WO2007074057A1 - Überwachungseinheit zur überwachung oder steuerung des zugriffs eines teilnehmers auf einen datenbus und teilnehmer mit einer solchen überwachungseinheit - Google Patents

Überwachungseinheit zur überwachung oder steuerung des zugriffs eines teilnehmers auf einen datenbus und teilnehmer mit einer solchen überwachungseinheit Download PDF

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monitoring unit
unit
monitoring
local
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Thomas Fuehrer
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Robert Bosch Gmbh
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    • H04L2012/40241—Flexray

Definitions

  • MONITORING UNIT FOR MONITORING OR CONTROLLING ACCESS OF A PARTICIPANT TO A DATA BUS AND A PARTICIPANT WITH SUCH A MONITORING UNIT
  • the present invention relates to a monitoring unit locally associated with a bus controller of a subscriber of a communication system for monitoring and controlling access to a data bus in accordance with a particular protocol.
  • the bus controller accesses the data bus via a bus driver, and the monitoring unit monitors and controls the access authorization of the bus driver according to the protocol specification.
  • the invention also relates to a subscriber of a data bus comprising
  • the subscriber has a bus controller and a bus driver, the bus controller being connected to the data bus via the bus driver.
  • the subscriber also has a bus controller associated with the monitoring unit for monitoring and controlling the access authorization of the bus driver on the data bus according to a specific protocol specification.
  • the present invention also relates to a central monitoring unit of a communication system for monitoring and controlling the access of multiple users of the communication system to a data bus of the
  • Each subscriber has a bus controller and a bus driver, the bus controller being connected to the data bus via the bus driver connected.
  • the monitoring unit monitors and controls the access authorization of the bus driver of several users of the communication system to the data bus according to a specific protocol specification.
  • CAN Controller Area Network
  • TTCAN Time Triggered CAN
  • TTP / C Time Triggered Protocol Class C
  • FlexRay is a fast, deterministic and fault-tolerant bus system, especially for use in motor vehicles.
  • the FlexRay protocol operates on the principle of Time Division Multiple Access (TDMA), whereby the subscribers or the messages to be transmitted are assigned fixed time slots in which they have exclusive access to the communication connection.
  • TDMA Time Division Multiple Access
  • the time slots are repeated in a fixed cycle, so that the time at which a message is transmitted over the bus, can be accurately predicted and the bus access is deterministic.
  • FlexRay divides the communication cycle into a static and a dynamic part or into a static and a dynamic segment.
  • the fixed time slots are located in the static part at the beginning of the bus cycle.
  • the time slots are specified dynamically.
  • the exclusive bus access is only possible for a short time, for the duration of at least one so-called mini slot. Only if a bus access occurs within a minislot, the time slot is extended to the time required for the access. Thus, bandwidth is only consumed when it is actually needed.
  • FlexRay communicates via one or two physically separate lines with a maximum data rate of 10 Mb / s.
  • the two channels correspond to the physical layer, in particular the so-called OSI (Open System Architecture) layer model. These are mainly used for the redundant and thus fault-tolerant transmission of messages, but can also transmit different messages, which could then double the data rate. It is also conceivable that the signal transmitted via the connecting lines results as a difference signal as the difference of the signals transmitted via the two lines.
  • the physical layer is designed such that it enables electrical or optical transmission of the signal or signals via the line (s) or a transmission by other means, for example by radio.
  • Synchronization messages transmitted in the static part of the cycle using a special algorithm according to the FlexRay specification, the local time (local time base) of a subscriber is corrected so that all local clocks to a global clock (global time base) run synchronously.
  • the local time (local time base) of a subscriber is corrected so that all local clocks to a global clock (global time base) run synchronously.
  • global time base For the various known communication systems, there are a number of ways to avoid or solve access conflicts. In CAN, for example, the so-called bitwise arbitration is used. This one is very robust. Runtime phenomena, however, limit the maximum transmission speed as a matter of principle.
  • the access problem is solved by approach and configuration, the conflicts are already avoided offline. However, a prerequisite is a common understanding of the time, which has validity throughout the network (with FlexRay: global time base).
  • BG bus guardian
  • TTCAN a combination of CAN and timed bus access, solves the bitwise arbitration conflict. However, it may happen that the (timely) correct message content is not provided.
  • the use of a bus guardian for messages in the static window can therefore be useful for TTCAN, for example for safety-relevant systems such as x-by-wire systems.
  • the local bus guardian is supplied via the clock of the bus controller and its lap information is used for the monitoring function.
  • the current FlexRay protocol specification v2.1 describes a concept that is limited in terms of the time monitoring of the communication protocol or the communication controller.
  • a macrotick (MT) of the local FlexRay communications controller clocks its local bus guardian.
  • the time slot with transmit activity is also indicated by the communication controller by an ARM signal.
  • the timing (the temporal
  • Offset correction is available, for example, with TTCAN, TTP / C, and FlexRay, whereby in FlexRay the offset correction phase takes place during the so-called Network Idle Time (NIT) of the local communication controller at the end of a communication cycle.
  • NIT Network Idle Time
  • the correction of the offset at the end of a communication round or a double round shortens or lengthens the local round within specified specified limits.
  • the next round of communication begins sooner or later due to the correction of a few so-called microticks ( ⁇ T).
  • ⁇ T microticks
  • the local bus guardian must allow this offset correction.
  • the timer monitor must accept this.
  • the Bus Guardian has no knowledge of the effects of offset correction on the next communication round. Also in this case, the transmission timeslots of the different subscribers may overlap. The likelihood of overlap increases as the number of laps increases.
  • the Bus Guardian concept according to the FlexRay protocol specification v2.1 is based on the assumption that the described error cases due to permanent disturbances occur only with low probability or that these disturbances or errors are recognized by additional measures in the participant host or by additional functionalities can be.
  • the present invention has the object to expand known monitoring concepts such that even permanent disturbances in the communication can be detected and optionally corrected or corrected.
  • the monitoring unit Based on the local monitoring unit of the type mentioned above, it is proposed that the monitoring unit:
  • Bus driver has received messages, having an oscillator terminal, - a clock synchronization unit for synchronization of a local clock of
  • Monitoring unit a bus access control unit for establishing a temporal
  • Bus controller has, and a comparator unit to detect deviations between the provided transmit information and the actual bus access of the bus controller or the bus driver based on the synchronized local clock of the monitoring unit.
  • the local monitoring unit is connected to the data bus via the bus driver, messages transmitted via the data bus can not only be received by the bus controller (in the case of the FlexRay: communication controller), but also by the monitoring unit.
  • the decoding unit By the decoding unit, the received messages can be decoded by the monitoring unit according to the protocol specification used in the communication system.
  • the local monitoring unit By means of these two measures, receiving and decoding of messages, it is possible for the local monitoring unit according to the invention to receive and understand synchronization messages sent via the data bus (so-called sync frames).
  • the monitoring unit Via the oscillator connection, the monitoring unit can obtain its own time clock, which is completely independent of the local bus controller.
  • the clock synchronization unit is a logic that allows the local monitoring unit to establish a globally synchronized time base according to the protocol specification used in the communication system.
  • the bus access control unit is a logic that can establish the temporal relationship between the reception of the synchronization messages and the communication rounds according to the protocol specification used.
  • the bus access control unit is also referred to as Media Access Control (MAC).
  • the comparator unit (so-called comparator) of the local monitoring unit determines differences between a clock signal of the local monitoring unit or the information provided therefrom intended transmission information of the bus controller and the actual bus access of the bus controller. If such differences are detected, preferably a so-called fail-silent behavior of the local monitoring unit is triggered, thus avoiding the transmission of the local bus controller.
  • the local monitoring unit according to the invention can also be referred to as bus guardian or bus guardian (BG).
  • An essential functionality of the monitoring unit according to the invention is the complete independence of time from the local bus controller or the local time base of the bus controller and the generation of a separate, local time base, which is synchronized to the global time.
  • By checking the consistency of the local time base of the monitoring unit to the local time base of the associated bus controller access errors, especially due to permanent interference, can be reliably and reliably detected, even with increasing number of lapses.
  • the errors described above, in particular due to permanent disturbances, are secured by the present invention and a fail-silent behavior of the entire subscriber can be achieved.
  • the present invention overcomes the conceptual deficiencies of the known Bus Guardian concepts used in previously known communication systems.
