JP6580333B2 - Ｌｓｉチップ及びネットワークシステム - Google Patents

Description

本発明は、ＬＳＩチップに関し、特に、生活環境の向上のための情報処理及び通信（Life Computing and Communication）を統合したＬＳＩ（以下、Life Computing and Communication Processor(ＬＣＣＰ)という。）に関するものである。また、本発明は、前記ＬＣＣＰを複数組み合わせて使用したネットワークシステム構築方法（Life Computing and Communication Architecture(ＬＣＣＡ)という。）に関するものである。

近年の外部ピンの機能を製造後に設定可能なＬＳＩチップに、非特許文献１に示すように、メモリ（記憶回路）、ＣＰＵ（演算処理回路）、ＳＩＯ（シリアルインタフェース回路）、ＧＰＩＯ（汎用入出力回路）、イーサネットインターフェイス回路、ＵＳＢインターフェイス回路及びピン機能の切り換えを含む内部制御回路が搭載されたものがある。

しかしながら、従来のこのようなＬＳＩチップでは、ネットワークに加わる場合であっても、ネットワーク機器に接続することを前提に製造されているため、イーサネット送受信部が１つしか設けられていない。このため、高機能なネットワークシステム、特に、生活環境の向上のための情報処理及び通信を統合したネットワークシステム（ＬＣＣＡ）に用いる場合には、複数のＬＳＩチップを直接接続することができず、ネットワーク機器を介在させる必要があり、システムが複雑になってコストが増大してしまうという問題がある。

ＮＸＰセミコンダクターズジャパン株式会社、ＬＣＰ１７５ｘ／６ｘ ユーザーマニュアル、インターネット（ＵＲＬ：http://www.nxp.com/documents/user_manual/UM10360.pdf）

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、複数の外部周辺機器との接続が可能であり、かつイーサネット通信を行うＬＳＩチップであって、生活環境の向上のための情報処理及び通信を統合するＬＳＩ（ＬＣＣＰ）に利用すべく、システムの拡張性が高く高機能かつ汎用性のあるＬＳＩチップを提供することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るＬＳＩチップは、１又は複数のＣＰＵと、１又は複数のメモリと、互いに異なる機能を有する複数の周辺回路と、それらを接続するメモリインターフェイスと、外部との入出力を可能にする複数の接続ピンとを備えており、製造後に使用者によって前記複数の周辺回路の機能を選択して、前記複数の接続ピンに割り当て可能に構成されたＬＳＩチップであって、前記複数の周辺回路に、複数のイーサネット送受信部を含んでいることを特徴とする。

このようなＬＳＩチップであれば、複数のイーサネット送受信部を有しているので、複雑なネットワークシステムに用いる場合であっても、自分自身でイーサネットパケットを中継できるため、ネットワークの中継用の機器を使用する必要がなく、システムの構成を簡略化することができる。また、複数のイーサネット送受信部と同一ＬＳＩ上にＣＰＵを有しているので、そのＬＳＩチップが行う通信中継機能に拡張性を持たせることができ、生活環境の向上のための情報処理及び通信を統合するＬＳＩ（ＬＣＣＰ）に利用することが容易となる。

前記複数のイーサネット送受信部間を選択的にバイパスするスイッチ機構が設けられていることが望ましい。これならば、複数のイーサネット送受信部により送受信されるデータに応じてバイパス転送先のイーサネット送受信部を切り替えることにより、メモリに格納する手間を省いてデータパケットを転送することができる。これにより、ＬＳＩチップのパケット中継能力を高速化することができ、生活環境の向上のための情報処理及び通信を統合する用途に利用することが容易となる。

前記複数のイーサネット送受信部及び前記メモリインターフェイスの間に設けられ、前記複数のイーサネット送受信部のうち１つのイーサネット送受信部を前記メモリインターフェイスに接続するスイッチ機構と備え、データパケットをバイバスするスイッチ機構で転送しない場合には、スイッチ機構はデータをそのままメモリインターフェイスに転送する。各イーサネット送受信部は、内部のダイレクトメモリアクセス機能により、メモリインターフェイスを介して、メモリ上に格納されたデータパケットを入出力し、外部に対してイーサネットのパケットとして入出力する。これならば、前記ＣＰＵがデータパケットをイーサネット送受信部に転送する手間がなく、高速に通信を行うことができる。

