专利名称：具有计算单元和逻辑电路的微控制器以及用于通过微控制器执行计算来用于车辆中的调 ...的制作方法
技术领域：
本发明基于一种具有计算单元和逻辑电路的微控制器以及一种用于通过微控制器执行计算来用于车辆中的调节或控制的方法。
背景技术：
在汽车领域内的控制设备中的计算强度大的数学问题可以从多方面地得到求解。 标准处理器不能用在嵌入式领域中。诸如高成本、有限温度范围、差的可预测性和安全要求的原因不利于标准处理器的使用。因此在嵌入式领域中使用专用的微控制器。在这些微控制器上的计算明显更缓慢，因为一般来说时钟频率更低，可供使用的高速缓存存储器更少， 流水线级不转换高的并行性，不进行推测性的计算等等。出于该原因在嵌入式领域中在计算要求高的情况下使用多核计算单元或附加的数字信号处理器(DSP)。在EP-1456720中描述了一种用于在汽车领域中使用的多核系统。在DE 102005022247中描述了一种在汽车领域中的具有数字信号处理器的系统控制器。
发明内容
由此所建议的微控制器的逻辑电路可以通过提供所计算的指数函数来执行微控制器的计算，并且因此实现对微控制器的任务的更快速的、更为有利的(成本和面积需求)、 能量更有效的以及更可靠的计算，对于这些任务来说指数函数的计算就是一种子任务。一个特殊的优点在于，通过将指数函数计算转移到逻辑电路上减轻了微控制器的计算单元进行计算和访问的负担。通过这种配置逻辑电路的可能，可以实现特别灵活但是还特别有效的计算支持。由于逻辑电路作为单独的硬件部件而位于处理器之外，因此对该处理器没有直接的依赖性。由此避免了对其它处理器功能的实施速度的相互影响。软件的实施不会受到直接影响。尽管功能有限，但是所实施的功能可以尽可能灵活地使用并且为此受到软件处理器的控制。此外，利用该解决方案还可以满足在嵌入式领域中的严格的实时要求。其它优点和改进通过从属权利要求的特征得到。如果逻辑电路可被配置为例如为了配置该逻辑电路的目的而可以从配置数据存储器读取配置数据，则该逻辑电路可以特别灵活地用在微控制器中。这样的数据可以涉及应当计算哪些指数函数，也就是例如涉及指数函数的自由参数或常数。还可以确定，所述逻辑电路计算总和的指数函数，并且规定要相加的相加项的数量是可配置的。此外还可以规定对不同的指数函数求和，其中对每个要求和的指数函数可以对要求和的指数函数的参数以及数量进行配置。此外，例如如果通过逻辑电路来实现不同的计算途径或者如果在该逻辑电路内例如实现计算的并行化，则该配置还可以涉及指数函数的计算的类型。可选地，该逻辑电路还可以计算要求和的值本身，这些值通过计算内部项而形成。
合适的是，配置数据可以通过微控制器或通过微控制器的计算单元优选依据要计算的任务或所确定的车辆信息来产生，并且写入能被逻辑电路访问的配置数据存储器中。 由此，所述逻辑电路能够灵活地与要计算的任务匹配，但是也可以与其它条件匹配。为了有效地转换该配置，所述逻辑电路可以具有所连接的(本地)存储器，在该存储器中存储所述配置数据。如果要节省本地存储器的使用，则有利的还可以将配置数据存放在全局存储器中，逻辑电路例如可以对该全局存储器进行直接存储器访问(DMA)，以便在该解决方案中也实现快速和可靠的配置。特别有利的是，所建议的微控制器可以被用于基于输入参数和训练值来通过贝叶斯回归来计算输出参数，其中由专门化的逻辑电路来执行为了执行贝叶斯回归而需要的指数函数计算。由此使得微控制器在特别有效地构成微控制器的情况下可以对车辆功能进行更有效和更精确的控制。
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中更详细地解释。图1示意性示出微控制器的部件以及这些部件的连接。
