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

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、
   前記サブシステム（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１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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