前記複数のイーサネット送受信部に含まれるダイレクトメモリアクセス機能は、送受信されるデータの優先度によりデータパケットの格納場所を仕分けできるものであることが望ましい。特に、送信時は、優先度の高い領域に格納されたデータパケットから優先的にダイレクトメモリアクセス機能がデータパケットを転送し、外部に送出する。これならば、データの優先度に応じてデータを処理することができる。したがって、複雑なネットワークシステム、特に、生活環境の向上のための情報処理及び通信を統合するネットワークシステム（ＬＣＣＡ）に適用することが容易となる。

ＬＳＩチップの具体的な実施の態様としては、前記イーサネット送受信部が４つ以上設けられていることが望ましい。これならば、ＬＳＩチップを格子状に互いに接続することができ、これにより、スケーラブルにシステムの拡張が可能となる。

また、本発明のネットワークシステムは、上記のＬＳＩチップを複数備え、複数のＬＳＩチップのイーサネット送受信部を互いに接続して構成されることを特徴とする。
このようなネットワークシステムであれば、スケーラブルにシステムの拡張が可能となる。また、１つのイーサネット送受信部が故障等により送受信不可となっても、その他のイーサネット送受信部を介して迂回する通信路を確立することができる。これにより、複雑なネットワークシステム、特に、生活環境の向上のための情報処理と通信とを統合したネットワークシステム（ＬＣＣＡ）に適用することが容易となる。

このように構成した本発明によれば、複数の外部機器が接続されてイーサネット通信を行うＬＳＩチップであって、生活環境の向上のための情報処理及び通信を結合したＬＳＩ（ＬＣＣＰ）に利用すべく、拡張性の高いＬＳＩチップを提供することができる。
従来のイーサネット用のネットワーク機器（スイッチングハブやルーター等）は多数の構成部品から成り、それ自体が家電製品のネットワーク機能を代替したり、パソコンやホームサーバの機能を代替したりは出来なかった。本発明のＬＳＩチップ（ＬＣＣＰ）によれば、複数の同一チップを相互接続するだけでこれらのことが可能な高機能かつ汎用のネットワークを構成することが可能となる。

本実施形態におけるＬＳＩチップ（ＬＣＣＰ）の構成を示す模式図。 複数のＬＳＩチップ（ＬＣＣＰ）を用いたネットワークシステム（ＬＣＣＡ）を示す模式図。

以下に本発明に係るＬＳＩチップの一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態のＬＳＩチップ１は、生活環境の向上のための情報処理及び通信（Life Computing and Communication）を結合するＬＳＩチップ（以下、Life Computing and Communication Processor(ＬＣＣＰ)という。）である。

このＬＣＣＰ１は、１又は複数のＣＰＵと、１又は複数のメモリと、互いに異なる機能を有する複数の周辺回路と、それらを接続するメモリインターフェイスと、外部との入出力を可能にする複数の接続ピンとを備えており、製造後においてユーザにより複数の周辺回路の機能を選択して、複数の接続ピンに割り当て可能に構成されたＬＳＩチップである。つまり、このＬＣＣＰは、チップに設けられた接続ピンの数よりも、チップに内蔵された機能の方が多く、必要な機能だけを前記接続ピンに割り当てて、外部とのデータの送受信を行うことができるように構成されたものである。

具体的なＬＣＣＰ１の構成は、図１に示すように、１又は複数のＣＰＵ２と、１又は複数のメモリ３ａ、３ｂ、３ｃ（２つのＳＲＡＭと１つのＦＬＡＳＨ ＲＯＭ）と、複数のイーサネット送受信部４ａ〜４ｄと、それらを接続するメモリインターフェイス５とを備えたシステムＬＳＩである。なお、イーサネットの伝送速度としては、１０Ｍｂｐｓ、１００Ｍｂｐｓ、１Ｇｂｐｓ、１０Ｇｂｐｓ等が考えられる。

