KR20180002536A

KR20180002536A - 필드버스용 마이크로컨트롤러

Info

Publication number: KR20180002536A
Application number: KR1020170081925A
Authority: KR
Inventors: 악셀 아우에; 오이겐 벡커
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2018-01-08
Also published as: CN107544615B; DE102016211769A1; KR102279947B1; CN107544615A

Abstract

본 발명은 필드버스(12)용 마이크로컨트롤러(μC)에 관한 것으로,
마이크로컨트롤러(μC)는 입력 모듈(TIM)을 구비한 타이머 모듈(GTM)을 포함하고,
마이크로컨트롤러(μC)는 상기 입력 모듈(TIM)과 전기적으로 연결된 핀 멀티플렉서(10)를 더 포함하며,
타이머 모듈(GTM)은, 사전 설정된 키 교환 프로토콜을 따르도록 프로그래밍되며,
핀 멀티플렉서(10)는, 필드버스(12)로부터의 전기 입력 신호를 선택적으로 입력 모듈(TIM)에 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

필드버스용 마이크로컨트롤러{MICROCONTROLLER FOR A FIELDBUS}

본 발명은 필드버스용 마이크로컨트롤러에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상응하는 제어 장치 및 자동차에 관한 것이다.

디지털 기술 및 특히 전자 자동화 기술과 자동차 기술에서는, 중앙처리장치(central processing unit, CPU)를 다양한 주변 기능들과 결합하는 집적 회로들을 통틀어 마이크로컨트롤러(μController, μC, MCU)라고 지칭한다. 이러한 포괄적 마이크로컨트롤러는 통상 동일한 마이크로칩 상에 부분적으로 또는 완전히 집적된 주기억장치 및 프로그램 메모리를 포함하며, 이 경우 통상의 기술자에게는 SoC(System on a Chip)로서도 친숙하다. 선행 기술에 따른 마이크로컨트롤러들은 때때로 복잡한 주변 기능들을 충족시키고, 부분 프로그래밍 가능한 디지털식, 아날로그식, 또는 하이브리드식 기능 블록들을 가지며, 이들 기능 블록은 전형적인 마이크로컨트롤러에서, 클럭 발생기, 인터럽트 컨트롤러, 인터페이스 모듈, 메모리 컨트롤러 및 특히 타이머와 같이 지원 및 주변 모듈로서 구현된 컴포넌트로서 칩 자체에 집적된다.

이와 관련하여 "타이머"라는 용어는, 기술 정보학 및 전자공학의 언어 용법에 상응하는 더 좁은 의미로 이해될 수 있으며, 매우 다양한 시간 관련 기능들을 구현하도록 설계된 제어 모듈을 지칭한다. 이러한 제네릭 타이머 모듈(generic timer module, GTM)은 하나의 타이머를 관리하거나, 서로 독립적으로 구동되며 예컨대 펄스 발생기, 클럭 발생기의 범주에서 시간 측정을 위해 사용되거나 이벤트 카운터를 위한 기준으로서 사용될 수 있는 복수의 상이한 타이머를 관리한다.

DE 10 2010 003521호는 예를 들어, 복수의 모듈 내 데이터를 처리하기 위한 데이터 처리 시스템을 개시하며, 여기서는 회로가 복수의 모듈 각각에 하나 이상의 클럭, 타임 베이스, 그리고 하나 이상의 또 다른 물리 변수의 베이스를 제공하도록 구성되며; 상기 회로는 나아가 중앙 라우팅 유닛을 포함하고, 이 라우팅 유닛에 복수의 모듈이 연결되며, 상기 라우팅 유닛을 통해 복수의 모듈이 타임 베이스 및/또는 다른 물리 변수의 베이스에 기반하는 상이한 데이터를 주기적으로 교환할 수 있으며; 상기 복수의 모듈 각각은 독자적으로, 그리고 상기 복수의 모듈의 다른 모듈들과 동시에 데이터를 처리하도록 구성된다. DE 10 2010 003521호는 또한 상응하는 방법도 개시하고 있다.

본 발명은 독립 청구항들에 따른 필드버스용 마이크로컨트롤러, 상응하는 제어 장치 및 상응하는 자동차를 제안한다.

