlichen, mit den Datenverarbeitungsmodulen 7 verarbeiteten, Daten 2 als Ausgabedaten 12 abgelegt und auch von weiteren Datenverarbeitungsmodulen 7 als Eingangsdaten 15 eingelesen. In dem Steuerdatenbereich 13 werden bevorzugt Steuerdaten 14 abgelegt, die zur Steuerung der Kommunikation der Datenverarbeitungsmodule 7 untereinander dienen. Hierzu zählen beispielsweise Statusnachrichten 17, mit denen Datenverarbeitungsmodule 7 anderen Datenverarbeitungsmodulen 7 Informationen mitteilen und die auch Steuerdaten 14 darstellen können. Über Statusnachrichten 17 kann beispielsweise mitgeteilt werden, dass neue Ausgabedaten 12 erzeugt wurden, die andere Datenverarbeitungsmodule 7 als Eingangsdaten 15 weiterverarbeiten können. Über Statusnachrichten 17 kann von Datenverarbeitungsmodulen 7 bspw. auch mitgeteilt werden, dass das Einlesen von Eingangsdaten 15 durch das jeweilige Datenverarbeitungsmodul 7 abgeschlossen ist. Bevorzugt werden als Steuerdaten 14 jeweils Zeiger 16 auf die in dem Verarbeitungsdatenbereich 11 abgelegten Daten 2 übermittelt. Die in dem Verarbeitungsdatenbereich 11 als Ausgabedaten 12 abgelegten Daten 2 werden zur Verwendung als Eingangsdaten 15 in anderen Datenverarbeitungsmodulen 7 bevorzugt nicht kopiert, sondern es erfolgt direkt ein Zugriff auf physikalisch die gleichen Daten 2. Kopiervorgänge von Ausgabedaten 12 zu Eingangsdaten 15 benötigen immer eine Kopierzeit, die durch diesen Ansatz eingespart werden kann.

Innerhalb des Austauschspeichers 9 sind bevorzugt jeweils Exklusivzonen 10 eingerichtet, die jeweils einem Datenverarbeitungsmodul 7 zugeordnet sind und auf welche das jeweils zugeordnete Datenverarbeitungsmodul 7 exklusiv Schreibzugriff 19 hat. Die Exklusivzonen 10 können in dem Steuerdatenbereich 13 des Austauschspeichers 9 angeordnet sein. Die Exklusivzonen 10 können sich aber auch über den Steuerdatenbereich 13 und den Verarbeitungsdatenbereich 11 erstrecken bzw. die Exklusivzonen 10 können jeweils in einen (eigenen) Steuerdatenbereich 13 und einen (eigenen) Verarbeitungsdatenbereich 11 unterteilt sein. Andere Datenverarbeitungsmodule 7 haben auf diese Exklusivzone 10 jeweils nur Lesezugriff 20. Bevorzugt überwachen Datenverarbeitungsmodule 7 jeweils Exklusivzonen 10 anderer Datenverarbeitungsmodule 7, mit denen sie zur Erledigung Ihrer Datenverarbeitungsaufgaben kommunizieren, um Steuerdaten 14 dieser Datenverarbeitungsmodule 7 zu empfangen. Eigene Steuerdaten 14, die Datenverarbeitungsmodule 7 anderen Datenverarbeitungsmodulen 7 mitteilen müssen, schreiben diese Datenverarbeitungsmodule 7 jeweils in die ihnen zugeordnete Exklusivzone 10.

Die Struktur des Verarbeitungsdatenbereichs 11, des Steuerdatenbereichs 13 und der Exklusivzonen 10 ist bevorzugt nicht vom Betriebssystem 6 vorgegeben, sondern von den Datenverarbeitungsmodulen 7 selbst verwaltet. Diese Struktur wird jedoch durch das Betriebssystem abgesichert, so dass keine unerwünschten Zugriffe auf Exklusivzonen 10 möglich sind. Durch das beschriebene Konzept mit den Exklusivzonen 10 innerhalb des nicht vom Betriebssystem 6 überwachten Austauschspeichers 9 kann eine sehr hohe Effizienz und Geschwindigkeit der Datenverarbeitung in einem System mit einer Vielzahl von aufeinander aufbauenden Datenverarbeitungsaufgaben realisiert werden, wobei durch die Exklusivzonen 10 auch eine hohe Sicherheit vor Datenkollisionen erreicht wird.