その他、本実施形態のＬＣＣＰ１は、ＦＰＵアクセラレータ６、暗号処理装置（ＣｒｙｐｔｏＥｎｇｉｎｅ）７、ＣＡＮ／ＬＩＮ通信用インターフェイス８、ＵＳＢ ＯＴＧコントローラ９、汎用入出力ピン（ＧＰＩＯ）１０、非同期シリアル通信（ＵＡＲＴ）用インターフェイス１１、Ｉ２Ｃ通信用インターフェイス１２、ＡＤコンバータ１３、ＤＡコンバータ１４、ＥＥＰＲＯＭ１５、タイマ回路１６等の、周辺回路、メモリ及び接続ピンを備えている。

本実施形態では、ＣＰＵ２、汎用入出力ピン（ＧＰＩＯ）１０、非同期シリアル通信（ＵＡＲＴ）用インターフェイス１１、Ｉ２Ｃ通信用インターフェイス１２、ＡＤコンバータ１３、ＤＡコンバータ１４、ＥＥＰＲＯＭ１５、タイマ回路１６及び複数のイーサネット送受信部４ａ〜４ｄ内の制御回路は、ローカルバス（ｌｏｃａｌ ｂｕｓ）によって接続されている。

また、ＣＰＵ２、複数のメモリ３ａ、３ｂ、３ｃ、複数のイーサネット送受信部４ａ〜４ｄ、暗号処理装置（ＣｒｙｐｔｏＥｎｇｉｎｅ）７、ＣＡＮ／ＬＩＮ通信用インターフェイス８、ＵＳＢ ＯＴＧコントローラ９等は、メモリインターフェイス５に接続されている。さらに、ＣＰＵ２には、ＦＰＵアクセラレータ６が接続されている。なお、ＦＰＵをＣＰＵに一体化したものであっても良い。

各イーサネット送受信部４ａ〜４ｄは、物理層（ＰＨＹ）及び論理層（ＭＡＣ）を有するものである。また、複数のイーサネット送受信部４ａ〜４ｄは、積層されて描画されているが、これは表示上の便法であり、半導体基板上に積層して設けられていることを意味するものではない。

しかして本実施形態では、複数のイーサネット送受信部４ａ〜４ｄ及びメモリインターフェイス５の間に送受信部間のデータ転送をバイバスするためのスイッチ機構ＳＷが設けられている。

このスイッチ機構ＳＷは、単一の半導体スイッチ素子から構成されており、複数のイーサネット送受信部４ａ〜４ｄの各イーサネット送受信部からの出力を、メモリインターフェイス５又は他のイーサネット送受信部の入力に接続するものである。また、このスイッチ機構ＳＷは、通常はメモリインターフェイスからの出力をイーサネット送受信部の入力に、イーサネット送受信部からの出力をメモリインターフェイスの入力に接続するように機能する。これにより、イーサネット送受信部が、ダイレクトメモリアクセス機能により、データパケットをメモリとの間で入出力することを妨げない。

このスイッチ機構ＳＷは、受信パケットのデータ内容により制御される。具体的に複数のイーサネット送受信部４ａ〜４ｄのうちの任意のイーサネット送受信部において受信されたパケットの内容が、他のイーサネット送受信部からの送信による転送を必要とし、転送に使用する送受信部が他に転送すべきデータパケットを有していない場合に限り、スイッチ機構ＳＷを制御して、メモリにパケットを転送することなく、中継すべきイーサネット送受信部に転送する。転送に使用するイーサネット送受信部の決定は、パケットを受信したイーサネット送受信部に内蔵されるテーブル表を宛先イーサネットアドレスで引くことによって得られる。スイッチ機構が存在する場合には、そのためのテーブル表を含むハードウェアがイーサネット送受信部に含まれる。テーブル表の内容は前もってＣＰＵによって設定されている。