제안된 접근법은, CAN, LIN, 또는 I²C와 같이 비파괴 비트 중재(non-destructive bitwise arbitration)를 하는 비동기 직렬 필드버스를 통해 논리곱 게이트(wired AND)에 기반하여 암호 키 분배 문제를 해결하기 위해 새로 개발된 방법의 도전들의 기초가 된다. 관련 방법의 예로서, DE 10 2015 207220 A1호 및 "Plug-and-secure communication for CAN(CAN 뉴스레터, 2015, 10-14페이지, 안드레아스 뮐러; 티모 로트슈파이히 저)에 기술된 키 교환 프로토콜을 언급할 수 있다. 이러한 프로토콜의 실행은 통상, 예컨대 VHDL, Verilog 또는 ABEL에서의 합성 가능한 하드웨어 기술(hardware description)과, 적합한 마이크로컨트롤러 및 송수신기(transceiver)와의 통합을 필요로 한다. 이러한 단계들은 시간 및 비용 집약적이며, 때때로 새로운 제품의 투입을 요구함으로써 실사용의 지연을 수반한다.

그에 반해, 하기에 소개할 개념은 전술한 GTM의 기능의 재현에 기반한다. 모든 기능을 갖춘 capture/compare 유닛으로서의 주변 모듈이 외부 신호를 포착하고(capture) 비교(compare)할 수 있다.

본 발명에 따른 해결책의 장점은, 이미 가용하며 정의된 μC 제품들에서 사용될 수 있는 그 수용성에 있다. 이를 위해 하드웨어 변경은 전혀 불필요하다. 재현된 기능은 오히려 부가적인 성능 특성으로서 관련 마이크로컨트롤러의 소프트웨어 내에 통합될 것이다.

상응하는 프로토콜이 지원되는 새로운 μC 제품의 회로 설계 시, 본 발명에 따라 면적 수요가 감소할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 한 구성은, 이른바 핀 셰어링(pin sharing)을 위해 임의의 멀티플렉서(multiplexer, MUX)를 사용할 수 있는 장점이 있다. 이처럼 CAN, LIN, I²C 및 GTM을 위한 단자들의 공동 사용은 이미 종래의 하드웨어에서 보편화된 것이므로, 하드웨어 변경이 전혀 불필요하다.

위에서 언급한 PnS 프로토콜은 키 교환을 위해 점대점 접속을 이용하므로, 필드버스 시스템 내에서의 분산된 PnS 지원을 가정할 수 있다. 본 발명에 따른 PnS 시뮬레이션은 물론 제어 장치들에서, 그 하드웨어를 변경하지 않고도 보강될 수 있다.

종속 청구항들에 기술된 특징들에 의해, 독립 청구항들에 제시된 기본 사상의 바람직한 실시 및 개선이 가능하다. 그럼으로써, 타이머 모듈이 고급 라우팅 유닛(advanced routing unit, ARU)과, 인터페이스 프로토콜 상에 프로그래밍된, 바람직하게는 다중 채널 방식의 마이크로프로그램 제어 유닛(multi-channel sequencer, MCS)을 더 포함하며, 상기 마이크로프로그램 제어 유닛은 인터페이스 프로토콜의 개념상 "더 상위의" 계층들의 처리를 위해, 그리고 PnS 기능들을 이용하기 위한 비밀 키 또는 랜덤 비트 시퀀스의 생성 및 계산을 위해 이용된다.

또 다른 양태에 따라, 타이머 모듈은 라우팅 유닛과 연결된 매개변수 저장 모듈(parameter storage module, PSM)을 포함하며, 상기 매개변수 저장 모듈은, 입력 신호 또는 출력 신호의 시간 분산 값들을 대기행렬(first-in first-out, FIFO) 또는 내부 RAM 내에 저장하도록 구성된다. 이는 비트 스트림(bitstream)의 저장을 가능케 하며, 이로써 후자는 추후 MCS 내에서 처리되며, 그리하여 예컨대 순환 중복 검사(cyclic redundancy check, CRC)가 수행될 수 있다.

마지막으로, CAN의 경우 응답 시간을 단축시키기 위해, 타이머 모듈은, 선택적으로 확인 응답(acknowledgment, ACK) 또는 에러 데이터 프레임(error frame)을 발생시키기 위한, 입력 모듈과 연결된 부동 시간 모듈(deadtime module, DTM)을 포함한다.

본 발명의 실시예들은 도면들에 도시되며, 하기에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 마이크로컨트롤러의 블록다이어그램이다.
도 2는 제2 실시예에 따른 마이크로컨트롤러의 블록다이어그램이다.

