JP4594737B2 - 組込み型処理システム - Google Patents

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Description

本発明は、組込み型処理システムおよび電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)の分野に関し、特に道路上の乗り物に実現されたテレマティック(遠隔操作)・アプリケーション用の自律組込み型コンピューティング・ソリューションに関する。
本発明は、産業用制御ユニット、たとえば、工作機械制御、製造ライン制御ユニット、自動車用ECU、マルチメディア・ユニット、テレマティック・ユニット、家庭用電化製品電子制御ユニット、商業用および工業用診断機器ツールを含む様々な技術環境で、ならびに、セキュリティ関連システムおよび安全関連システムのために道路上、軌道上、空中、水上/水中の乗り物のための自律組込み型コンピューティング・ソリューションで適用することができる。
一般に組込み型処理システムおよびECUの分野では、様々な機能がコンピュータ支援方式で実行される。往々にして、これは、ある特定の機能を達成するために専用シングル・プロセッサ・ユニットまたはマルチプロセッサ・ユニットを適用することを意味する。これは、往々にして、単一アプリケーション機能を実行するために非常に特定にしかも小規模シリーズで生産される極めて専門化された高価なコンポーネントを適用することによって実施される。これは、複数の異なるアプリケーション機能について繰り返され、その結果、並んで機能し時には共通バス・システムを介して接続される高コストECUの巨大な集合体をもたらす。
同じことが、たとえば道路上の、乗り物に関する前述の組込み型コンピューティング・ソリューションにも当てはまる。これは本発明の特定の焦点であるので、それに対してより近い関係にある従来技術について述べる。
自動車用アプリケーションでは、コンポーネントの故障は、危険をまねく危機的状況をもたらす可能性があるので、コンポーネントの故障を回避するためセキュリティ要件は基本的に極めて高い。したがって、往々にして、共通バス・システム、たとえばCANバス、を共用する極めて高価で信頼性の高いコンポーネントおよびサブシステムが冗長に使用される。概して、従来技術の組込み型システムは以下のように略記することができる。すなわち、組込み型処理システムは複数の技術アプリケーションをカバーし、その動作機能はそれぞれの複数のアプリケーション固有の電子制御ユニット(ECU)によって実行され、それにより、ECUは、1つのマイクロコントローラあるいは1つまたは複数のプロセッサまたはその両方と、特定の入出力(I/O:Input/Output)サブシステムとを有する。
この状況は、図1に概略的に示されている。3つのECU A、B、Cが描かれており、そのうちの各ECUは特有のアプリケーション機能を実行する。ECU Aは、自動車を加熱および冷却することに専念するものと見なすことができ、ECU Bは、内蔵式携帯電話を制御することに専念するものと見なすことができ、ECU Cは、ウィンドウの開閉を制御することに専念するものと見なすことができる。お分かりのように、各ECUは、1つの専門化されたアプリケーション固有の入出力サブシステム3と、1つまたは複数のプロセッサあるいはマイクロコントローラ4とを有する。I/Oサブシステムは温度の制御、携帯電話の制御、およびウィンドウの開閉の制御のための特定のものであるので、A、B、およびCは互いに非常に明確に異なっている。
自動車部門では、このような組込み型システムがますます使用されている。多くの自動車では、それらの価格は自動車の総額の20〜30%の範囲にある。安全性、セキュリティ、または高級感をより高める改善策を自動車の購入者に提供するための一般的な制約のもとで、自動車メーカは、基本的に、ECUの一部の偶発的な故障が問題を引き起こすことを回避するために、より高い冗長性を組み込まなければならない。しかし、電子回路の冗長性が増すと、システム・レベルおよびサブシステム・レベルで重複させなければならない高価なシステムを使用しているので、結果的にコストが増加する。さらに、一般的なコスト増加問題は、自動車メーカが第1の供給業者から1つのECUを購入し、異なる供給業者から次のECUを購入するため、特定の供給業者ならびにその独自ソリューション、システム、サブシステム、およびコンポーネントに非常に依存的になるということである。
これに対する解決策の1つは、ECU供給業者に、その能力の範囲内でないアプリケーション用のECUを製作することも要求するような非現実的な手法ともなる。