スイッチ機構ＳＷを介して転送に使用しようとしたイーサネット送受信部が運悪くパケット送出中等であり、すぐに使用可能でない場合は、ダイレクトメモリアクセス機能によってメモリ上の領域に転送して、ＣＰＵに対して受信完了の割り込みを発生させる。この転送において、転送時間短縮のため、転送が必要なパケットと他のパケットで転送領域を別に用意する。また、優先度ごとにパケットを処理するために、転送領域をパケットの優先度ごとに用意する。ＣＰＵは受信割込みで起動したプログラムにより、転送用領域に格納されたパケットの内、最も優先度の高いパケットから中継すべきイーサネット送受信部の送信用メモリ領域に優先度別に転送する。便宜上、転送という言葉を使用しているが、実装によってはポインタをセットし直すことで済むケースが多い。

スイッチ機構ＳＷを介して転送した場合は、ＣＰＵが予め設定したテーブル表によって中継すべきイーサネット送受信部が決定し、スイッチ機構ＳＷを介さない場合にはＣＰＵがプログラムにより中継すべきイーサネット送受信部を決定している。よって、故障等によって使用できないイーサネット送受信部が発生したとしても、テーブル表の書換えやプログラムの振る舞い変更によって対応可能である。つまり、本構成を持つＬＳＩを結合して作られるシステムは運用時に動的にイーサネットパケットの中継経路を変更することが可能である。

複数のイーサネット送受信部４ａ〜４ｄは、メモリインターフェイス５のデータ転送バンド幅が十分に広いため、最大４つの送信と４つの受信を同時に行うことが可能である。もちろん、メモリへの読み書きは一度に一つしか行えないが、そのための軽微な待ち合わせは随所に挿入されたＦＩＦＯメモリ回路で行われる。

次に、このように構成したＬＣＣＰ１を用いたネットワークシステムについて説明する。

このネットワークシステム１００は、生活環境の向上のための情報処理と通信を統合するネットワークシステム（ＬＣＣＡ）であり、図２に示すように、複数のＬＣＣＰ１を互いに接続することにより構成されている。なお、接続トポロジーとしては、１箇所の送受信部の故障又は１つのＬＣＣＰ１の故障などで使えなくなった経路が発生しても任意の迂回通信経路が確保可能な接続形態であれば良い。

具体的には、複数のＬＣＣＰ１のイーサネット送受信部４ａ〜４ｄを互いに接続して構成されている。本実施形態のＬＣＣＰ１は、４つのイーサネット送受信部（ポート）４ａ〜４ｄを有しており、複数のＬＣＣＰ１が格子状に接続されている。このように接続することで、各ノード（ＬＣＣＰ１）が各種入出力インターフェイスを持ったＬＳＩチップであるため、様々な周辺機器、センサ、制御機器を、各ノードのイーサネット送受信部（ポート）以外の接続ポートに接続したシステムが構築可能である。これらのインターフェイスはＲＳ２３２ＣやＬＩＮのような低速かつ簡易なシリアル通信方式に基づくもので十分であり、接続される機器側にはイーサネット回路や無線ＬＡＮ回路はなくてもＬＣＣＰ１経由でインターネット接続およびネットワークからの制御が可能となり、ＴＣＰ／ＩＰプロトコルスタックのような複雑な通信プロトコルを機器側で実現する必要もなくなる。このため、機器側のハードウェアおよびソフトウェアが大幅に簡略化可能になる。そして、各ノード（ＬＣＣＰ１）は、当該ノードに接続された周辺機器、センサ、制御機器を制御する機能を有している。これにより、各ノードに接続される外部周辺機器のネットワーク関連の制御機能をＬＣＣＰ１上に持たせることができ、外部周辺機器側はネットワーク関連の制御や機能から解放される。