  • a cost-optimized implementation of the bus guardian concept is possible since only the logic components and functionalities necessary for the reception, decoding and evaluation of the synchronization messages are provided in the local monitoring unit according to the invention.
  • the components used are all known per se and used elsewhere in communication systems components that are now integrated in a particularly advantageous manner in the monitoring unit according to the invention.
  • the components additionally integrated into the local monitoring unit can therefore also be used in other areas of the system
  • Communication system for example, in the bus controller, are used so that high numbers of components result, which leads to a reliability in manufacturing and low unit prices.
  • inventive concept can be easily integrated into a so-called monitoring computer of a communication system.
  • a central monitoring unit is not assigned to a single subscriber of the communication system, but monitors and controls the access of several participants of the Communication system on the data bus.
  • the concept of the monitoring computer has the advantage that a separate bus guardian is not necessary for each participant, but that their functionalities can be integrated into a single or several monitoring computers.
  • the application of the local monitoring unit according to claim 6 is particularly suitable for a FlexRay communication system in which the communication controller notifies the local bus guardian via an ARM signal the beginning of a communication cycle.
  • the embodiment according to claim 7 is suitable for other than FleyRay communication systems, for example for a TTCAN communication system, where the transmission information of the local bus controller can be stored in advance in the bus Guardian. The stored transmission information can be used, for example, to generate an ARM signal. About the reference message a round synchronization is achieved or made plausible.
  • FIG. 1a shows a simplified topology of a device according to the invention
  • FIG. 1b shows a simplified topology of a device according to the invention
  • Figure 2 shows a known from the prior art participants of
  • Figure 3 shows the course of an enable signal with which a bus Guardian the
  • FIG. 4 shows a subscriber according to the invention with a novel bus
  • Figure 5 shows the course of part of the communication via a data bus of the communication system according to Figure Ia and Ib.
  • FIG. 1 a a simplified topology of a known FlexRay communication system is indicated in its entirety by the reference numeral 1.
  • the communication system 1 comprises a physical layer, which in the present case is designed as a data bus 2 with two electrically conductive lines.
  • the physical layer can also be realized by optical waveguides or by radio links.
  • Connected to the data bus 2 are a plurality of FlexRay subscribers 3, which are also referred to as controllers or hosts. Strictly speaking, however, the host also comprises a microcontroller, which is designated by reference numeral 4 in FIG.
  • the subscriber 3 and the microcontroller 4 together form the actual host 5.
  • the subscribers 3 of the FlexRay communication system each comprise a FlexRay communication controller 6 (so-called communication controller), which receives information 7 to be transmitted via the data bus 2 from the microcontroller 4 and according to the protocol specification used in the communication system 1 Example according to the FlexRay protocol specification v2.1, bringing the correct data format for transmission over the data bus 2.
  • the information 7 in the correct data format is transmitted to the FlexRay bus driver 8 (so-called bus driver) of the subscriber 3, which brings it into a form required for transmission via the data bus 2, also according to the protocol specification used ,
  • 3 bus guards 9 are provided in the subscribers, which control the access authorization of the
  • the bus drivers 8 can only apply information or data packets to the data bus 2 if they receive a corresponding enable signal from the associated bus guardian 9 (so-called enable signal) 10.
  • the FlexRay communication system 1 of Figure Ia has a particularly simple topology.
  • the topology of the data bus 2 may also be annular or star-shaped. It is likewise conceivable to arrange amplifier elements, for example as part of an active star, in the data bus structure 2 for transmission of the data packets over longer distances.
  • FIG. 1 b shows another topology of a FlexRay communication system 1, which is also known per se.
  • This topology differs from the topology known from FIG. 1a, in particular in that the subscribers 3 of the communication system 1 are not each equipped with a separate bus guardian. Rather, in the embodiment shown in Figure Ib, the bus guardian functionality from the individual participants 3 to a single Monitoring computer 11 are summarized.
  • the monitoring computer 11 also has a communication controller 6 and a bus driver 8, so that the monitoring computer 11 can send and receive information via the data bus 2.
  • the extended bus guardian functionalities (Extended Bus Guardian, BGX) of the monitoring computer 11 are designated by the reference numeral 12.
  • the monitoring computer 11 is preferably not connected via the data bus 2 via another communication connection (not shown) with the participants 3, so that the monitoring computer 11, the participants 3 even then control and optionally interrupt their transmission activity, if one of the participants 3 constantly sends and thereby blocks the data bus 2 for any data transmission by the other participants 3 and the monitoring computer 11.
  • the monitoring computer 11 has information about its transmission activities for each of the subscribers 3, monitors the transmission activities of the subscribers 3 and controls them.
  • FIG. 2 shows a FlexRay subscriber 3 known from the prior art with a known Bus Guardian concept.
  • the concept described in the FlexRay Protocol Specification v2.1 is limited with regard to the time monitoring of the communication protocol or the communication controller 6.
  • the bus guardian 9 derives its time base from the corrected macrotick (MT) signal 13, which it receives from the communication controller 6.
  • the time slot with transmit activity (time slot # 2 in FIG. 3) is additionally indicated by an ARM signal 14 of the communication controller 6.
  • the ARM signal 14 is used to synchronize the beginning of a communication cycle or the transmission slots of the communication cycle.
  • the time sequences (so-called timing) of the monitored FlexRay communication controller 6 is roughly monitored only by an RC oscillator 15 or monitored by an additional quartz oscillator with higher resolution.
  • the RC oscillator 15 only allows a rough monitoring of the macrotick signal 13, so that deviations are recognized as such only above 20 to 30% of the signal.
  • the time base of the bus guardian 9 is not independent of the time base of the communication controller 6, but depending on the macrotick signal 13.
  • a complete independence of the time base of the communication -Controllers 6 can not be achieved.
  • Communication controller 6 transmitted to the bus driver 8 are designated in Figure 2 by the reference numeral 16.
  • the data 16 are applied to the data bus 2 via the bus driver 8.
  • the activity of the bus driver 8 is monitored and / or controlled so far by the bus guardian 9 that the bus driver 8 can only apply the data 16 to the data bus 2 when the bus guardian 9 the
  • Access authorization of the bus driver 8 confirmed by applying an enable signal 17 to the bus driver 8.
  • the known monitoring concept has weaknesses in particular in cases in which there are permanent disturbances due to errors or errors
  • Registers of the communication controller 6, which are used for clock correction, are faulty and undetected, the local communication controller 6 and thus also the local bus guardian 9 drifts in comparison to the rest of the communication network 1. Since the communication controller 6 and the bus Guardian 9 drift together, the bus guardian 9 can not detect any deviations of the transmission activity of the communication controller 6 of the communication schedule.
  • the offset correction phase is used inter alia to synchronize the local time base of the subscriber 3 on the global time base of Communication System 1. In order to make such a correction, it may be corrected within specified limits. The subsequent round of communication then starts by a few microticks ( ⁇ T) sooner or later. The local bus guardian 9 must allow this correction. The timer monitoring must accept this. However, there is no bus guardian knowledge regarding the effects of offset correction on the next round of communication. Also in this case, the transmission time slots may overlap. The likelihood of such overlap increases as the number of laps increases.
  • FIG. 3 shows the profile of the enable signal 17 of the known subscriber 3 shown in FIG. 2 with the known monitoring concept.
  • the illustrated subscriber 3 is allowed to transmit only in the transmit slot # 2, so that the enable signal 17 for the illustrated subscriber 3 must permit the transmission of data by the bus driver 8 during the entire transmit slot # 2.
  • the enable signal 17 changes from "Disable” to "Enable” a short time before the beginning of the transmission slot # 2 and only after some time after the end of the transmission slot # 2 from “Enable” back to "Disable”.
  • FIG. 4 shows a subscriber 3 according to the invention of a communication system 1 in which the novel monitoring concept is realized.
  • the bus guardian 9 of the subscriber 3 according to the invention is designed to realize the present invention in a special way. This results in an essential difference to the known participants 3 that the bus guardian 9 has its own local, from the time base of the communication controller 6 completely independent time base. This local time base of the bus guardian 9, as well as the time base of the communication controller 6 all participants 3 synchronized to the global time base of the communication system 1. On the basis of the local, independent time base of the local bus guardian 9 according to the invention, an evaluation and control of the access activities of the bus driver 8 then takes place on the data bus 2.
  • the Bus Guardian 9 essentially contains the following components for realizing the novel monitoring concept:
  • Data bus 2 are transmitted, is communicated.