したがって、本発明の一目的は、コストを増加させないが、多少減少させながら、セキュリティ、パフォーマンスのレベルが上昇した改良された組込み型処理システムを提供することにある。
本発明のこの目的は、独立請求項に示された特徴によって達成される。本発明の他の有利な配置および実施形態はそれぞれの従属請求項に示されている。特許請求の範囲を参照されたい。
その最も広い態様によれば、従来技術により知られている組込み型システムは大幅に修正される。本発明のシステムは、そのそれぞれがアプリケーション固有のI/Oサブシステムのうちの各々1つを有する、複数の抽出されたインターフェース―以下、インターフェース拡張機構コントローラ(ディジタルI/O生成および取込み、アナログI/O、バス・システム・コントローラ)と呼ぶ―と、1つの抽出されたインターフェース・チップに接続する1つの標準I/Oインターフェースのみを有する1つまたは複数の標準プロセッサ・ユニットとを有することによって特徴付けられる。
したがって、本発明は、システムのメイン・プロセッサまたはコントローラからアプリケーション固有のサポート機能およびそれぞれのI/Oサブシステムを除去または抽出し、前記抽出された回路を単一ASICチップまたはそれぞれの数のASICチップなどに含め、好ましくは監視汎用コントローラ・ユニット(12)を介してそれらを複数の標準かつ低価格プロセッサ(40)に接続することを提案するものであり、それらのプロセッサは、ASICおよびその複数の機能に対して十分な計算能力を供給するためのタスクを有する。それにより、複数の安価な標準プロセッサによって計算能力が提供されるために、著しく安価な組込み型システムが得られる。
さらに、システムは、マッピング手段と、プロセッサ・タイミング要件について考慮して、1つまたは複数の(低価格の標準)プロセッサ40を、選択された抽出インターフェース・チップに動的に切り替えるために、それに動作可能に結合された汎用コントローラ・ユニットと、をさらに有することができる。これは、動的切替えにより、プロセッサの柔軟性および効率の改善を可能にするものであり、これは、たとえば、プロセッサが故障期間を有する状況の際に有利である。
さらに、本発明の他の態様によれば、前述の手法は、基本構成レイアウト・データと前記複数の標準プロセッサ・ユニットについての静的インターフェース設定を指定する前記複数の標準プロセッサに接続するための標準インターフェース手段とを有する1次層と、「自律状態」交換ボード・マトリックス手段、緊急交換ボード・マトリックス手段、および前記複数のアプリケーション固有I/Oサブシステムに接続するポート・インターフェース手段を有する2次層と、を有する3層アーキテクチャで実現される。前述の基本概念に加えて、これは、組込み型システム全体の明確に構造化されたアーキテクチャを可能にするものであり、前記プロセッサの1つが故障を抱えている場合に信頼できる緊急処理も提供する。
追加の自律コントローラがモニター機能、たとえば、前記複数の標準処理ユニットの動作状況をモニターする個々にプログラム可能なウォッチドッグを実現し、前記モニター機能が前記汎用コントローラ・ユニット(12)およびマッピング手段に動作可能に結合される場合、モニター機能は(標準)プロセッサの残りの部分に依存しないので、システムの信頼性および安全性はさらに強化される。
さらに、特定の故障状況を処理するための命令、すなわち、複数のサブシステムおよびそれにマッピングされたプロセッサの、複数の異なるエラー状態の条件を収集する命令を保管するデータベースが提供される場合、どのプロセッサがどのアプリケーションを供給するかを表す所定の自由構成可能緊急タスク配布が確立される。したがって、アプリケーション固有のチップASICの優先順位を付けることができ、さらに、優先順位ルールを従属的で、自動車の現行動作状態に依存して動的に変化するものにすることができる。したがって、動作状態、たとえば、150km/時の速度で運転することは、0km/時の速度の動作状態、即ち車内に誰も乗車せずに密閉した駐車中の自動車の動作状態と対照的に設定することができる。
抽出されたアプリケーション固有の論理手段は、ASIC形式として有利に実現することができる。
さらに、有利なことに、更なる個々の緊急コントローラ、たとえば、単一または複数のI/O ASICチップ・ソリューションに追加される個々のASICチップ、を連続的に提供し、内蔵ナビゲーション・システムへのインターフェースから現行GPS座標を読み取った後、それを保管することができる。前記緊急コントローラは、1つまたは複数の外部センサ・デバイスが事故の形の緊急状況を検出した場合に、前記座標と、おそらくは更なる個々にプログラム可能なテキスト情報―たとえば、SMS(ショート・メッセージ・サービス)型メッセージの形で運転手および同乗者の血液型(Rh因子を含むA、B、AB)を指定するもの―とを含む緊急信号を送信することに専念する。この変形例では、緊急コントローラ用の電源は好ましくは、自動車の主電源がもはや機能しない場合でもメッセージを送出できることを保証するために、バッテリの代わりにまたはバッテリに併せてコンデンサ・デバイスを含む。
