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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrocontroller mit mindestens zwei Kernen, sowie ein Sicherheitssystem zur Fehlersicherung eines Steuergeräts.
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Stand der Technik
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Herkömmlicherweise gibt es Sicherheitssteuerungen für technische Anlagen, wie beispielsweise Werkzeugmaschinen, Druckmaschinen, Airbags in Kraftfahrzeugen usw., die durch ein elektrisches, elektronisches und/oder programmierbar elektronisches System gesteuert werden. Ein solches System ist zumeist aus mindestens einer integrierten Schaltung aufgebaut. Der Hauptbestandteil einer solchen integrierten Schaltung ist üblicherweise ein Mikrocontroller, welcher Speicher (z.B. RAM, ROM), einen Zeitgeber bzw. Timer, mindestens einen Mikroprozessor (CPU), einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und ein die Speicher, den Zeitgeber, die CPU(s), und die Eingangs-/ Ausgangsanschlüsse miteinander verbindendes Bussystem aufweist. Der Mikrocontroller dient zur zentralen Steuerung des elektrischen, elektronischen und/oder programmierbar elektronischen Systems. Ist die Funktion des Mikrocontrollers aufgrund eines Fehlers, wie beispielsweise Überhitzung oder Überlastung beeinträchtigt, oder fällt der Mikrocontroller aufgrund eines Fehlers sogar ganz aus, ist die Funktion der gesamten zu steuernden technischen Anlage nicht mehr gewährleistet. Daher ist es von erheblicher Bedeutung, einen Ausfall des diese technischen Anlagen steuernden Mikrocontrollers zu vermeiden, bzw. die von dem Mikrocontroller gesteuerte technische Anlage in einen fehlersicheren Betrieb zu überführen.
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Mikrocontroller können mit Mehrkernprozessoren ausgestattet sein, die mehr als einen Prozessorkern aufweisen (sog. Multi-Core-Prozessoren). Dabei können die auszuführenden Funktionen, Anwendungen bzw. Prozesse zweckmäßig auf die einzelnen Kerne des Mikrocontrollers verteilt werden, um beispielsweise freie Rechenleistungen oder Kapazitäten der einzelnen Kerne optimal auszunutzen. Essentielle, sicherheitsrelevante Funktionen können dabei auf sämtliche Kerne des Mikrocontrollers verteilt sein. Jeder der Kerne des Mikrocontrollers muss daher gegen Ausfall und vor Fehlern geschützt sein.
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In der
DE 10 2009 015 683 A1 wird ein Sicherheitssystem zur Sicherung eines Mehrkernprozessors beschrieben. Eine externe Überwachungseinrichtung (sog. Watchdog) ist dabei mit den einzelnen Kernen des Mehrkernprozessors verbunden und überwacht diese. Dabei muss eine Schnittstelle zwischen der Überwachungseinrichtung und jedem einzelnen der Kerne des Mehrkernprozessors eingerichtet werden. Die einzelnen Schnittstellen müssen auf Hardware-Basis in die Überwachungseinheit und in den Mehrkernprozessor implementiert werden, was relativ aufwändig ist.