  • a bus access control unit 24 for establishing a temporal relationship between received messages and a communication cycle in accordance with the FlexRay protocol specification. - Information about according to Karlunikationsschedule provided
  • a comparator unit 25 which serves to detect deviations between the provided transmit information according to the ARM signal 14 and the actual bus access based on the synchronized local time base of the bus guardian 9.
  • the connection 18 and the decoding unit 19 are required in order to be able to receive via the bus driver 8 FlexRay data frames transmitted via the data bus 2, in particular the synchronization messages (so-called sync frames).
  • a separate time base is built up according to the rules of the FlexRay protocol specification v2.1.
  • the consistency to the local communication controller 6 is checked in the bus access control unit 24, which is also referred to as Media Access Control (MAC).
  • MAC Media Access Control
  • each communication cycle comprises four transmit slots # 1 through # 4 in the illustrated example.
  • the subscriber 3 from FIG. 4 is allowed to transmit via the data bus 2 in the send slot # 2. This means that the enable signal must be at "Enable” for at least the duration of the entire transmit slot # 2.
  • synchronization messages S are transmitted via the data bus 2, which are received by the participants 3 and used to synchronize the local time bases in the communication controllers 6 of the participants 3.
  • the synchronization messages S are additionally used for the synchronization of the bus guardians 9.
  • the messages S are received by the bus driver 8 of a subscriber 3 and placed via a connecting line (sync) 26 to the terminal 18 of the bus guardian 9. There, they are decoded in the manner described above and used to synchronize the independent of the time base of the communication controller 6 own local time base of the bus guardian 9.
  • the present invention overcomes the conceptual vulnerabilities of known bus guardian concepts in the FlexRay protocol specification v2.1, as well as in other protocol specifications. In this case, a cost-optimized implementation is possible because only necessary logic or functionality extends the bus Guardian 9.
  • many components can be taken from existing communication controllers 6 or other components of a communication system.
  • the novel monitoring concept described above with reference to FIGS. 4 and 5 can not only be integrated into the local bus guardians 9 of the subscribers 3 of the communication system 1, but could also be combined in a monitoring computer 11 to form an extended bus guardian functionality 12 (BGX) be (see Figure Ib).
  • BGX extended bus guardian functionality 12
  • Communication system 1 realized, but only in one or more monitoring computers 11, each monitor and / or control the access authorization of the bus driver 8 of several participants 3 of the communication system 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine lokale Überwachungseinheit (9), die einem Bus-Controller (6) eines Teilnehmers (3) eines Kommunikationssystems (1) lokal zugeordnet ist, eine zentrale Überwachungseinheit (11) eines Kommunikationssystems (1) zur Überwachung und/oder Steuerung des Zugriffs mehrerer Teilnehmer (3) auf einen Datenbus (2). Ein wichtiges Merkmal des vorgeschlagenen Überwachungskonzeptes ist, dass die Überwachungseinheit (9, 11) eine eigene, von einer lokalen Zeitbasis eines Kommunikations-Controllers (6) der Teilnehmer (3) unabhängige Zeitbasis aufweist, welche auf eine globale Zeitbasis des Kommunikationssystems (1) synchronisiert ist. Diese eigene, lokale Zeitbasis wird in der Überwachungseinheit (9, 11) herangezogen, um die Zugriffsberechtigung des Kommunikations-Controllers (6) bzw. eines Bus-Treibers (8) auf den Datenbus (2) zu überwachen und/oder zu steuern. Auf diese Weise können Sendekonflikte der Teilnehmer (3), insbesondere aufgrund von permanenten Störungen in einem oder mehreren der Teilnehmer (3), zuverlässig erkannt und vermieden werden.

Description

ÜBERWACHUNGSEINHEIT ZUR ÜBERWACHUNG ODER STEUERUNG DES ZUGRIFFS EINES TEILNEHMERS AUF EINEN DATENBUS UND TEILNEHMER MIT EINER SOLCHEN ÜBERWACHUNGSEINHEIT
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungseinheit, die einem Bus-Controller eines Teilnehmers eines Kommunikationssystems lokal zugeordnet ist, zur Überwachung und Steuerung des Zugriffs auf einen Datenbus gemäß einem bestimmten Protokoll. Der Bus-Controller greift über einen Bus-Treiber auf den Datenbus zu, und die Überwachungseinheit überwacht und steuert die Zugriffsberechtigung des Bus-Treibers gemäß Protokollspezifikation.
Die Erfindung betrifft auch einen Teilnehmer eines einen Datenbus umfassenden
Kommunikationssystems. Der Teilnehmer weist einen Bus-Controller und einen Bus- Treiber auf, wobei der Bus-Controller über den Bus-Treiber an den Datenbus angeschlossen ist. Der Teilnehmer weist außerdem eine dem Bus-Controller zugeordnete Überwachungseinheit zur Überwachung und Steuerung der Zugriffsberechtigung des Bus-Treibers auf den Datenbus gemäß einer bestimmten Protokollspezifikation auf.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch eine zentrale Überwachungseinheit eines Kommunikationssystems zur Überwachung und Steuerung des Zugriffs mehrerer Teilnehmer des Kommunikationssystems auf einen Datenbus des
Kommunikationssystems. Jeder Teilnehmer weist einen Bus-Controller und einen Bus- Treiber auf, wobei der Bus-Controller über den Bus-Treiber an den Datenbus angeschlossen ist. Die Überwachungseinheit überwacht und steuert die Zugriffsberechtigung des Bus-Treibers mehrerer Teilnehmer des Kommunikationssystems auf den Datenbus gemäß einer bestimmten Protokollspezifikation.
Stand der Technik
Die Vernetzung von Steuergeräten, Sensorik und Aktuatorik mit Hilfe eines Kommunikationssystems oder Datenübertragungssystems und einer Kommunikationsverbindung, beispielsweise in Form eines Bus-Systems oder eines Datenbusses, hat in den letzten Jahren in modernen Kraftfahrzeugen aber auch in anderen Bereichen, beispielsweise im Maschinenbau, insbesondere im Werkzeugmaschinenbereich, und in der Automatisierung drastisch zugenommen. Synergieeffekte durch Verteilung von Funktionen auf mehrere Teilnehmer, beispielsweise Steuergeräte, des Kommunikationssystems können dabei erzielt werden. Man spricht hierbei von verteilten Systemen.
Die Kommunikation zwischen verschiedenen Teilnehmern eines solchen Kommunikationssystems findet mehr und mehr über ein Bus-System statt. Der Kommunikationsverkehr auf dem Bus-System, Zugriffs- und Empfangsmechanismen, sowie Fehlerbehandlung werden über ein Protokoll geregelt. Bekannte Protokolle sind beispielsweise CAN (Controller Area Network), TTCAN (Time Triggered CAN), TTP/C (Time Triggered Protocol Class C) und das FlexRay-Protokoll, wobei derzeit die FlexRay-Protokollspezifikation v2.1 zu Grunde liegt. Bei FlexRay handelt es sich um ein schnelles, deterministisches und fehlertolerantes Bussystem, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Das FlexRay-Protokoll arbeitet nach dem Prinzip des Time Division Multiple Access (TDMA), wobei den Teilnehmern bzw. den zu übertragenden Botschaften feste Zeitschlitze zugewiesen werden, in denen sie einen exklusiven Zugriff auf die Kommunikationsverbindung haben. Die Zeitschlitze wiederholen sich dabei in einem festgelegten Zyklus, so dass der Zeitpunkt, zu dem eine Botschaft über den Bus übertragen wird, exakt vorausgesagt werden kann und der Buszugriff deterministisch erfolgt. Um die Bandbreite für die Übertragung von Botschaften auf dem Bussystem optimal zu nutzen, unterteilt FlexRay den Kommunikationszyklus in einen statischen und einen dynamischen Teil bzw. in ein statisches und ein dynamisches Segment. Die festen Zeitschlitze befinden sich dabei im statischen Teil am Anfang des Buszyklusses. Im dynamischen Teil werden die Zeitschlitze dynamisch vorgegeben. Darin wird der exklusive Buszugriff jeweils nur für eine kurze Zeit, für die Dauer mindestens eines sogenannten Minislots, ermöglicht. Nur wenn innerhalb eines Minislots ein Buszugriff erfolgt, wird der Zeitschlitz auf die für den Zugriff benötigte Zeit verlängert. Damit wird Bandbreite also nur verbraucht, wenn sie auch tatsächlich benötigt wird. FlexRay kommuniziert über eine oder zwei physikalisch getrennte Leitungen mit einer Datenrate von jeweils maximal 10 Mbil/sec. Selbstverständlich kann FlexRay auch mit niedrigeren Datenraten betrieben werden. Die beiden Kanäle entsprechen dabei der physikalischen Schicht, insbesondere des sogenannten OSI (Open System Architecture)- Schichtenmodells. Diese dienen hauptsächlich der redundanten und damit fehlertoleranten Übertragung von Botschaften, können jedoch auch unterschiedliche Botschaften übertragen, wodurch sich dann die Datenrate verdoppeln könnte. Es ist auch denkbar, dass sich das über die Verbindungsleitungen übertragene Signal als ein Differenzsignal als Differenz der über die beiden Leitungen übertragenen Signale ergibt. Die physikalische Schicht ist derart ausgestaltet, dass sie eine elektrische aber auch optische Übertragung des oder der Signale über die Leitung(en) oder eine Übertragung auf anderem Wege, bspw. über Funk, ermöglicht.