最後に、本発明の概念は、疎結合マルチプロセッシングを使用する分散システム用のコンピュータ・システム・アーキテクチャである、特定のIBM「TCET」アーキテクチャのための、高価値の改善策である。
本発明は、一例として示すものであり、添付図面の図の形状によって制限されるものではない。
図面を全般的に参照し、特に図2を参照すると、明確さを増すために本発明の基本的な考え方が極めて要約的に図示されている。本発明の要約的な中核は、本質的にプロセッサ部分からなるECUの残りの部分からアプリケーション固有のI/Oサブシステムを抽出するという考え方を含む。したがって、組込み型システムが5つの(A〜E)のECUを有する例示的な一例では、各ECUごとに専門化されたアプリケーション固有のインターフェース・チップ30A、30B、・・・30Eが設けられ、これらは基本的に、標準的態様の、専門化されていない、できる限り単純構造の、そして安価な、プロセッサ40にすべて接続されている。
したがって、別個のECU A、B、Cのそれぞれは特定のI/Oサブシステムを有し、好ましくは同じタイプのプロセッサによって操作される。当然のことながら、このようなプロセッサ40は大規模な系列を成して生産することができるので、システム全体の価格を増加させずにより多数のプロセッサを使用することができる。各CPU40は好ましくは、標準の入出力ポートと、標準のレジスタおよび割込みポートとを有する。しかし、前記特定のI/Oサブシステムのそれぞれはさらに、より小規模な系列を成して生産され、これは基本的により安価な価格に貢献するものではない。というのは、たとえば1つのCANコントローラが約3000個のゲートのみしか必要とせず、モデム・デバイスに接続するためのシリアルI/Oが約2000個のゲートのみしか必要としないので、抽出されたアプリケーション固有のI/Oサブシステムが必要とするシリコン・チップ面積が大幅に削減されるからである。したがって、アプリケーション固有のサブシステム30A・・・30Eについて、チップ面積の相当な減少を達成することができる。
冗長性によってセキュリティを増すために、このような本発明のECUにCPUを追加する場合でも、これは全体的なコストを大幅に増加するものではない。冗長性を増したECUは、図2の左右の端に描かれている。アプリケーション固有の抽出回路30と標準プロセッサ40との間の関連はこの基本態様では固定されている。
本発明の他の有利な一態様は図3に示されている。
前記アプリケーション固有のサブシステム30A・・・30Eのそれぞれと標準プロセッサ40との間にできる限り可変の関連を得られるようにするために、マッピング手段26に動作可能に結合された汎用コントローラ・ユニット12が設けられる。たとえば、前記プロセッサ40のうちの1つが故障を抱えており、もはやアクティブではない場合、コントローラ・ユニット12は、故障プロセッサをそれぞれのI/Oサブシステムから切断し、後者の1つを正常に機能している異なるCPUに接続するように、マッピング手段電子回路(26)を制御することができる。
標準プロセッサとそれぞれの特定のI/Oサブシステムとのこの動的マッピングはさらに強化され、それについては、以下の図に示す他の有利な本発明の特徴の中で特により詳細に説明する。
図4には、自動車内の複数の組込み型システムを改良するためにテレマティクス分野で使用される可能性のある本発明の好ましい一実施形態が、図面ごとに変化する態様とともに記載されている。その一般的な態様は基本的に図3に示す手法と一致している。しかし、図4〜5の標準プロセッサ・ユニットは同図のそれぞれの上部に描かれているが、図1〜3のプロセッサはそれぞれの下部に描かれていることに留意されたい。
この好ましい実施形態は3層構造を開示するものであり、1次層50は基本的に、上記で参照符号40で示された前述の標準プロセッサ1〜nに接続するための1次ポート・インターフェースを有し、他の汎用入出力回路、マイクロコントローラ・バス、および、たとえばPCIバス・システムに接続する。1次層50は基本的に、接続されたプロセッサ・システムおよびサブシステムに関する静的構成データを含むためのものである。標準のマイクロコントローラ・バスおよびそれぞれのメモリ・インターフェースを模倣するために、総合的な書込みおよび補完I/Oシステムとして汎用I/Oシステムが使用される。