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Es ist wünschenswert, einen Mikrocontroller mit mehreren Kernen bereitzustellen, wobei die einzelnen Kerne des Mikrocontrollers auf einfache, aber sichere Weise gegen Ausfall und Fehler geschützt sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Mikrocontroller mit mindestens zwei Kernen, sowie ein Sicherheitssystem zur Fehlersicherung eines Steuergeräts mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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In einem erfindungsgemäßen Mikrocontroller weist ein zweiter Kern, insbesondere jeder der einzelnen Kerne des Mikrocontrollers, eine Sicherheitseinheit auf. Eine Überwachungseinheit eines ersten Kerns ist mit der Sicherheitseinheit des zweiten Kerns bzw. insbesondere mit der Sicherheitseinheit eines jeden anderen Kerns des Mikrocontrollers verbunden. Der erste Kern bzw. die Überwachungseinheit des ersten Kerns überwacht somit wenigstens den zweiten Kern und insbesondere alle anderen Kerne des Mikrocontrollers. Die Überwachung der Sicherheitseinheit durch die Überwachungseinheit kann grundsätzlich entsprechend einer Frage-Antwort-Überwachung stattfinden, wie sie beispielsweise in der Veröffentlichung "Standardisiertes E-GAS Überwachungskonzept für Benzin und Diesel Motorsteuerungen. Arbeitskreis EGAS / 16.05.2013 / Version 5.5" als Ebene-3-Überwachung beschrieben wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass zwar in der nachfolgenden Beschreibung zumeist die Rede von zwei Kernen ist. Die Erfindung und ihre Ausführungen sollen allerdings nicht auf zwei Kerne beschränkt sein, sondern können auf beliebig viele Kerne erweitert werden. Insbesondere gelten die nachfolgenden Erläuterungen in Bezug auf den zweiten Kern in analoger Weise für mehrere der Kerne und insbesondere für alle anderen Kerne des Mikrocontrollers.
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Vorteile der Erfindung
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Im Zuge der Überprüfung, ob der zweite Kern die vorbestimmten Sicherheitskriterien erfüllt, überprüft die Überwachungseinheit insbesondere, ob der zweite Kern bestimmte Fragen mit einer vorbestimmten Antwort beantwortet. Antwortet der zweite Kern nicht in der vorbestimmten Weise, kann der zweite Kern sicherheitsrelevante Funktionen nicht mehr entsprechend vorbestimmter Sicherheitskriterien ausführen. Die Überwachungseinheit überprüft somit, ob der zweite Kern noch für einen sichereren Betrieb des Mikrocontrollers geeignet ist. Weist der zweite Kern einen Fehler auf oder fällt der zweite Kern aus, wird dies durch die Überwachungseinheit erkannt und die Überwachungseinheit kann entsprechende Maßnahmen ergreifen. Die Überwachungseinheit bzw. der erste Kern sichert den zweiten Kern somit gegen Ausfall ab.
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Durch die erste Sicherheitseinheit bzw. durch die erste Schnittstelle ist der erste Kern mit einer externen Überwachungseinheit (sog. Überwachungsrechner bzw. Watchdog) verbindbar. Unter externer Überwachungseinheit ist dabei zu verstehen, dass die externe Überwachungseinheit kein Teil des Mikrocontrollers ist.
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Der erste Kern kann dabei insbesondere mittels einer externen Überwachungseinheit überwacht werden. Der erste Kern ist demgemäß ein gegen einen Ausfall abgesicherter, überwachter Kern, der wiederum die restlichen Kerne des Mikrocontrollers gegen einen Ausfall absichert und überwacht. Die Schnittstelle zwischen erster Sicherheitseinheit und externer Überwachungseinrichtung kann beispielsweise eine SPI-Schnittstelle sein (Serial Peripheral Interface).
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Um zu überprüfen, ob der zweite Kern die vorbestimmten Sicherheitskriterien erfüllt, können spezielle Algorithmen auf dem ersten und/oder dem zweiten Kern implementiert werden. Diese Algorithmen ermöglichen eine entsprechende Kommunikation zwischen der Überwachungseinheit und der Sicherheitseinheit des zweiten Kerns. Für diese Kommunikation zwischen dem ersten und dem zweiten Kern können insbesondere Kommunikationsschnittstellen genutzt werden, die bereits in dem Mikrocontroller vorhanden sind, beispielsweise ein RAM. Es müssen somit keine zusätzlichen Hardwarebauteile in den Mikrocontroller implementiert werden.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß der zweite Kern bzw. sämtliche andere Kerne durch den ersten Kern abgesichert werden, ergeben sich erhebliche Vorteile gegenüber einem Mikrocontroller, in dem alle Kerne mittels einer externen Überwachungseinheit abgesichert sind. Hierzu müsste ein mit der externen Überwachungseinheit verbundener Kern stets auf Daten bzw. eine Rückantwort der anderen Kerne warten, damit er sämtliche Daten bzw. Rückantworten zusammenführen und gemeinsam an die externe Überwachungseinheit übermitteln kann. Dies würde aufgrund von Randbedingungen des Betriebssystems (Jitter von Softwaretasks) zu einer signifikanten Verlängerung einer Fehlerlatenzzeit führen. Zwar könnte die Fehlerlatenzzeit konstant gehalten werden, dies würde allerdings zu einer eingeschränkten Verfügbarkeit des Mikrocontrollers führen.