Um synchrone Funktionen zu realisieren und die Bandbreite durch kleine Abstände zwischen zwei Botschaften zu optimieren, benötigen die Teilnehmer in dem
Kommunikationsnetzwerk eine gemeinsame Zeitbasis, die sogenannte globale Zeit. Für die Synchronisation von lokalen Uhren der Teilnehmer werden
Synchronisationsnachrichten im statischen Teil des Zyklus übertragen, wobei mit Hilfe eines speziellen Algorithmus entsprechend der FlexRay-Spezifikation die lokale Uhrzeit (lokale Zeitbasis) eines Teilnehmers so korrigiert wird, dass alle lokalen Uhren zu einer globalen Uhr (globale Zeitbasis) synchron laufen. Für die verschiedenen bekannten Kommunikationssysteme gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, Zugriffskonflikte zu vermeiden oder zu lösen. In CAN wird zum Beispiel die sogenannte bitweise Arbitrierung verwendet. Diese ist sehr robust. Durch Laufzeit- Phänomene ist aber die maximale Übertragungsgeschwindigkeit prinzipbedingt limitiert. Bei zeitgesteuerten Kommunikationssystemen wird das Zugriffsproblem per Ansatz und Konfiguration gelöst, die Konflikte werden schon offline vermieden. Voraussetzung ist allerdings ein gemeinsames Verständnis der Zeit, das netzwerkweit Gültigkeit hat (bei FlexRay: globale Zeitbasis). Bei diesen Systemen gibt es aber in der Regel keine Möglichkeit, im Fehlerfall die Zugriffskonflikte zu behandeln, da der Zugriff an sich nicht verhindert werden kann. Deshalb ist es in verschiedenen Kommunikationssystemen, beispielsweise TTP/C oder FlexRay, bekannt, einen sogenannten Bus-Guardian (BG; Buswächter) als zusätzliche Überwachungseinheit einzuführen, der den physikalischen Zugriff auf den Datenbus nur in den vorab konfigurierten Zeitabschnitten erlaubt. Damit ist der Zugriffskonflikt auch im Fehlerfall lösbar bzw. vermeidbar.
Bei TTCAN, einer Kombination aus CAN und zeitgesteuertem Buszugriff, wird der Konflikt über die bitweise Arbitrierung gelöst. Dabei kann es jedoch vorkommen, dass nicht der (zeitlich) richtige Nachrichteninhalt bereitgestellt wird. Der Einsatz eines Bus- Guardian für Nachrichten im statischen Fenster (sogenanntes Static Window) kann bei TTCAN deshalb sinnvoll sein, zum Beispiel für sicherheitsrelevante Systeme wie X-by- Wire-Systeme.
In aktuellen Konzepten wird der lokale Bus-Guardian über den Takt des Bus-Controllers versorgt und dessen Rundeninformation für die Überwachungsfunktion verwendet. Bei der derzeit aktuellen FlexRay- Protokollspezifikation v2.1 wird ein Konzept beschrieben, das bezüglich der zeitlichen Überwachung des Kommunikationsprotokolls bzw. des Kommunikations-Controllers eingeschränkt ist. In dem vorgeschlagenen Konzept taktet ein Makrotick (MT) des lokalen FlexRay-Kommunikations-Controllers seinen lokalen Bus-Guardian. Der Zeitschlitz mit Sendeaktivität wird durch den Kommunikations- Controller zusätzlich durch ein ARM-Signal angezeigt. Das Timing (die zeitlichen
Aktivitäten) des zu überwachenden FlexRay-Kommunikations-Controllers wird lediglich durch einen RC-Oszillator grob überwacht (Abweichungen werden erst ab etwa 30% erkannt) bzw. durch einen zusätzlichen Quarz-Oszillator auch mit höherer Auflösung überwacht.
Prinzipiell bleibt aber das Problem bestehen, dass durch die Makrotick- Versorgung und die ARM-Signale kleinere Uhrendrifts des lokalen Kommunikations-Controllers an den Bus-Guardian übertragen werden. Das bedeutet also, dass falls die Uhrenkorrektur (zur Synchronisation der lokalen Zeitbasis auf die globale Zeitbasis) des FlexRay- Kommunikations-Controllers gemäß der Protokollspezifikation v2.1 fehlerbehaftet arbeitet oder die Einstellung von Stell- Register zur Uhrenkorrektur fehlerhaft und die Fehler unentdeckt sind, der lokale Kommunikations-Controller im Vergleich zum restlichen Kommunikationsnetzwerk driftet. Die Zeitschlitze zum Senden von Nachrichten werden sich mit der Zeit in die Zeitschlitze der anderen Teilnehmer im Netzwerk verschieben, ohne dass der lokale Bus-Guardian diese Situation erfassen und entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten kann. Dieser Problemfall tritt insbesondere bei FlexRay und TTCAN auf.
Ein anderer Problemfall betrifft die Offset- Korrektur der lokalen Zeiten der Teilnehmer, so dass die lokalen Zeiten synchron zu der globalen Zeit des Kommunikationssystems laufen. Eine Offset- Korrektur gibt es beispielsweise bei TTCAN, TTP/C, und FlexRay, wobei bei FlexRay die Offset- Korrekturphase während der sogenannten Network-Idle- Time (NIT) des lokalen Kommunikations-Controllers am Ende eines Kommunikationszyklus erfolgt. Die Korrektur des Offsets am Ende einer Kommunikationsrunde bzw. einer Doppelrunde verkürzt bzw. verlängert die lokale Runde innerhalb vorgegebener spezifizierter Grenzen. Die nächste Kommunikations- runde beginnt aufgrund der Korrektur um einige sogenannte Mikroticks (μT) früher oder später. Der lokale Bus-Guardian muss diese Offset- Korrektur zulassen. Die Timerüberwachung muss dies akzeptieren. Allerdings besteht beim Bus-Guardian kein Wissen bezüglich der Auswirkungen der Offset- Korrektur auf die nächste Kommunikationsrunde. Auch in diesem Fall kann es zum Überschneiden der Sende- Zeitschlitze der verschiedenen Teilnehmer kommen. Die Wahrscheinlichkeit einer Überschneidung erhöht sich mit zunehmender Rundenzahl. Das Bus-Guardian-Konzept gemäß der FlexRay-Protokollspezifikation v2.1 beruht auf der Annahme, dass die beschriebenen Fehlerfälle aufgrund permanenter Störungen nur mit geringer Wahrscheinlichkeit auftreten bzw. diese Störungen oder Fehler durch zusätzliche Maßnahmen im Teilnehmer-Host bzw. durch ergänzende Funktionalitäten erkannt werden können.
In beiden genannten Problemfällen liegt eine permanente Störung des Kommunikations-Controllers vor. Spontane Fehler führen dagegen nicht zu dieser Situation, da das Kommunikationsprotokoll selbst geeignete Korrekturmaßnahmen umfasst bzw. Fehlerbehandlungsmaßnahmen vorsieht, um spontane Fehler zu erkennen, zu korrigieren und zu beheben.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bekannte Überwachungskonzepte derart zu erweitern, dass auch permanente Störungen in der Kommunikation erkannt und gegebenenfalls korrigiert oder behoben werden können.