さらに、この実施形態により2次層60が設けられ、これは基本的に、たとえばCAN−B、CAN−C、または標準のI/OサブシステムSIO−1〜SIN−n、または汎用I/Oサブシステムのような標準のアプリケーション固有の入出力サブシステムに関する動的に再構成可能なパラメータ設定を有する。
さらに、汎用コントローラ12と協働するブローカ(仲介)およびアービトレーション(調停)層70が設けられ、これは基本的に図3のコンポーネント26および12にそれぞれ対応している。したがって、図3に図示したマッピングは、図4に描かれたシステムでも行うことができる。
さらに図5を参照すると、図4に描かれた基本実施形態のさらに好ましい特徴がより詳細にさらに図示されている。この場合も同図の上部に1次層50が描かれている。特に、汎用コントローラ・ユニット12は、たとえば、1次ポート・インターフェースと2次ポート・インターフェース100の両方のために個々にプログラムされたウォッチドッグ機能90、100の形でモニター機能を実現する追加コントローラ80を備えている。図5では、モニター対象ポイント90、100は丸で囲んだ「M」(「モニター」)で描かれている。
図5または図4で詳述したすべての論理回路は、プログラム可能ASICまたは固定ASICの形で有利に設けることができる。
1次層50は特に、外部CPUまたはマイクロコントローラ・インターフェースを実現する論理回路50をさらに有する。これは、コントローラ・ユニット12によってアクセス可能で、すべての必要なポート定義パラメータを保管する1組のレジスタ82を有する。
さらに、基本的なシステム・レイアウトは構成セクション54に保管され、このセクションはASICに接続されたすべてのプロセッサについて、いわゆる「静的システム・パラメータ」を保管する。これらの自律状態パラメータは、組込み型システムに関する任意の静的情報、すなわち、「正常状況の」ブートまたはリブート情報を含み、1組のレジスタ84に保管される。さらに、ブローカ層およびアービトレーション論理回路70は、それぞれの入力レジスタに何らかの優先順位パラメータ85を保管する。これらの優先順位パラメータは、所与の優先順位ルールにより、2次層60のサブシステムのうちのどのサブシステムにCPU処理能力を提供すべきかを定義するものであり、そのルールは最も重要なサブシステムを最優先する。したがって、前記プロセッサ・ユニットのうちの1つまたは複数が故障した場合、このような優先順位ルールは緊急動作を定義し、最も重要なアプリケーション機能が続行できるようにする。
さらに、前記2次層60は好ましくは、1組の自律状態パラメータ・レジスタ86が関連付けられている自律型制御交換ボード・マトリックス62と、さらに緊急ブートまたはリブート機能を提供する自律型緊急パラメータ・セット87を有する自律型緊急制御交換ボード64と、実際のアプリケーション固有のI/Oシステム(前述の例ではCANバス、携帯電話、およびその他のI/O機器)への物理アクセスを可能にするそれぞれの入力レジスタ88を有する物理インターフェース論理回路66とを有する。
前述のパラメータ・レジスタ82、84、85、86、87、および88はいずれも、前記汎用コントローラ・ユニット12によってアクセス可能である。好ましくは、前記コントローラ・ユニット12は、前述の複数のプロセッサ40とは無関係に動作する特有のプロセッサ80を有する。さらに、本発明の好ましい一態様によれば、汎用コントローラ12は内蔵「データベース」にアクセスすることができ、このデータベースは、前記標準プロセッサのいずれかに関連するエラー状態の状況のうちの特定の故障状況、を処理するための命令を保管する。たとえば、プロセッサをモニターしているウォッチドッグの一部が関連プロセッサのエラー状態を報告すると、汎用コントローラ・ユニットは、エラー状況データベース内のルックアップを実行し、この特定のエラー状況を処理するための事前にプログラムされた命令を選択する。実際には、たとえば、ウィンドウの開閉に関連するプロセッサが故障を抱えている場合、汎用コントローラ・ユニット12は、前記ルックアップにより、基本的にオーディオ/ビデオ・サブシステムの管理に関連するプロセッサが例外的にウィンドウの閉鎖に使用される可能性があると判断することができる。このように動的に実行されるあるプロセッサから他のプロセッサへの切替えは自律型制御交換ボード・マトリックス62を介して実行され、このマトリックスは基本的にユニット12によって制御されるマルチプレクサである。前述の例以外の機能も動的切替えという本発明の特徴によって制御可能であることを理解されたい。
さらに、好ましくは、かなりの数の標準プロセッサがエラー状態になっている重大緊急状況に関する処理能力を提供するために、1つまたは複数の内部コントローラ110、112を有利に設けることができる。これらの追加コントローラは、必要ならシステムをリブートし、それによって、最も重要なサブシステムにのみ処理能力を提供することを目標とする「逆」ブートまたは緊急ブート・プロセスを実行するために、強力に変更された緊急パラメータ・セットにより占有される。この状態は、汎用コントローラ・ユニット12と協働して前記マルチプレクサ・ユニット62を介して再度切り替えられる。