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Da durch die Erfindung insbesondere jeder der Kerne des Mikrocontrollers überwacht und gegen einen Ausfall abgesichert ist, können auszuführenden Funktionen, Anwendungen und Prozesse beliebig auf die einzelnen Kerne verteilt werden. Es ist nicht notwendig, dass sämtliche sicherheitsrelevante Funktionen auf einem bestimmten Kern ablaufen, der beispielsweise als einziger der Kerne gegen Ausfall abgesichert ist. Die einzelnen Anwendungen und Funktionen können somit zweckmäßig aufgrund von freien Rechenleistungen oder Kapazitäten der einzelnen Kerne verteilt werden.
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Vorzugsweise ist die Überwachungseinheit dazu eingerichtet, den zweiten Kern zu deaktivieren bzw. eine Leistungsendstufe zu deaktivieren, wenn der zweite Kern die vorbestimmten Sicherheitskriterien nicht erfüllt. Die Überwachungseinheit kann dafür insbesondere einen Ausgang aufweisen, über welchen ein spezielles Signal ausgegeben wird, wenn der zweite Kern die vorbestimmten Sicherheitskriterien nicht erfüllt. Des Weiteren können Maßnahmen in die Wege geleitet werden, um den Mikrocontroller in einen sicheren Betriebszustand zu überführen. Beispielsweise können für einen fehlerfreien Betrieb des Mikrocontrollers essentielle Funktionen und Prozesse des zweiten Kerns auf andere Kerne des Mikrocontrollers verteilt werden oder der Mikrocontroller kann in einem speziellen Notfall-Betriebsmodus betrieben oder abgeschaltet werden.
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Vorteilhafterweise ist die Sicherheitseinheit des ersten Kerns über die Schnittstelle mit der externen Überwachungseinheit verbunden. Die externe Überwachungseinheit überwacht somit den ersten Kern auf die gleiche Art, wie der erste Kern den zweiten Kern überwacht. Die externe Überwachungseinheit ist insbesondere als eine Watchdog-Einheit ausgebildet. Dabei kann insbesondere eine herkömmliche Überwachungseinheit bzw. Watchdog-Einheit genutzt werden, die auf herkömmliche Weise dazu eingerichtet ist, eine Komponente zu überwachen. An dieser herkömmlichen Überwachungseinheit bzw. Watchdog-Einheit müssen keinerlei Veränderungen vorgenommen werden. Weder müssen Hardwarebauteile hinzugefügt werden, noch muss dessen Programmierung geändert werden. Es muss keine neue Chipentwicklung der herkömmlichen Überwachungseinheit bzw. Watchdog-Einheit durchgeführt werden und ein bestehendes Design der herkömmlichen Überwachungseinheit bzw. Watchdog-Einheit kann beibehalten werden. Herkömmliche Überwachungseinheiten bzw. Watchdog-Einheiten weisen insbesondere eine einzige Schnittstelle auf, über die sie mit der jeweiligen zu überwachenden Komponente verbunden sind. Dadurch, dass der erfindungsgemäße Mikrocontroller nur eine externe Schnittstelle in Form der Schnittstelle der ersten Sicherheitseinheit aufweist, ist der erfindungsgemäße Mikrocontroller für die Nutzung mit einer herkömmlichen Überwachungseinheit bzw. Watchdog-Einheit geeignet.