Ausgehend von der lokalen Überwachungseinheit der eingangs genannten Art wird vorgeschlagen, dass die Überwachungseinheit:
über den Bus-Treiber an den Datenbus angeschlossen ist, eine Dekodiereinheit zum Dekodieren von über den Datenbus und den
Bustreiber empfangenen Nachrichten aufweist, einen Oszillatoranschluss aufweist, - eine Uhrensynchronisationseinheit zur Synchronisation einer lokalen Uhr der
Überwachungseinheit aufweist, eine Bus- Zugriffssteuerungseinheit zum Herstellen eines zeitlichen
Zusammenhangs zwischen empfangenen Nachrichten und einer
Kommunikationsrunde gemäß Protokollspezifikation aufweist, - gemäß Kommunikationsschedule vorgesehene Sendeinformationen des lokalen
Bus-Controllers hat, und eine Vergleichereinheit zur Ermittlung von Abweichungen zwischen den vorgesehenen Sendeinformationen und dem tatsächlichen Buszugriff des Bus- Controllers bzw. des Bus-Treibers auf Grundlage der synchronisierten lokalen Uhr der Überwachungseinheit aufweist.
Dadurch, dass die lokale Überwachungseinheit über dem Bus-Treiber an den Datenbus angeschlossen ist, können über den Datenbus übermittelte Botschaften nicht nur von dem Bus-Controller (bei FlexRay: Kommunikations-Controller), sondern auch von der Überwachungseinheit empfangen werden. Durch die Dekodiereinheit können die empfangenen Nachrichten von der Überwachungseinheit gemäß der in dem Kommunikationssystem eingesetzten Protokollspezifikation dekodiert werden. Durch diese beiden Maßnahmen, Empfangen und Dekodieren von Nachrichten, ist es der erfindungsgemäßen lokalen Überwachungseinheit möglich, über den Datenbus versandte Synchronisationsnachrichten (sogenannte Sync- Frames) zu empfangen und zu verstehen. Über den Oszillatoranschluss kann die Überwachungseinheit einen eigenen, von dem lokalen Bus-Controller völlig unabhängigen Zeittakt erhalten. Bei der Uhrensynchronisationseinheit handelt es sich um eine Logik, durch die es der lokalen Überwachungseinheit möglich ist, eine global synchronisierte Zeitbasis gemäß der in dem Kommunikationssystem zum Einsatz kommenden Protokollspezifikation aufzubauen. Dabei werden die empfangenen, dekodierten und ausgewerteten Synchronisationsnachrichten erfasst und einer internen Korrektur, bspw. einer Rate- und Offset- Korrektur, der lokalen Überwachungseinheit zugeführt. Bei der Bus- Zugriffssteuerungseinheit handelt es sich um eine Logik, die den zeitlichen Zusammenhang zwischen dem Empfang der Synchronisationsnachrichten und den Kommunikationsrunden gemäß der verwendeten Protokollspezifikation herstellen kann. Die Bus-Zugriffssteuerungseinheit wird auch als Media- Access- Control (MAC) bezeichnet. Die Vergleichereinheit (sogenannter Komparator) der lokalen Überwachungseinheit ermittelt Unterschiede zwischen einem Taktsignal der lokalen Überwachungseinheit bzw. den daraus hergeleiteten vorgesehenen Sendeinformationen des Bus-Controllers und dem tatsächlichen Buszugriff des Bus- Controllers. Werden solche Unterschiede festgestellt, wird vorzugsweise ein sogenanntes Fail-Silent- Verhalten der lokalen Überwachungseinheit ausgelöst und damit das Senden des lokalen Bus-Controllers vermieden. Die erfindungsgemäße lokale Überwachungseinheit kann auch als Buswächter oder Bus-Guardian (BG) bezeichnet werden. Eine wesentliche Funktionalität der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit ist die vollständige zeitliche Unabhängigkeit von dem lokalen Bus-Controller bzw. der lokalen Zeitbasis des Bus-Controllers und die Generierung einer eigenen, lokalen Zeitbasis, die zu der globalen Zeit synchronisiert wird. Durch ein Überprüfen der Konsistenz der lokalen Zeitbasis der Überwachungseinheit zu der lokalen Zeitbasis des zugeordneten Bus-Controllers können Zugriffsfehler, insbesondere aufgrund permanenter Störungen, sicher und zuverlässig erkannt werden, selbst bei zunehmender Rundenzahl. Die eingangs beschriebenen Fehlerfälle, insbesondere aufgrund permanenter Störungen, sind mit der vorliegenden Erfindung abgesichert und ein Fail-Silent- Verhalten des gesamten Teilnehmers kann erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die konzeptionellen Schwachstellen der bekannten Bus-Guardian-Konzepte, die bei bisher bekannten Kommunikationssystemen eingesetzt werden. Dabei ist eine kostenoptimierte Realisierung des Bus-Guardian- Konzepts möglich, da nur die für den Empfang, das Dekodieren und Auswerten der Synchronisationsnachrichten notwendigen Logik- Komponenten und Funktionalitäten in der erfindungsgemäßen lokalen Überwachungseinheit vorgesehen sind. Bei den eingesetzten Komponenten handelt es sich durchweg um an sich bekannte und an anderer Stelle in Kommunikationssystemen eingesetzte Komponenten, die nunmehr auf besonders vorteilhafte Weise in die erfindungsgemäße Überwachungseinheit integriert werden. Die in die lokale Überwachungseinheit zusätzlich integrierten Komponenten können also ohne Weiteres auch in anderen Bereichen des
Kommunikationssystems, bspw. im Bus-Controller, eingesetzt werden, so dass sich hohe Stückzahlen der Komponenten ergeben, was zu einer Zuverlässigkeit bei der Fertigung und niedrigen Stückpreisen führt. Außerdem kann das erfindungsgemäße Konzept problemlos in einen sogenannten Überwachungsrechner eines Kommunikationssystems integriert werden. Eine solche zentrale Überwachungseinheit ist nicht einem einzelnen Teilnehmer des Kommunikationssystems zugeordnet, sondern überwacht und steuert vielmehr den Zugriff mehrerer Teilnehmer des Kommunikationssystems auf den Datenbus. Das Konzept des Überwachungsrechners hat den Vorteil, dass nicht für jeden Teilnehmer ein separater Bus-Guardian notwendig ist, sondern dass deren Funktionalitäten in einen einzigen oder mehrere wenige Überwachungsrechner integriert werden können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. Die Anwendung der lokalen Überwachungseinheit gemäß Anspruch 6 eignet sich insbesondere für ein FlexRay- Kommunikationssystem, bei dem der Kommunikations-Controller dem lokalen Bus- Guardian über ein ARM-Signal den Beginn eines Kommunikationszyklus mitteilt. Das Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 7 eignet sich für andere als FleyRay- Kommunikationssysteme, beispielsweise für ein TTCAN-Kommunikationssystem, wo die Sendeinformationen des lokalen Bus-Controllers vorab im Bus-Guardian abgelegt werden können. Die abgelegten Sendeinformationen können beispielsweise zum Generieren eines ARM-Signals herangezogen werden. Über die Referenznachricht wird eine Rundensynchronisation erreicht bzw. plausibilisiert.
Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und weitere Vorteile der Erfindung werden anliegend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur Ia eine vereinfachte Topologie eines erfindungsgemäßen
Kommunikationssystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
Figur Ib eine vereinfachte Topologie eines erfindungsgemäßen
Kommunikationssystems gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
Figur 2 einen aus dem Stand der Technik bekannten Teilnehmer eines
Kommunikationssystems mit bekanntem Bus-Guardian-Konzept; Figur 3 den Verlauf eines Enable-Signals, mit dem ein Bus-Guardian die
Zugriffsberechtigung eines Bus-Controllers bei einem bekannten Teilnehmer gemäß Figur 2 steuert;
Figur 4 einen erfindungsgemäßen Teilnehmer mit einem neuartigen Bus-
Guardian- Konzept gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
Figur 5 den Verlauf eines Teils der Kommunikation über einen Datenbus des Kommunikationssystems gemäß Figur Ia und Ib.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand eines FlexRay- Kommunikationssystems erläutert. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung jedoch auch auf andere Kommunikationssysteme angewandt werden, bei denen bereits jetzt schon andere Bus-Guardian-Konzepte zum Einsatz kommen, oder bei denen das erfindungsgemäße Bus-Guardian-Konzept sinnvoll erscheint und/oder Vorteile bringen würde.