도 1에는 CAN용 마이크로컨트롤러(μC)에 기반한 본 발명의 실시예의 기본 구조 특징들이 도시되어 있다. 필드버스(12)를 통해 수신된 메시지로부터 준(quasi) "비밀" 키를 획득하기 위해, 마이크로프로그램 제어 유닛(MCS) 형태의 계산 유닛에 의해 실행될 수 있는 몇 가지 산술 및 논리 연산이 이용된다. 키 교환을 실행할 수 있으려면, 네트워크 모듈(13)의 사용된 핀들이 멀티플렉서(10)에 의해 각각의 타이머 모듈(GTM)로 전환되어야 한다.

이러한 방식으로 구현되는 "PnS 시뮬레이션"(14)에서, 입력 신호(Rx) 및 출력 신호(Tx)가 타이머 모듈(GTM) 내 입력 모듈(timer input module, TIM) 및 (ARU와 연결된) 출력 모듈(timer output module, TOM)로 리라우팅된다. 입력 신호(Rx)의 변경되는 에지들은 TIM 모듈을 이용하여 타임 스탬프로서 검출되거나, TIM 모듈 내에서의 선택적 샘플링(sampling)을 통해 검출된다. 에지 변경이 발생하면, 그 변동(레벨)은, 변동된 레벨이 설정된 타임 스탬프와 함께, 또는 샘플링을 통해 검출된 레벨과 함께 ARU를 통해 MCS로 전송된다. 이는 실질적으로, 예컨대 캠축 입력 신호들의 검출을 위한 엔진 제어의 범주에서 사용되는 TIM의 표준 기능에 상응한다.

에지들 간의 시간 간격이 아주 짧은 경우, ARU를 통한 통신에 기인한 지연이 너무 클 수 있고, 그 때문에 MCS는 TIM 또는 TOM에서 유래하는 데이터를 선택적으로 직접 판독할 수 있다. 이러한 특성은 상응하는 구성에 의해 활성화된다. MCS는 입력 신호(Rx)에 의해 운반되는 (TIM에서의 복수의 캡처 이벤트(capture events)에 기반한 복수의 ARU 전송을 통해, 또는 MSC 자체에 의한 TIM으로의 수회의 직접 액세스를 통해 전송된) 비트 스트림으로부터 데이터 워드(예: 0111011111)를 얻는다. 프로토콜이 이미 공지되어 있으므로, MCS는 상기 데이터 워드에 기초하여 식별 부호(identification, ID), 페이로드, 데이터 필드의 바이트 수(data length code, DLC), CRC 등과 같은 필요 정보를 추출하고, 이 정보들을 검사하여, 또 다른 용도로 이용할 수 있다.

비트 스트림을 송출하기 위해, 한 상보적 방법이 출력 신호(Tx)의 발생에 이용된다. MCS 모듈이 ARU를 통해 또는 직접 액세스를 통해 TOM 모듈에, 출력 신호(Tx)가 특정 레벨을 언제 취해야 하는지를 규정하는 시간 정보를 송신하며, 그러한 여러 전송들이 예컨대 데이터 워드 0100010001을 정의한다. 검출된 입력 신호(Rx) 및 발생한 출력 신호(Tx)에 기반하여, 상응하는 프레임들이 수신되거나 발생한다. 프로토콜 계층 관리는 MCS 채널을 이용하여 수행된다.

PnS 방법은 난수의 이용을 제공한다. 난수는 MCS를 통해, 또는 마이크로컨트롤러(μC)의 CPU를 통해 생성될 수 있다. 전송된 메시지로부터 도출되는 키의 임의의 또는 차후의 추출에 난수를 임베딩하는 것도 MCS 또는 CPU를 통해 수행될 수 있다. 키 교환이 실시된 이후, 입력 신호(Rx)와 출력 신호(Tx)는 멀티플렉서(10)를 통해 네트워크 모듈(13)에 재접속된다. 한 대안적 실시예에서는 그 대신, 입력 신호(Rx)의 직접 연결이 제공될 수 있고, 그 결과 멀티플렉서(10)는 출력 신호(Tx)를 위해서만 이용된다. 송수신기(11)는 상기 두 시나리오 모두에서 필드버스(12)의 물리적 연결을 위한 드라이버 모듈로서 이용된다.

이 경우, 네트워크 모듈(13)은 μC 내에 독립형 하드웨어(HW)로서 제공될 수 있거나, 도 2에 도시된 것처럼, GTM 내 소프트웨어로서 재현(15)될 수도 있다. 이러한 두 가지 해결책 모두, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 적합한 실시 형태의 범주에서 적용될 수 있다.