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Bevorzugt ist die externe Überwachungseinheit dazu eingerichtet, den Mikrocontroller zu deaktivieren, wenn der erste Kern die vorgebestimmten Sicherheitskriterien nicht erfüllt. Für diesen Fall, dass der erste Kern einen Fehler aufweist oder ausfällt, kann die Überwachung des zweiten Kerns bzw. der restlichen Kerne nicht mehr von der Überwachungseinheit des ersten Kerns durchgeführt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist auch der zweite Kern eine Überwachungseinheit auf, um den ersten Kern zu überwachen. Dadurch können Fehlerlatenzzeiten für alle Kerne reduziert werden, da Parameter der Überprüfung zwischen den einzelnen Kernen leichter zu variieren sind als gegenüber der externen Überwachungseinheit. Fehler oder ein Ausfall eines der Kerne können somit schneller erkannt werden. Die Sicherheitseinheit des ersten Kerns ist dazu mit der Überwachungseinheit des zweiten Kerns und mit der externen Überwachungseinheit verbindbar, entweder über die bereits erwähnte Schnittstelle oder über eine weitere Schnittstelle. Alternativ kann der erste Kern auch zwei Sicherheitseinheiten aufweisen, von denen eine mit der externen Überwachungseinheit verbindbar ist und von denen die andere mit der Überwachungseinheit des zweiten Kerns verbunden ist.
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Bevorzugt führt die Überwachungseinheit des ersten Kerns im Zuge der Überprüfung, ob der zweite Kern die vorbestimmten Sicherheitskriterien erfüllt, eine Frage/Antwort-Kommunikation mit dem zweiten Kern durch. Die Überwachungseinheit stellt dabei Anfragen an die Sicherheitseinheit des zweiten Kerns und diese übermittelt der Überwachungseinheiten Antworten auf diese Anfragen. Auf jede Anfrage existiert eine vorbestimmte Antwort. Die Überwachungseinheit überprüft, ob die Antwort der zweiten Sicherheitseinheit dieser vorbestimmten erwarteten Antwort entspricht. Ist dies nicht der Fall, deutet dies auf einen Fehler bzw. einen Ausfall des zweiten Kerns hin. Vorteilhafterweise wird diese Frage/Antwort Kommunikation mittels eines Program Flow Checks realisiert. Die Überwachungseinheit und die zweite Sicherheitseinheit sind dabei dazu eingerichtet, einen Program Flow Check durchzuführen. Im Zuge dessen bietet es sich insbesondere an, dass die Überwachungseinheit als eine Watchdog-Einheit ausgebildet ist. Analoge Ausführungen gelten für die externe Überwachungseinheit und die erste Sicherheitseinheit bzw. für die zweite Überwachungseinheit und die erste (bzw. vierte) Sicherheitseinheit.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Sicherheitssystem zur Fehlersicherung eines Steuergeräts mit einem erfindungsgemäßen Mikrocontroller. Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäßen Sicherheitssystems ergeben sich aus der obigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Mikrocontrollers in analoger Art und Weise.
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Ein erfindungsgemäßer Mikrocontroller bzw. ein erfindungsgemäßes Sicherheitssystem können in vielen Bereichen Anwendung finden und sind insbesondere für Steuergeräte zur Steuerung von technischen Anlagen geeignet, in denen es aus Sicherheitsgründen zum Schutz von Menschenleben oder zur Vermeidung eines großen wirtschaftlichen Schadens notwendig ist, einen Ausfall dieses die technische Anlage steuernden Steuergeräts zu vermeiden bzw. die von dem Steuergerät gesteuerte technische Anlage in einen fehlersicheren Betrieb zu überführen. Derartige technische Anlagen können beispielsweise Werkzeugmaschinen, Druckmaschinen, Kernkraftwerken, Eisenbahnen, Flugzeugen oder Kraftfahrzeugen sein. In Kraftfahrzeugen eignet sich die Erfindung insbesondere für Steuergeräte zur Motorsteuerung und/oder Hybridsteuerung, sowie zur Steuerung von Airbag, ESP, Lenkungssteuergeräte usw.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrocontrollers.
