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Motorsteuerung mit 32 Bit



Die elektronische Motorsteuerung (EMS) von morgen ist ein Multitalent: Sie erfüllt immer strengere Abgasvorschriften bei ständig steigender Motorleistung und optimaler Wirtschaftlichkeit. Gefordert sind 32-Bit-Rechner, die von Grund auf für Embedded-Control-Anwendungen entworfen werden. Hierbei sind die Prozessoren direkt in die Steuerung eingebettet. Eine derartige Rechnerarchitektur zeichnet sich unter anderem durch hohe Echtzeitfähigkeit und gute Codedichte aus, was natürlich Programmspeicher spart. Ist ein Rechner echtzeitfähig, muß er kürzeste Reaktionszeiten auf Systemereignisse garantieren. Diese Zeiten können kleiner als eine Pikosekunde (billionstel Sekunde) sein. Computer, die dafür nicht konzipiert sind, bieten lediglich Reaktionszeiten im Millisekundenbereich. Die von Siemens-Forschern entwickelte 32-Bit-Prozessorarchitektur für Echtzeitanwendungen mit dem Handelsnamen TriCore ist bereits ein solches Multitalent. Sie vereint im Systemkern Mikroprozessor, Mikrocontroller und einen digitalen Signalprozessor (DSP). Die Mikrocontroller-Fähigkeiten sind wichtig, um die sogenannte On-chip-Peripherie effizient zu managen, Echtzeiterfordernissen gerecht zu werden und sparsam mit dem On-chip-Speicher umzugehen. Das DSP-Potential wiederum kann für die Analyse des Motor-Klopfverhaltens oder Ionenstrommessungen in der Brennkammer genutzt werden.

Kennlinienfelder regeln heute das Zünden und Einspritzen. Die Stellung von Drosselklappe und Kurbelwelle, Motordrehzahl, Kühlwassertemperatur sind dabei die wesentlichen Eingangsgrößen. Mit deren Hilfe werden Zündzeitpunkt(e) sowie Einspritzbeginn und -dauer festgelegt. Die Ausgangsgrößen werden per Interpolation zwischen Kennlinienwerten ermittelt. Um künftigen Ansprüchen gerecht zu werden, dienen Simulationsmodelle des Motors als Ausgangspunkt der Entwicklung von Regelalgorithmen. So wird es möglich, die Motorsteuerung abhängig von den Größen Motordrehmoment und Kurbelwellenstellung durchzuführen. Für eine derartige Regelung müssen eine Reihe weiterer Eingangsgrößen, wie etwa Getriebeeinstellung und Klopfverhalten, berücksichtigt werden: Umfang und Komplexität der Prozessor-Software steigen dabei drastisch.

Je mehr Funktionalität aber einer solchen elektronischen Motorsteuerung zur Verfügung steht, umso mehr Unteraufgaben (Tasks) müssen parallel abgearbeitet werden. Anders ausgedrückt: Die Anzahl der simultanen Software-Tasks nimmt zu. Gleichzeitig ist jedoch den Echtzeitanforderungen des Systems Rechnung zu tragen. Der Prozessor muß deshalb ein zuverlässiges Multitasking unterstützen. Hierbei hat der Prozessor also eine Reihe von Tasks, das heißt Aufgaben, parallel zu bearbeiten.

Die komplexen Teilfunktionen der Motorsteuerung erfordern dabei, daß eine solche Funktions-Software hierarchisch und gleichzeitig modular aufgebaut ist. Hierarchisch heißt in diesem Fall gut strukturiert, da die Software sehr umfangreich ist. Modular sollte sie sein, um einzelne Module wiederverwenden zu können, von Fahrzeugtyp zu Fahrzeugtyp. So läßt sich viel Entwicklungszeit sparen. Hierzu müssen Software-Module aus den Entwicklungsabteilungen des Automobilbauers, des EMS-Zulieferers und externe Software-Anbieter (zum Beispiel für die Treiber-Software), integriert werden. Formale Regeln sind nötig, um Kommunikationsfähigkeit und Abgeschlossenheit (das heißt zuverlässige autarke Funktion und Sicherheit vor gegenseitiger Beeinflussung) der einzelnen Module gleichermaßen sicherzustellen. Zudem muß der Prozessor über Speicherschutzmechanismen (Memory protection) für die Betriebssicherheit der Systemsoftware verfügen.