図２では、ＬＣＣＡをホームネットワークに適用した場合を示しており、１つのＬＣＣＰ１は、例えば寝室に設けられた機器に対応して設けられ、エアコン及びリモコン等が接続されて、当該エアコンを制御し、リモコンはＬＣＣＡへの入力デバイスとして機能する。ＬＣＣＰ１とエアコンおよびリモコンとの接続はＬＣＣＰ１に内蔵された低速のシリアル通信インターフェイスで実現される。なお、リモコンは過去のエアコンの操作方法との同一性が保証されなくていいのであれば、不要である。ＬＣＣＰ１を経由してエアコンはインターネットに接続されているため、携帯電話や携帯端末等によってエアコンの操作が可能である。また、１つのＬＣＣＰ１は、例えば台所に設けられた機器に対応して設けられ、冷蔵庫及び電子レンジ等が接続されて、当該冷蔵庫及び電子レンジ等を制御する。１つのＬＣＣＰ１は、例えば書斎に設けられた機器に対応して設けられ、ディスプレイ、キーボード等のパソコン周辺機器及び無線ラン親機等が接続されて、当該パソコン周辺機器及び無線ラン親機等を制御する。ＬＣＣＰ１の内蔵ＣＰＵとメモリが従来のパソコン本体の代わりになるため、パソコン本体を別個に用意してＬＣＣＡに接続する必要がない。パソコンで従来実施されていたアプリケーションの実現に1個のＬＣＣＰ内蔵メモリではメモリ容量が不足したとしても、１家庭内には多数のＬＣＣＰ１によって高機能ネットワークが張り巡らされるため、複数のＬＣＣＰ上のメモリを足し合わせて使うことによって、メモリを多用するアプリケーションプログラムに対処する。なお、ＬＣＣＰ１のＣＰＵやメモリは分散オペレーティングシステムによって管理され、効率良く利用される。また、ＬＣＣＰ１のＣＰＵによって実行されるアプリケーションプログラムや周辺機器の制御プログラムは適切な認証の下でインターネットからダウンロードして実行される。１つのＬＣＣＰ１は、例えばリビングに設けられた機器に対応して設けられ、テレビ及びＤＶＤレコーダ等が接続されて、当該テレビ及びＤＶＤレコーダ等を制御する。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係るＬＳＩチップ（ＬＣＣＰ）１によれば、複数のイーサネット送受信部４ａ〜４ｄを有しており、メモリインターフェイス５を接続するイーサネット送受信部４ａ〜４ｄをＣＰＵにより設定される経路情報によって使い分けているので、故障時にＣＰＵが経路情報を書き直すことにより、故障して通信不能になった経路を迂回して通信を行うことが可能になる。これにより、ＬＣＣＰ１に耐故障性や高可用性といった機能を持たせることができる。
従来のイーサネット用のネットワーク機器（スイッチングハブやルーター等）は多数の構成部品から成り、それ自体が家電製品のネットワーク機能を代替したり、パソコンやホームサーバの機能を代替したりは出来なかった。ＬＳＩチップ（ＬＣＣＰ）１によれば、複数の同一チップを相互接続するだけでこれらのことが可能な高機能ネットワークを構成することが可能となる。
ＬＣＣＡを車載ネットワークに採用する場合は、一番望ましい実施形態は車載制御用マイコン（ＥＣＵ）をすべてＬＣＣＰの内蔵ＣＰＵによって置き換えて、ＬＣＣＰ間の相互接続によってフラットなネットワークを構成する方法である。人命等に関わらないアプリケーションや機器制御であれば、故障時に他のＬＣＣＰのＣＰＵによって代替実行させればよい。人命に関わりリアルタイム性が要求されるような機器制御においては、複数のＬＣＣＰのＣＰＵによって、同一制御プログラムを冗長に多重実行して、制御出力が多数決される仕組みを導入して耐故障性を実現する。なお、低速シリアルラインによる制御線であれば、単純かつ故障率の低いハードウェアによって多数決機構を構成可能である。車の構成部品においてはＥＣＵの故障率が他部品よりも高いことが知られており、ＬＣＣＡ／ＬＣＣＰによるＥＣＵ／ＣＰＵの耐故障性の実現は夢の自動運転自動車への一歩である。ＥＣＵのすべてをＬＣＣＰの内蔵ＣＰＵによって置き換える前段階として、従来の車載ネットワークであるＬＩＮやＣＡＮのインターフェイスを内蔵したＬＣＣＰチップを製造し、選択的にこれらのインターフェイスを使用すれば、従来の車載ネットワークとこれらのインターフェイスによって接続を保ちつつ段階的にＥＣＵを置き換えて行くことが可能である。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、複数のイーサネット送受信部４ａ〜４ｄが多層構造状に図示されているが、これは図面表記上の便法であり、物理的には、少なくとも１つのイーサネット送受信部がその他のイーサネット送受信部に対して平面的に隣接して配置されていても、平面的に離れて配置されていても良い。