Bezugszeichenliste

Datenverarbeitungssystem

Daten

Datenverarbeitungsanlage

Prozessor

Hauptspeicher

Betriebssystem

Datenverarbeitungsmodul

Schnittstelle

Austauschspeicher

Exklusivzone

Verarbeitungsdatenbereich

Ausgabedaten

Steuerdatenbereich

Steuerdaten

Eingangsdaten

Indizierter Zugriff

Statusnachrichten

Kraftfahrzeug

Schreibzugriff

Lesezugriff

Umfeldsensor

Umfelddaten

Systemausgabedaten

Claims

Patentansprüche Datenverarbeitungssystem (1) zur Verarbeitung von Daten

(2) aufweisend eine Datenverarbeitungsanlage

(3) mit mindestens einem Prozessor

(4) und mindestens einem Hauptspeicher

(5), wobei auf der Datenverarbeitungsanlage (3) mindestens ein Betriebssystem (6) und eine Mehrzahl von Datenverarbeitungsmodulen (7) zur Erledigung von Datenverarbeitungsaufgaben betrieben werden, wobei das Betriebssystem

(6) dazu eingerichtet ist, die Datenverarbeitungsmodule

(7) zu verwalten und jeweils eine Schnittstelle

(8) bereit zu stellen, über welche eine Kommunikation der Datenverarbeitungsmodule (7) über das Betriebssystem (6) ermöglicht ist, wobei die Datenverarbeitungsanlage (3) weiter auf dem Hauptspeicher (5) einen Austauschspeicher (9) bereitstellt, auf welchem ein direkter Zugriff von mindestens zwei der Datenverarbeitungsmodule (7) ermöglicht ist, so dass diese Datenverarbeitungsmodule (7) miteinander ohne Mitwirkung des Betriebssystems (6) kommunizieren können, wobei der Austauschspeicher

(9) für jedes dieser Datenverarbeitungsmodule (7) mindestens eine Exklusivzone (10) bereitstellt, in welcher das jeweilige Datenverarbeitungsmodul (7) exklusive Schreibrechte hat, um Nachrichten an andere der Datenverarbeitungsmodule (7) kommunizieren zu können, ohne das eine Kollision von Schreibzugriffen auftreten kann. Datenverarbeitungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Austauschspeicher (9) einen Verarbeitungsdatenbereich (11) zur Bereitstellung von Ausgabedaten (12) und einen Steuerdatenbereich (13) zur Bereitstellung von Steuerdaten (14) aufweist, wobei die Exklusivzonen

(10) jeweils Teile des Steuerdatenbereichs (13) umfassen. Datenverarbeitungssystem (1) nach Anspruch 2, wobei mindestens ein Datenverarbeitungsmodul (7) dazu eingerichtet ist, in dem Austauschspeicher (9) Ausgabedaten (12) bereitzustellen, die von einer Mehrzahl von weiteren Datenverarbeitungsmodulen (7) als Eingangsdaten (15) aus dem Austauschspeicher (9) entnommen werden. Datenverarbeitungssystem (1) nach Anspruch 3, wobei Ausgabedaten (12) von der Mehrzahl von weiteren Datenverarbeitungsmodulen (7) als Eingangsdaten (15) unmittelbar aus dem Verarbeitungsdatenbereich (11) heraus weiterverarbeitet werden und bevorzugt keine Kopie der Ausgabedaten (12) erstellt wird. Datenverarbeitungssystem (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei mindestens ein Datenverarbeitungsmodul (7) dazu eingerichtet ist, in dem Verarbeitungsdatenbereich (11) Ausgabedaten (12) und in dem Steuerdatenbereich (13) als Steuerdaten (14) Zeiger (16) auf die Ausgabedaten (12) bereitzustellen, die von weiteren Datenverarbeitungsmodulen (7) verwendet werden können, um auf die Ausgabedaten (12) zuzugreifen. Datenverarbeitungssystem (1) nach Anspruch 5, wobei Zeiger (16) auf die Ausgabedaten (12) von einem Datenverarbeitungsmodul (7) in einer ihm zugeordneten Exklusivzone (10) bereitgestellt werden. Datenverarbeitungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Datenverarbeitungsmodule (7) dazu eingerichtet sind in der jeweils zugeordneten Exklusivzone (10) Statusnachrichten (17) zu hinterlegen. Datenverarbeitungssystem (1) nach Anspruch 7, wobei Datenverarbeitungsmodule (7), die zum Empfang von Ausgabedaten (12) anderer Datenverarbeitungsmodule (7) eingerichtet sind, darüber hinaus dazu eingerichtet sind, in der ihnen jeweils zugeordneten Exklusivzone (10) eine Statusnachricht (17) abzugeben, die einen Empfang der Ausgabedaten (12) quittiert, wenn der Empfang von Ausgabedaten (12) abgeschlossen ist. Datenverarbeitungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Austauschspeicher (9) mit den Exklusivzonen (10) auf der Datenverarbeitungsanlage (3) von dem Betriebssystem (6) bereitgestellt wird. Datenverarbeitungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Datenverarbeitungsmodul (7) zur Überwachung von Exklusivzonen (10) anderer Datenverarbeitungsmodule (7) eingerichtet ist, um Statusnachrichten (17) der anderen Datenverarbeitungsmodule (7) zu empfangen. Datenverarbeitungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eingerichtet zur Durchführung von Datenverarbeitungsaufgaben für einen Betrieb eines Kraftfahrzeuges (18). Datenverarbeitungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eingerichtet zur Durchführung von Datenverarbeitungsaufgaben zur Verarbeitung von Umfelddaten (22) eines Kraftfahrzeuges (18).