In modernen Motorsteuerungen wird deshalb die digitale Signalverarbeitung etwa für Antiklopfregelungen oder zum Ermitteln des Drehmoments an der Kurbelwelle zum Einsatz kommen. Sie bearbeitet Probleme schnell und genau. Hinzu kommen weitere Vorteile: In vielen Fällen läßt sich die Anzahl der Sensoren im System reduzieren, oder Sensoren geringerer Genauigkeit können eingesetzt werden. Das senkt spürbar die Kosten.

Viele der heutigen 32-Bit-Prozessoren können solchen Anforderungen nicht gerecht werden, da sie nicht für Embedded-Control-Anwendungen gebaut sind. Herkömmliche 32-Bit-Architekturen bieten eine maximale durchschnittliche Rechenleistung. Im Gegensatz dazu ist die von uns entwickelte Architektur für Anwendungen in Echtzeit entworfen, sie garantiert somit eine minimierte Antwortzeit und Mindestrechenleistung auf hohem Niveau.

Zwar verfügen digitale Signal-Prozessoren über eine optimierte Architektur für spezielle Algorithmen. Doch Hochsprachen (wie C oder C++) und Control-Aufgaben unterstützen sie kaum. Architekturbedingt ist ihre Echtzeitfähigkeit nicht mit Prozessoren für Embedded-Control-Anwendungen vergleichbar. Ansätze, Mikroprozessoren mit einem DSP-Coprozessor auf einem Chip zu verbinden, lösen das Problem nur scheinbar. In der Praxis stellt sich oft heraus, daß derartige Architekturen die anvisierten Systemleistungen nur ungenügend erfüllen.


Systemvorteile



Die neue 32-Bit-Embedded-Control-Architektur von Siemens dagegen wurde von Grund auf für Echtzeitsysteme entwickelt. Sie bietet neben hoher Rechenleistung eine hervorragende Echtzeitverarbeitung und eine per Software skalierbare digitale Signalverarbeitung. Durch das Multitasking ist es möglich, schnell zwischen verschiedenen Aufgaben hin und her zu schalten. Welcher Natur die Aufgaben sind, ob Control-, Rechen- oder DSP-Aufgaben, hat der Software-Entwickler in der Hand. Die Aufgabenteilung ist also unter Software-Kontrolle und nicht Hardware-bestimmt.

In einer elektronischen Motorsteuerung eingesetzt, bringt diese Kombination entscheidende Vorteile. So ist die Architektur für Hochsprachen sehr gut geeignet. Ihre hervorragende Codedichte senkt die Systemkosten. Hinzu kommt eine breite Unterstützung der digitalen Signalverarbeitung: Das System kann beispielsweise gleichzeitig zwei 16-Bit-Festkomma-Multiplikationen und -Additionen pro Befehlszyklus ausführen und verfügt über zwei für digitale Signalverarbeitung spezifische Adressiermodi. Entsprechend sind auch ohne großen Softwareaufwand effektive Echtzeit-Multitasking-Systeme machbar. Für einen Taskwechsel reichen zum Beispiel zwei Befehle und nur acht Instruktionszyklen. Im Vergleich mit anderen 32-Bit-Mikroporzessoren bietet TriCore dabei eine um den Faktor zehn (und höher) verbesserte Multitasking-Leistung. Damit kann per Software, ganz den Systemerfordernissen entsprechend, die Prozessor-Gesamtleistung optimal auf die unterschiedlichen Arten von Tasks verteilt werden. Der Kommunikations-Overhead zwischen den Tasks bleibt auf ein Minimum beschränkt, die Systemleistung steigt – bei uneingeschränkter Echtzeitfähigkeit.

Da alle Aufgaben (Arithmetik, Controller, DSP) in einem Rechenkern bearbeitet werden, brauchen die Systembausteine auch nur eine Software-Entwicklungslandschaft. Das bedeutet: Zum erstenmal wird Echtzeit-Debugging, also Programmfehlersuche, möglich. Die Integration von Prozessor-, Mikrocontroller- und DSP-Fähigkeiten bringt zudem nur Kostenvorteile gegenüber Multiprozessorsystemen und vereinfacht die Software-Entwicklung. Hier liegt ein entscheidender Punkt für Einsatzgebiete, in denen schon bald die Komplexität der Software drastisch steigt, aber die Produktentwicklungszeiten immer kürzer werden.

Ein Teil der Ergebnisse des EU-Forschungsprogramms Framework IV (ESPRIT) flossen in die Entwicklung der TriCore-Architektur ein.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1999, Seite 927
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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