In Figur Ia ist eine vereinfachte Topologie eines an sich bekannten FlexRay- Kommunikationssystems in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das Kommunikationssystem 1 umfasst eine physikalische Schicht, die in dem vorliegenden Fall als ein Datenbus 2 mit zwei elektrisch leitfähigen Leitungen ausgebildet ist. Selbstverständlich kann die physikalische Schicht auch durch optische Lichtwellenleiter oder mittels Funkstrecken realisiert werden. Ebenso ist es denkbar, nicht zwei separate Übertragungskanäle, sondern lediglich einen Kanal vorzusehen. An den Datenbus 2 sind mehrere FlexRay-Teilnehmer 3 angeschlossen, die auch als Steuergeräte oder Hosts bezeichnet werden. Streng genommen umfasst der Host jedoch noch einen Mikrocontroller, der in Figur Ia mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet ist. Somit bilden der Teilnehmer 3 und der Mikrocontroller 4 gemeinsam den eigentlichen Host 5. Die Teilnehmer 3 des FlexRay-Kommunikationssystems umfassen jeweils einen FlexRay-Kommunikations-Controller 6 (sog. Communication Controller), der über den Datenbus 2 zu übertragende Informationen 7 von dem Mikrocontroller 4 empfängt und gemäß der in dem Kommunikationssystem 1 verwendeten Protokollspezifikation, in dem dargestellten Beispiel gemäß der FlexRay- Protokollspezifikation v2.1, in das richtige Datenformat zur Übertragung über den Datenbus 2 bringt. Die Informationen 7 in dem richtigen Datenformat werden an den FlexRay-Bus-Treiber 8 (sog. Bus Driver) des Teilnehmers 3 übertragen, der sie in eine für die Übertragung über den Datenbus 2 erforderliche Form, ebenfalls gemäß der verwendeten Protokoll-Spezifikation, bringt.
Um beispielsweise in sicherheitsrelevanten Applikationen des Kommunikationssystems 1 ein blockieren des Datenbusses 2 durch einen defekten, ständig sendenden Teilnehmer 3 (sog. babbling idiot) zu verhindern, sind in den Teilnehmern 3 Buswächter 9 (sog. Bus Guardian) vorgesehen, welche die Zugriffsberechtigung des
Kommunikations-Controllers 6 überwachen und steuern. Die Bus-Treiber 8 können nur dann Informationen oder Datenpakete an den Datenbus 2 anlegen, wenn sie von dem zugehörigen Bus-Guardian 9 ein entsprechendes Freigabe-Signal (sog. Enable-Signal) 10 erhalten.
Das FlexRay-Kommunikationssystem 1 aus Figur Ia hat eine besonders einfache Topologie. Selbstverständlich kann die Topologie des Datenbusses 2 auch ringförmig oder sternförmig ausgebildet sein. Ebenso ist es denkbar, zur Übertragung der Datenpakete über größere Strecken Verstärkerelemente, beispielsweise als Bestandteil eines Active-Star, in der Datenbus-Struktur 2 anzuordnen.
In Figur Ib ist eine andere Topologie eines an sich ebenfalls bekannten FlexRay- Kommunikationssystems 1 dargestellt. Diese Topologie unterscheidet sich von der aus Figur Ia bekannten Topologie insbesondere dadurch, dass die Teilnehmer 3 des Kommunikationssystems 1 nicht jeweils mit einem separaten Bus-Guardian ausgestattet sind. Vielmehr ist bei der in Figur Ib dargestellten Ausführungsform die Bus-Guardian-Funktionalität aus den einzelnen Teilnehmern 3 zu einem einzigen Überwachungsrechner 11 zusammengefasst werden. Auch der Überwachungsrechner 11 verfügt über einen Kommunikations-Controller 6 und einen Bus-Treiber 8, so dass der Überwachungsrechner 11 Informationen über den Datenbus 2 senden und empfangen kann. Die erweiterten Bus-Guardian-Funktionalitäten (Extended Bus Guardian, BGX) des Überwachungsrechners 11 sind mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet. Der Überwachungsrechner 11 ist vorzugsweise außer über den Datenbus 2 noch über eine andere Kommunikationsverbindung (nicht dargestellt) mit den Teilnehmern 3 verbunden, so dass der Überwachungsrechner 11 die Teilnehmer 3 selbst dann noch ansteuern und gegebenenfalls ihre Sendeaktivität unterbrechen kann, falls einer der Teilnehmer 3 ständig sendet und dadurch den Datenbus 2 für jegliche Datenübertragung durch die übrigen Teilnehmer 3 und den Überwachungsrechner 11 blockiert. Der Überwachungsrechner 11 hat für jeden der Teilnehmer 3 Informationen bezüglich seiner Sendeaktivitäten, überwacht die Sendeaktivitäten der Teilnehmer 3 und steuert sie.
In Figur 2 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter FlexRay-Teilnehmer 3 mit einem bekannten Bus-Guardian-Konzept dargestellt. Das in der FlexRay- Protokollspezifikation v2.1 beschriebene Konzept ist bezüglich der zeitlichen Überwachung des Kommunikationsprotokolls bzw. des Kommunikations-Controllers 6 eingeschränkt. Bei dem Teilnehmer 3 mit dem bekannten Überwachungs-Konzept leitet der Bus-Guardian 9 seine Zeitbasis von dem korrigierten Makrotick (MT)-Signal 13 ab, das er von dem Kommunikations-Controller 6 erhält. Der Zeitschlitz mit Sendeaktivität (Zeitschlitz #2 in Figur 3) wird zusätzlich durch ein ARM-Signal 14 des Kommunikations-Controllers 6 angezeigt. Das ARM-Signal 14 dient zur Synchronisation des Beginns eines Kommunikationszyklus bzw. der Sendeschlitze des Kommunikationszyklus. Die zeitlichen Abfolgen (das sogenannte Timing) des zu überwachenden FlexRay-Kommunikations-Controllers 6 wird lediglich durch einen RC- Oszillator 15 grob überwacht bzw. durch einen zusätzlichen Quarz-Oszillator auch mit höherer Auflösung überwacht. Der RC-Oszillator 15 erlaubt lediglich eine grobe Überwachung des Makrotick-Signals 13, so dass Abweichungen erst oberhalb von 20 bis 30 % des Signals als solche erkannt werden. Somit ist die Zeitbasis des Bus-Guardian 9 nicht unabhängig von der Zeitbasis des Kommunikations-Controllers 6, sondern abhängig von dem Makrotick-Signal 13. Durch die Überwachung dieses Signals 13 mittels des RC-Oszillators 15 kann eine vollständige Unabhängigkeit von der Zeitbasis des Kommunikations-Controllers 6 nicht erzielt werden. Die über den Datenbus 2 zu übertragenden Daten, die der
Kommunikations-Controller 6 an den Bus-Treiber 8 übermittelt, sind in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet. Die Daten 16 werden über den Bus-Treiber 8 an den Datenbus 2 angelegt. Die Tätigkeit des Bus-Treibers 8 wird aber durch den Bus- Guardian 9 so weit überwacht und/oder gesteuert, dass der Bus-Treiber 8 die Daten 16 nur dann an den Datenbus 2 anlegen kann, wenn der Bus-Guardian 9 die
Zugriffsberechtigung des Bus-Treibers 8 bestätigt, indem er ein Enable-Signal 17 an den Bus-Treiber 8 anlegt.
Das bekannte Überwachungs- Konzept hat insbesondere in den Fällen Schwächen, in denen permanente Störungen vorliegen, die aufgrund von Fehlern oder
Ungenauigkeiten in dem Kommunikations-Controller 6 zu einer schleichenden Verschiebung der Sende-Zeitschlitze des Teilnehmers 3 in die anderen Sende- Zeitschlitze der übrigen Teilnehmer 3 des Kommunikationszyklus. Solche schleichenden Fehler im Timing können durch das bekannte Konzept nicht erkannt werden, obwohl sie dem Kommunikations-Schedule des Kommunikationssystems 1 widersprechen. So besteht beispielsweise ein Problem, dass durch die Makrotick- Versorgung 13 und die ARM-Signale 14 minimale Uhrendrifts des lokalen Kommunikations-Controllers 6 an den Bus-Guardian 9 übertragen werden können. Falls also die Uhrenkorrektur des FlexRay-Kommunikations-Controllers 6 gemäß der Protokollspezifikation v2.1 fehlerbehaftet arbeitet oder die Einstellung von Stell-
Registern des Kommunikations-Controllers 6, die zur Uhrenkorrektur herangezogen werden, fehlerbehaftet und unentdeckt sind, driftet der lokale Kommunikations- Controller 6 und damit auch der lokale Bus-Guardian 9 im Vergleich zum restlichen Kommunikationsnetzwerk 1. Da der Kommunikations-Controller 6 und der Bus- Guardian 9 gemeinsam driften, kann der Bus-Guardian 9 auch keine Abweichungen der Sendeaktivität des Kommunikations-Controllers 6 von dem Kommunikations-Schedule erkennen. Die Sendeschlitze des Kommunikationszyklus für den Teilnehmer 3, dessen Kommunikations-Controller 6 Fehler oder Ungenauigkeiten in der lokalen Zeitbasis aufweist, werden sich mit der Zeit also in die Sende-Zeitschlitze der anderen Teilnehmer 3 in dem Kommunikationsnetzwerk 1 schieben, ohne dass der lokale Bus- Guardian 9 diese Situation erfassen und entsprechende Reaktionen auslösen könnte.