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2 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrocontrollers.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrocontrollers schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet. Der Mikrocontroller weist einen Multicore-Prozessor 10 mit drei Kerne 11, 12 und 13 auf.
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Ein erster Kern 11 weist eine erste Sicherheitseinheit 21 auf, ein zweiter Kern 12 weist eine zweite Sicherheitseinheit 22 auf und ein dritter Kern 13 weist eine dritte Sicherheitseinheit 23 auf. Der erste Kern 11 weist weiterhin eine Überwachungseinheit 30 auf, die sowohl mit der zweiten Sicherheitseinheit 22 des zweiten Kerns 12, als auch mit der dritten Sicherheitseinheit 23 des dritten Kerns 13 verbunden ist. Mittels einer Schnittstelle 40 ist die erste Sicherheitseinheit 21 mit einer externen Überwachungseinheit 31 verbunden. Die Überwachungseinheit 30 und die externen Überwachungseinheit 31 sind jeweils als eine Watchdog-Einheit ausgebildet.
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Um zu überprüfen, ob der zweite Kern 12 und der dritte Kern 13 vorbestimmte Sicherheitskriterien erfüllen, führt die Überwachungseinheit 30 mit der zweiten Sicherheitseinheit 22 und der dritten Sicherheitseinheit 23 jeweils einen Program Flow Check durch. Die Überwachungseinheit 30 sendet dabei an die zweite Sicherheitseinheit 22 und die dritte Sicherheitseinheit 23 jeweils bestimmte Anfragen, angedeutet durch die Bezugszeichen 22a und 23a. Die zweite Sicherheitseinheit 22 und die dritte Sicherheitseinheit 23 senden jeweils Antworten an die Überwachungseinheit 30, angedeutet durch die Bezugszeichen 22b und 23b. Die Überwachungseinheit 30 überprüft, ob die Antworten mit vorbestimmten Antworten übereinstimmen, welche auf die jeweiligen Anfragen erwarteten werden.
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Durch diese Frage/Antwort-Kommunikation 22a/22b bzw. 23a/23b zwischen der Überwachungseinheit 30 und der zweiten Sicherheitseinheit 22 bzw. der dritten Sicherheitseinheit 23 überprüft die Überwachungseinheit 30, ob der zweite Kern 12 bzw. der dritte Kern 13 jeweils sicherheitsrelevante Funktionen in einem vorbestimmten Zeitintervall ausführt und sicherheitsrelevante Funktionen in einer vorbestimmten Reihenfolge ausführt. Ist dies der Fall, erfüllt der zweite Kern 12 bzw. der dritte Kern 13 die vorbestimmten Sicherheitskriterien.
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Ist dies nicht der Fall, weist der zweite Kern 12 bzw. der dritte Kern 13 einen Fehler auf oder ist ausgefallen. In diesem Fall sendet die Überwachungseinheit 30 ein entsprechendes Signal an einen Ausgang 30b des Mikrocontrollers, angedeutet durch das Bezugszeichen 30a. An dem Ausgang 30b des Mikrocontrollers kann beispielsweise eine Steuereinheit verbunden sein, welche den jeweiligen Kern bzw. eine entsprechende Leistungsendstufe des jeweiligen Kerns deaktiviert, welcher die vorgebestimmten Sicherheitskriterien nicht erfüllt.