Claims

필드버스(12)용 마이크로컨트롤러(μC)에 있어서,
마이크로컨트롤러(μC)는 입력 모듈(TIM)을 구비한 타이머 모듈(GTM)을 포함하고,
마이크로컨트롤러(μC)는 상기 입력 모듈(TIM)과 전기적으로 연결된 핀 멀티플렉서(10)를 더 포함하며,
타이머 모듈(GTM)은, 사전 설정된 키 교환 프로토콜을 따르도록 프로그래밍되며,
핀 멀티플렉서(10)는, 필드버스(12)로부터의 전기 입력 신호를 선택적으로 입력 모듈(TIM)에 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 필드버스용 마이크로컨트롤러(μC).
제1항에 있어서,
타이머 모듈(GTM)은 핀 멀티플렉서(10)와 연결된 출력 모듈((A)TOM)을 더 포함하며,
핀 멀티플렉서(10)는 또한, 출력 모듈((A)TOM)로부터의 전기 출력 신호를 필드버스(12)에 선택적으로 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 필드버스용 마이크로컨트롤러(μC).
제2항에 있어서,
필드버스(12)는 CAN이고,
타이머 모듈(GTM)은, 입력 모듈(TIM)과 연결된 부동 시간 모듈(DTM)을 더 포함하며,
부동 시간 모듈(DTM)은, 선택적으로 확인 응답 또는 에러 데이터 프레임을 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 필드버스용 마이크로컨트롤러(μC).
제2항 또는 제3항에 있어서,
타이머 모듈(GTM)은 라우팅 유닛(ARU)과, 인터페이스 프로토콜 상에 프로그래밍된 다중 채널 방식의 마이크로프로그램 제어 유닛(MCS)을 더 포함하며,
라우팅 유닛(ARU)은 입력 모듈(TIM) 및 출력 모듈(TOM)을 각각 마이크로프로그램 제어 유닛(MCS)과 연결하는 것을 특징으로 하는, 필드버스용 마이크로컨트롤러(μC).
제4항에 있어서,
타이머 모듈(GTM)은 라우팅 유닛(ARU)과 연결된 매개변수 저장 모듈, 즉, RAM을 더 포함하며,
상기 매개변수 저장 모듈은, 입력 신호(Rx) 또는 출력 신호(Tx)의 시간 분산 값들을 대기행렬 내에, 즉, RAM 내에 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 필드버스용 마이크로컨트롤러(μC).
제4항에 있어서, 마이크로프로그램 제어 유닛(MCS)은 선택적으로, 직접 또는 라우팅 유닛(ARU)을 통해 입력 모듈(TIM) 및 출력 모듈(TOM)과 통신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 필드버스용 마이크로컨트롤러(μC).
제2항 또는 제3항에 있어서,
타이머 모듈(GTM)은 핀 멀티플렉서(10)와 연결된 네트워크 모듈(13)을 더 포함하며,
핀 멀티플렉서(10)는, 필드버스(12)로부터의 입력 신호를 선택적으로 네트워크 모듈(13)에 공급하고, 네트워크 모듈(13)로부터의 출력 신호를 선택적으로 필드버스(12)에 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 필드버스용 마이크로컨트롤러(μC).
제2항 또는 제3항에 있어서,
타이머 모듈(GTM)은 적어도 추가 입력 모듈(TIM) 및 추가 출력 모듈(TOM)을 포함하며,
핀 멀티플렉서(10)는 상기 추가 입력 모듈(TIM) 및 추가 출력 모듈(TOM)과 추가로 연결되며,
핀 멀티플렉서(10)는 추가로, 필드버스(12)로부터의 입력 신호를 선택적으로 상기 추가 입력 모듈(TIM)에 공급하고, 상기 추가 출력 모듈(TOM)로부터의 출력 신호를 선택적으로 필드버스(12)에 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 필드버스용 마이크로컨트롤러(μC).
자동차용 제어 장치에 있어서,
상기 제어 장치는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 마이크로컨트롤러(μC)를 포함하며,
상기 제어 장치는 상기 마이크로컨트롤러(μC)와 연결된, 필드버스(12)용 송수신기(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 제어 장치.
자동차에 있어서,
상기 자동차는 필드버스(12)를 포함하며,
상기 자동차는 필드버스(12)와 연결된, 제9항에 따른 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차.