Einen anderen Problemfall stellt die sogenannte Offset- Korrekturphase während der sogenannten Network IdIe Time (NIT) des lokalen Kommunikations-Controllers 6 am Ende eines Kommunikationszyklus dar. Die Offset- Korrekturphase dient unter anderem zur Synchronisation der lokalen Zeitbasis des Teilnehmers 3 auf die globale Zeitbasis des Kommunikationssystems 1. Um eine solche Korrektur vorzunehmen, darf in spezifizierten Grenzen korrigiert werden. Die nachfolgende Kommunikations- Runde beginnt dann um einige Mikroticks (μT) früher oder später. Der lokale Bus-Guardian 9 muss diese Korrektur zulassen. Die Timer-Überwachung muss dies akzeptieren. Es besteht jedoch kein Bus-Guardian-Wissen bezüglich der Auswirkungen der Offset- Korrektur auf die nächste Kommunikations- Runde. Auch in diesem Fall kann es zum Überschneiden der Sende-Zeitschlitze kommen. Die Wahrscheinlichkeit einer solchen Überschneidung erhöht sich mit zunehmender Rundenzahl.
In Figur 3 ist der Verlauf des Enable-Signals 17 des in Figur 2 dargestellten bekannten Teilnehmers 3 mit dem bekannten Überwachungskonzept dargestellt. Der dargestellte Teilnehmer 3 darf lediglich in dem Sendeschlitz #2 senden, so dass das Enable-Signal 17 für den dargestellten Teilnehmer 3 während des gesamten Sendeschlitzes #2 das Senden von Daten durch den Bus-Treiber 8 erlauben muss. Zur Sicherheit wechselt das Enable-Signal 17 eine kurze Zeit vor Beginn des Sendeschlitzes #2 von "Disable" auf "Enable" und erst einige Zeit nach dem Ende des Sendeschlitzes #2 von "Enable" wieder auf "Disable".
In Figur 4 ist ein erfindungsgemäßer Teilnehmer 3 eines Kommunikationssystems 1 dargestellt, in dem das neuartige Überwachungskonzept realisiert ist. Insbesondere der Bus-Guardian 9 des erfindungsgemäßen Teilnehmers 3 ist zur Realisierung der vorliegenden Erfindung in besonderer Weise ausgestaltet. Daraus ergibt sich als ein wesentlicher Unterschied zu den bekannten Teilnehmern 3, dass der Bus-Guardian 9 eine eigene lokale, von der Zeitbasis des Kommunikations-Controllers 6 völlig unabhängige Zeitbasis hat. Diese lokale Zeitbasis des Bus-Guardians 9 wird ebenso wie die Zeitbasis der Kommunikations-Controller 6 aller Teilnehmer 3 auf die globale Zeitbasis des Kommunikations-Systems 1 synchronisiert. Anhand der lokalen, unabhängigen Zeitbasis des erfindungsgemäßen lokalen Bus-Guardians 9 findet dann eine Bewertung und Steuerung der Zugriffsaktivitäten des Bus-Treibers 8 auf den Datenbus 2 statt.
Der Bus-Guardian 9 enthält zur Realisierung des neuartigen Überwachungs- Konzepts im Wesentlichen die nachfolgenden Komponenten:
Einen Anschluss 18, der zum Anschluss des Bus-Guardian 9 an den Datenbus
2 über den Bus-Treiber 8 dient.
Eine Dekodiereinheit 19 zum Dekodieren von über den Datenbus 2 und den Bus-Treiber 8 empfangenen Nachrichten.
Einen Oszillatoranschluss 20, über den ein Quarzoszillator 21 angeschlossen werden kann und dem Bus-Guardian 9 ein Taktsignal 22 übermitteln kann. Eine Uhrensynchronisationseinheit 23 zur Synchronisation der lokalen Uhr des Bus-Guardian 9 an die globale Zeitbasis des Kommunikationssystems 1, die dem Bus-Guardian 9 über Synchronisations- Nachrichten, die über den
Datenbus 2 übertragen werden, mitgeteilt wird. Eine Bus-Zugriffssteuerungseinheit 24 zum Herstellen eines zeitlichen Zusammenhangs zwischen empfangenen Nachrichten und einem Kommunikationszyklus gemäß der FlexRay-Protokollspezifikation. - Informationen über gemäß Kommunikationsschedule vorgesehene
Sendezeitpunkte des lokalen Kommunikations-Controllers 6, welche der Bus- Guardian 9 in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 4 über das Arm-Signal 14 erhält. Eine Vergleichereinheit 25, die zur Ermittlung von Abweichungen zwischen den vorgesehenen Sendeinformationen gemäß dem ARM-Signal 14 und dem tatsächlichen Buszugriff auf Grundlage der synchronisierten lokalen Zeitbasis des Bus-Guardians 9 dient. Der Anschluss 18 und die Dekodiereinheit 19 werden benötigt, um über den Datenbus 2 übertragene FlexRay- Datenrahmen, insbesondere die Synchronisationsnachrichten (sog. Sync- Frames), über den Bus-Treiber 8 empfangen zu können. Damit wird in der Uhrensynchronisationseinheit 23 mit Hilfe des Taktsignals 22 des Oszillators 21 eine eigene Zeitbasis nach den Regeln der FlexRay- Protokollspezifikation v2.1 aufgebaut. Auf Grundlage dieser eigenen lokalen Zeitbasis wird in der Bus- Zugriffssteuerungseinheit 24, die auch als Media Access Control (MAC) bezeichnet wird, die Konsistenz zum lokalen Kommunikations-Controller 6 überprüft. Der Komparator 25 stellt die erweiterte Funktionalität des Bus-Guardians 9 zur
Überwachung der Zeitinformation des lokalen Kommunikations-Controllers 6 aufgrund der unabhängigen lokalen Zeitbasis des Bus-Guardians 9 dar. Damit sind die eingangs beschriebenen Fehlerfälle, insbesondere aufgrund permanenter Störungen der Zeitbasis des Kommunikations-Controllers 6, abgesichert und ein Fail-Silent-Verhalten des gesamten Hosts 5 sichergestellt.
In Figur 5 sind mehrere Kommunikationszyklen auf dem Datenbus 2 beispielhaft dargestellt. Jeder Kommunikationszyklus umfasst in dem dargestellten Beispiel vier Sendeschlitze #1 bis #4. Der Teilnehmer 3 aus Figur 4 darf in dem Sendeschlitz #2 über den Datenbus 2 senden. Das bedeutet also, dass das Enable-Signal zumindest für die Dauer des gesamten Sendeschlitzes #2 auf "Enable" liegen muss. In dem vorangegangenen Zeitschlitz #1 und in dem nachfolgenden Zeitschlitz #3 werden Synchronisationsnachrichten S über den Datenbus 2 übermittelt, die von den Teilnehmern 3 empfangen und zur Synchronisation der lokalen Zeitbasen in den Kommunikations-Controllern 6 der Teilnehmer 3 herangezogen werden. Bei dem erfindungsgemäßen Überwachungs-Konzept werden die Synchronisationsnachrichten S zusätzlich auch zur Synchronisation der Bus-Guardians 9 herangezogen. Dazu werden die Nachrichten S von dem Bus-Treiber 8 eines Teilnehmers 3 empfangen und über eine Verbindungsleitung (Sync) 26 an den Anschluss 18 des Bus-Guardians 9 gelegt. Dort werden sie in der oben beschriebenen Weise decodiert und zur Synchronisation der von der Zeitbasis des Kommunikations-Controllers 6 unabhängigen eigenen lokalen Zeitbasis des Bus-Guardians 9 herangezogen. Die vorliegende Erfindung beseitigt die konzeptionellen Schwachstellen von bekannten Bus-Guardian-Konzepten in der FlexRay-Protokollspezifikation v2.1, sowie in anderen Protokollspezifikationen. Dabei ist eine kostenoptimierte Realisierung möglich, da nur notwendige Logik bzw. Funktionalität den Bus-Guardian 9 erweitert. In dem erfindungsgemäßen Bus-Guardian 9 können viele Komponenten (Hardware- Beschreibungen) aus existierenden Kommunikations-Controllern 6 oder anderen Bauteilen eines Kommunikationssystems übernommen werden.