本発明は、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアの組合せで実現することができる。本発明によるツールは、1つのコンピュータ・システム内の集中方式で、または複数の相互接続コンピュータ・システム間に種々の要素が広がる分散方式で、実現することができる。本明細書に記載した方法を実行するために適合されたものであれば、どのような種類のコンピュータ・システムまたはその他の装置も適している。ハードウェアとソフトウェアの典型的な組合せは、ロードされ実行されたときに本明細書に記載した方法を実行するようにコンピュータ・システムを制御するコンピュータ・プログラムを備えた汎用コンピュータ・システムであることも有り得る。
また、本発明は、本明細書に記載した方法の実現を可能にするすべての特徴を有し、コンピュータ・システムにロードされたときにその方法を実行することができるコンピュータ・プログラムで実施することもできる。
このコンテキスト(文脈)におけるコンピュータ・プログラム手段またはコンピュータ・プログラムは、直接に、または以下のいずれか一方あるいは両方を行った後で、情報処理機能を有するシステムに特定の機能を実行させるための1組の命令を、任意の言語、コード、または表記で表した任意の表現を意味する。
a)他の言語、コード、または表記への変換
b)異なるデータ形式での再生
従来技術の組込み型システムの基本構造コンポーネントを示す概略ブロック図の表現である。 本発明の基本態様による組込み型システムの基本構造コンポーネントを示す概略ブロック図の表現である。 本発明の好ましい態様による組込み型システムの基本構造コンポーネントを示す概略ブロック図の表現である。 本発明の好ましい層概念による組込み型システムの基本構造コンポーネントを示す概略ブロック図の表現である。 図4による組込み型システムの基本構造コンポーネントをより詳細に示す概略ブロック図の表現である。

Claims (4)

  1. 互いに異なる複数のアプリケーションを行う組込み型処理システムであって、
    前記複数のアプリケーションの1つのアプリケーション毎に1つずつ割り当てられた複数の電子制御ユニットと、
    コントローラ(12)とを備え、
    前記複数の電子制御ユニットのそれぞれが、
    割り当てられたアプリケーションのためのインターフェース動作を行うサブシステム(30A乃至30E)と、
    該サブシステムに接続されたプロセッサ(40)とを有し、
    前記コントローラ(12)が、前記複数の電子制御ユニットのいずれかのプロセッサ(40)の故障の検出に応答して、前記プロセッサのいずれかに関連する故障状況のうち特定の故障状況を処理するための命令を保管する内蔵データベースにアクセスして前記特定の故障状況を処理する事前にプログラムされた命令を選択して、前記故障したプロセッサ(40)を切断し、前記故障したプロセッサ(40)を有する電子制御ユニット以外の電子制御ユニットのプロセッサ(40)を、前記故障したプロセッサを有する電子制御ユニットのサブシステムに切り替え、
    記サブシステム(30A乃至30E)のそれぞれが異なるシリコン・チップに設けられている、組込み型処理システム。
  2. 前記複数の電子制御ユニットのそれぞれの前記サブシステムと前記複数の電子制御ユニットのそれぞれの前記プロセッサ(40)との間に接続されたマッピング手段(26)とを備え、
    前記コントローラ(12)が、前記複数の電子制御ユニットのいずれかのプロセッサ(40)の故障を検出したときに、前記故障したプロセッサ(40)を切断し、前記故障したプロセッサ(40)を有する電子制御ユニット以外の電子制御ユニットのプロセッサ(40)を、前記故障したプロセッサを有する電子制御ユニットのサブシステムに切り替えるように前記マッピング手段(26)を制御する、請求項1に記載の組込み型処理システム。
  3. 前記コントローラ(12)が、ウォッチドッグ機能による前記プロセッサ(40)の故障の検出に応答して前記内蔵データベースのルックアップを実行する、請求項に記載の組込み型処理システム。
  4. 現行GPS座標を読み取って保管し、緊急状況の検出に応答して、前記GPS座標及びメッセージを含む緊急信号を送信する緊急コントローラを備える、請求項1に記載の組込み型処理システム。
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