また、前記実施形態では、４つのイーサネット送受信部を有するものであったが、５つ以上のイーサネット送受信部を有するものであっても良い。例えば、複数のＬＣＣＰを格子状に接続した場合において、ＬＣＣＰと外部装置とをイーサネット接続する場合には、５つ目のイーサネット送受信部が必要となる。また、例えば複数のＬＣＣＰを格子状に接続した場合において、ＬＣＣＰを情報コンセントとして用いて、２ポート用意するのであれば、計６つのイーサネット送受信部が必要となる。さらにそれ以上のイーサネット送受信部を持たせて、巨大なネットワークを構築できるようにしても良い。

また、前記実施形態では、ＬＳＩチップ１がスイッチ機構ＳＷを有するものであったが、スイッチ機構ＳＷを有さずに、ＣＰＵ２がプログラムによりスイッチ機構としての機能を代替するように構成したものであっても良い。これならば、物理的な構成としてスイッチ機構を設ける必要が無いため、ＬＳＩチップ１の設計を簡略化することができる。

複数のＬＳＩチップを用いたネットワークシステムとしては、ホームネットワークの他に、公共施設等のインフラ、自治体又は街等の広域に及ぶネットワークに適用することもできるし、ファクトリーオートメーション（工場自動化）のネットワークシステムに適用することもできるし、自動車やロボット等のネットワークシステムに適用することもできる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

１・・・ＬＳＩチップ
２・・・ＣＰＵ
３ａ〜３ｃ・・・メモリ
４ａ〜４ｄ・・・イーサネット送受信部
５・・・メモリインターフェイス
ＳＷ・・・スイッチ機構
１００・・・ネットワークシステム

Claims (4)

1. １又は複数のＣＰＵと、１又は複数のメモリと、互いに異なる機能を有する複数の周辺回路と、それらを接続するメモリインターフェイスと、外部との入出力を可能にする複数の接続ピンとを備えており、前記複数の周辺回路の機能を選択して前記複数の接続ピンに割り当て可能に構成されたＬＳＩチップであって、前記複数の周辺回路が、物理層及び論理層を有する複数のイーサネット送受信部を含んでおり、複数の外部周辺機器が接続されて、それら複数の外部周辺機器の間でのイーサネット通信の中継を行うＬＳＩチップを複数備え、
   複数の前記ＬＳＩチップのイーサネット送受信部を互いに接続して構成され、
   前記ＣＰＵは、１つの前記イーサネット送受信部又は前記ＬＳＩチップが通信不能となった場合に、当該通信不能になった経路を迂回した経路を確保するものであり、
   前記ＬＳＩチップが、当該ＬＳＩチップに接続される外部周辺機器の制御機能を有しているネットワークシステム。
2. 前記ＬＳＩチップは、前記複数のイーサネット送受信部及び前記メモリインターフェイスの間に設けられ、前記複数のイーサネット送受信部のうち１つのイーサネット送受信部を前記メモリインターフェイスに接続するスイッチ機構と備え、
   前記ＣＰＵが、前記スイッチ機構を制御して、前記メモリインターフェイスに接続される前記イーサネット送受信部を切り替える請求項１記載のネットワークシステム。
3. 前記ＣＰＵが、前記複数のイーサネット送受信部により送受信されるデータの優先度により前記スイッチ機構を切り替えるものである請求項２記載のネットワークシステム。
4. 前記ＬＳＩチップは、前記イーサネット送受信部が４つ以上設けられている請求項１乃至３の何れかに記載のネットワークシステム。