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Die Überwachungseinheit 30 bzw. der erste Kern 11 überwacht somit die anderen Kerne 12 und 13 und sichert die anderen Kerne 12 und 13 gegen Ausfall ab. Mittels der externen Überwachungseinheit 31 wird der erste Kern überwacht und gegen Ausfall abgesichert. Diese externe Absicherung ist im Automobilbau beispielsweise als Funktionsrechner/Überwachungsrechner-Absicherung bekannt. Analog zu obiger Beschreibung der Überwachungseinheit 30 führen die externe Überwachungseinheit 31 und die erste Sicherheitseinheit 21 eine Frage/Antwort-Kommunikation in Form eines Program Flow Checks durch. Die externe Überwachungseinheit 31 sendet dabei Anfragen an die erste Sicherheitseinheit 21 des ersten Kerns 11, angedeutet durch Bezugszeichen 21a, und die erste Sicherheitseinheit 21 übermittelt entsprechende Antworten an die externe Überwachungseinheit 31, angedeutet durch Bezugszeichen 21b. Die externe Überwachungseinheit 31 überprüft, ob diese Antworten erwarteten vorbestimmten Antworten entsprechen und überprüft somit, ob der erste Kern die vorbestimmten Sicherheitskriterien erfüllt.
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Ist dies nicht der Fall, sendet die externe Überwachungseinheit 31 ein entsprechendes Signal an einen Ausgang 31b, angedeutet durch das Bezugszeichen 31a. An dem Ausgang 31b kann ebenfalls eine Steuereinheit verbunden sein, welche den Mikrocontroller eine entsprechende Leistungsendstufe des Mikrocontrollers deaktiviert, wenn der erste Kern 11 die vorgebestimmten Sicherheitskriterien nicht erfüllt.
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Der Mikrocontroller 100 und die externen Überwachungseinheit 31 bilden eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sicherheitssystem 200 und sind Teil eines Steuergeräts, beispielsweise eines Steuergeräts eines Kraftfahrzeugs.
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In 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrocontrollers 100 bzw. eines erfindungsgemäßen Sicherheitssystems 200 schematisch dargestellt. Identische Bezugszeichen beziehen sich dabei auf identische Teile der 1.
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Dabei weist der zweite Kern 12 eine zweite Überwachungseinheit 32 auf. Des Weiteren weist der erste Kern 11 zusätzlich zu der ersten Sicherheitseinheit eine vierte Sicherheitseinheit 24 auf. Die zweite Überwachungseinheit 32 ist mit der vierten Sicherheitseinheit 24 verbunden. Analog zu obiger Beschreibung überprüft die zweite Überwachungseinheit 32, ob der erste Kern 11 die vorbestimmten Sicherheitskriterien erfüllt. Dazu sendet die zweite Überwachungseinheit 32 Anfragen an die vierten Sicherheitseinheit 24, angedeutet durch Bezugszeichen 24a, und erhält von dieser Antworten, angedeutet durch Bezugszeichen 24b. Erfüllt der erste Kern 11 die vorbestimmten Sicherheitskriterien nicht, sendet die zweite Überwachungseinheit 32 ein entsprechendes Signal an einen Ausgang 32b des Mikrocontrollers 100, angedeutet durch das Bezugszeichen 32a. Analog zu obiger Beschreibung kann an dem Ausgang 32b eine Steuereinheit verbunden sein, welche den Mikrocontroller bzw. eine entsprechende Leistungsendstufe des Mikrocontrollers deaktiviert, wenn der erste Kern 11 die vorgebestimmten Sicherheitskriterien nicht erfüllt.
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Der erste Kern 11 kann zusätzlich weiterhin über die erste Sicherheitseinheit 21 mit der externen Überwachungseinheit 31 verbunden sein und zusätzlich von dieser überwacht und gegen Ausfall gesichert sein.
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Alternativ kann der erste Kern 11 auch über die erste Sicherheitseinheit 21 mit der zweiten Überwachungseinheit 32 verbunden sein und keine vierte Sicherheitseinheit 24 aufweisen. Dabei kann die erste Sicherheitseinheit 21 entweder mit der zweiten Überwachungseinheit 32 oder der externen Überwachungseinheit 31 verbindbar sein, oder mit der zweiten Überwachungseinheit 32 und der externen Überwachungseinheit 32 gleichzeitig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009015683 A1 [0004]