Das oben anhand der Figuren 4 und 5 beschriebene neuartige Überwachungskonzept kann nicht nur in die lokalen Bus-Guardians 9 der Teilnehmer 3 des Kommunikationssystems 1 integriert werden, sondern könnte auch in einen Überwachungsrechner 11 zu einer erweiterten Bus-Guardian-Funktionalität 12 (BGX) zusammengefasst sein (vergleiche Figur Ib). Damit wäre das erfindungsgemäße Bus- Guardian- Konzept also nicht in jedem einzelnen Teilnehmer 3 des
Kommunikationssystems 1 realisiert, sondern lediglich in einem oder mehreren Überwachungsrechnern 11, die jeweils die Zugriffsberechtigung der Bus-Treiber 8 mehrerer Teilnehmer 3 des Kommunikationssystems 1 überwachen und/oder steuern.

Claims

Ansprüche
1. Einem Bus-Controller (6) eines Teilnehmers (3) eines Kommunikationssystems (1) lokal zugeordnete Überwachungseinheit (9) zur Überwachung und/oder Steuerung des Zugriffs auf einen Datenbus (2) gemäß einem bestimmten Protokoll, wobei der Bus-Controller (6) über einen Bus-Treiber (8) auf den Datenbus (2) zugreift und die Überwachungseinheit (9) die Zugriffsberechtigung des Bus-Treibers (8) gemäß Protokollspezifikation überwacht und steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (9)
über den Bus-Treiber (8) an den Datenbus (2) angeschlossen ist,
- eine Dekodiereinheit (19) zum Dekodieren von über den Datenbus (2) und den Bus-Treiber (8) empfangenen Nachrichten aufweist,
einen Oszillatoranschluss (20) aufweist,
eine Uhrensynchronisationseinheit (23) zur Synchronisation einer lokalen Uhr der Überwachungseinheit (9) aufweist,
- eine Bus- Zugriffssteuerungseinheit (24) zum Herstellen eines zeitlichen Zusammenhangs zwischen empfangenen Nachrichten und einer Kommunikationsrunde gemäß Protokollspezifikation aufweist,
gemäß Kommunikationsschedule vorgesehene Sendeinformationen des lokalen Bus-Controllers (6) hat, und
- eine Vergleichereinheit (25) zur Ermittlung von Abweichungen zwischen den vorgesehenen Sendeinformationen und dem tatsächlichen Buszugriff auf Grundlage der synchronisierten lokalen Uhr der Überwachungseinheit (9) aufweist.
2. Überwachungseinheit (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Oszillatoranschluss (20) das Bit- Decoding ermöglicht.
3. Überwachungseinheit (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Uhrensynchronisationseinheit (23) die lokale Uhr der Überwachungseinheit
(9) auf eine global synchronisierte Zeitbasis des Kommunikationssystems (1) synchronisiert.
4. Überwachungseinheit (9) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Uhrensynchronisationseinheit (23) die lokale Uhr der Überwachungseinheit (9) in Abhängigkeit von über den Datenbus (2) und den Bus-Treiber (8) empfangener Synchronisationsnachrichten (S) synchronisiert.
5. Überwachungseinheit (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Uhrensynchronisationseinheit (23) zur Synchronisation der lokalen Uhr der Überwachungseinheit (9) eine Offset- Korrektur und/oder eine Rate-Korrektur ausführt.
6. Überwachungseinheit (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (9) die gemäß Kommunikationssche- dule vorgesehenen Sendeinformationen des lokalen Bus-Controllers (6) in Form eines entsprechenden Signals (14) von dem Bus-Controller (6) empfängt.
7. Überwachungseinheit (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß Kommunikationsschedule vorgesehenen Sendeinformationen des lokalen Bus-Controllers (6) in der Überwachungseinheit (9) abgelegt sind.
8. Überwachungseinheit (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Überwachungseinheit (9) als ein Bus-Guardian eines Flex-
Ray- Kommunikationssystems (1) ausgebildet ist.
9. Teilnehmer (3) eines einen Datenbus (2) umfassenden Kommunikationssystems
(1), wobei der Teilnehmer (3) einen Bus-Controller (6) und einen Bus-Treiber (8) aufweist, wobei der Bus-Controller (6) über den Bus-Treiber (8) an den Datenbus (2) angeschlossen ist, und wobei der Teilnehmer (3) eine dem Bus- Controller (6) zugeordnete Überwachungseinheit (9) zur Überwachung und/oder
Steuerung der Zugriffsberechtigung des Bus-Treibers (8) auf den Datenbus (2) gemäß einer bestimmten Protokollspezifikation aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (9)
über den Bus-Treiber (8) an den Datenbus (2) angeschlossen ist,
- eine Dekodiereinheit (19) zum Dekodieren von über den Datenbus (2) und den
Bus-Treiber (8) empfangenen Nachrichten aufweist,
einen Oszillatoranschluss (20) aufweist,
eine Uhrensynchronisationseinheit (23) zur Synchronisation einer lokalen Uhr der Überwachungseinheit (9) aufweist,
- eine Bus- Zugriffssteuerungseinheit (24) zum Herstellen eines zeitlichen Zusammenhangs zwischen empfangenen Nachrichten und einer Kommunikationsrunde gemäß Protokollspezifikation aufweist,
gemäß Kommunikationsschedule vorgesehene Sendeinformationen des lokalen Bus-Controllers (6) hat, und
- eine Vergleichereinheit (25) zur Ermittlung von Abweichungen zwischen den vorgesehenen Sendeinformationen und dem tatsächlichen Buszugriff auf Grundlage der synchronisierten lokalen Uhr der Überwachungseinheit (9) aufweist.
10. Teilnehmer (3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwa- chungseinheit (9) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8 ausgebildet ist.
11. Zentrale Überwachungseinheit (11) eines Kommunikationssystems (1) zur Cl- berwachung und Steuerung des Zugriffs mehrerer Teilnehmer (3) des Kommunikationssystems (1) auf einen Datenbus (2) des Kommunikationssystems (1), wobei jeder Teilnehmer (3) einen Bus-Controller (6) und einen Bus-Treiber (8) aufweist, wobei der Bus-Controller (6) über den Bus-Treiber (8) an den Datenbus (2) angeschlossen ist, und wobei die Überwachungseinheit (9) die Zugriffsberechtigung des Bus-Treibers (8) mehrerer Teilnehmer (3) des Kommunikationssystems (1) auf den Datenbus (2) gemäß einer bestimmten Protokollspezifikation überwacht und/oder steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Überwachungseinheit (11):
über den Bus-Treiber (8) an den Datenbus (2) angeschlossen ist,
eine Dekodiereinheit (19) zum Dekodieren von über den Datenbus (2) und den Bus-Treiber (8) empfangenen Nachrichten aufweist,
einen Oszillatoranschluss (20) aufweist,
- eine Uhrensynchronisationseinheit (23) zur Synchronisation einer lokalen Uhr der Überwachungseinheit (9) aufweist,
eine Bus- Zugriffssteuerungseinheit (24) zum Herstellen eines zeitlichen Zusammenhangs zwischen empfangenen Nachrichten und einer Kommunikationsrunde gemäß Protokollspezifikation aufweist,
- gemäß Kommunikationsschedule vorgesehene Sendeinformationen des lokalen
Bus-Controllers (6) hat, und
eine Vergleichereinheit (25) zur Ermittlung von Abweichungen zwischen den vorgesehenen Sendeinformationen und dem tatsächlichen Buszugriff auf Grundlage der synchronisierten lokalen Uhr der Überwachungseinheit (9) auf- weist.
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