具体实施例方式在本发明的描述中，用逻辑电路表示纯粹的、尤其是固定连线的逻辑电路，该逻辑电路不具有软件实施的处理器。图1示意性示出微控制器的部件以及这些部件的连接。在此，计算单元或计算单元的处理器核11、第一全局存储器单元12、第二全局存储器单元13和逻辑电路14分别与通信连接10连接，并且可以通过该通信连接10分别相互通信。通信连接10可以例如设置为总线系统。并且在图1中例如用总线桥16将通信连接10划分为两个分开的总线。逻辑电路14可以与局部存储器单元15连接。全局存储器单元12和13例如可以构成为RAM存储器或FLASH存储器。在图1中设置两个全局存储器在此是一种可选的扩展方案。局部存储器15例如可以设置为RAM存储器或设置为寄存器，并且优选在全局地址区域中是可见的。图1所示的总线桥16是可选的。如在下面的描述中更详细讲述的，在本发明的特殊实施中，还可以弃用局部存储器15。 在图1中示出的微控制器部件不应当理解为全面的，尤其是还可以设置其它处理器核或完全不同的体系。电路装置14在此被构成为计算指数函数、或者那样可配置地计算不同的指数函数并在必要时计算指数函数的总和。该电路装置是一种状态自动机，该状态自动机从输入存储器中提取输入数据以用于计算，在计算运行过程中计算指数函数，必要时通过流程控制与计算单元通信地或与微控制器的处理器核11通信地在所要求的循环过程中计算指数函数的总和，并因此在解决微控制器的复杂任务或处理器核11的计算时在一定程度上用作硬件加速器。逻辑电路14在此作为单独的硬件部件存在于处理器之外。在硬件电路中对指数函数计算的很多转换都是公知的。例如，在此可以参阅BKM 算法(Bajard，Kla, Muller)、CORDIC算法或参阅用于对指数函数进行近似的公知级数展开。其它近似模拟指数函数的方法也是可行的。一种用在汽车领域中的、用于调节和控制系统的技术是借助特性曲线族来显示特定于系统的特性。特性曲线族数据是对特殊的系统特性的近似反映。在运行期间，这些数据被直接使用或内插地分析，以例如确定工作点或例如从已知的状态和参数中推导出未知的参数。复杂的特性曲线族通常拥有多个维度。特性曲线族的支持点(StUtzstellen)通过预给定数量的数据来凸显。这些支持点被离线地计算，也就是在应用时刻计算，并且在交付控制设备时就已经固定地例如存放在微处理器的FLASH (闪存)中。在特性曲线族方案中的缺陷在于，随着维度的数量增加，支持点的数量过比例地上升。它们相应地需要更多的存储器，该方案因此是成本高昂的。此外，对于支持点之间的值来说必须内插。随着维度的数量增加，内插的数量和复杂性也增加。从存储器中读取支持点以及内插都是耗费时间且计算强度大的。尤其是，大多不可预测的以及因此不可缓冲的对例如位于闪存中的特性曲线族的访问会导致处理器对每个读取访问的长的等待时间， 该等待时间处于多个时钟的数量级。该时间一般不能以其它方式使用——要浪费很多计算性能。此外，内插和有限数量的支持点会伴随精度的损失——这又表现为调节或控制精度的减小。所建议的逻辑电路作为用于控制设备计算单元的指数函数计算的硬件加速器使得可以在本文中例如将目前由于有限的计算资源而无法应用的、用于依据(例如所测得的和/或所计算出的)已知参数确定未知参数的替换方法来用于控制车辆功能，并且通过控制设备实时地使用这些参数。作为针对这一点的示例，在此在一种特别有利的扩展方案中是诸如贝叶斯回归的非参数化的回归方法。然后为了预测例如与发动机相关的、用于控制和/或调节的特征参数(例如燃烧技术的参数，空气系统参数，等等)，可以将诸如Kriging、高斯过程、稀疏高斯过程等贝叶斯回归方法用于控制设备。在此，计算高斯回归方法的一部分，尤其是指数函数的计算或用于计算指数函数的计算步骤被转移到逻辑电路上。与公知的方法相比，这样的贝叶斯回归模型提供了更精确的结果并且可以更灵活地使用。贝叶斯回归模型可以在没有预备知识和没有参数化的情况下而仅仅基于训练数据来毫无问题地反映高维度的非线性关系。该贝叶斯回归模型在此也就是黑匣子模型。简单地说，基于确定输入参数与在使用控制设备前离线测得的训练值之间的偏差，从所确定的大量的随机函数中对最佳的随机函数取平均，以确定所需要的参数。该方法的精度在该简化图中与平均的最佳函数彼此之间的偏差相应。因此与公知方法相反，贝叶斯回归模型除了模型预测之外还提供对模型变化(模型可靠性)的说明。在这样使用微控制器或逻辑电路的情况下，控制设备从控制设备外部例如从传感器或其它控制设备、计算单元或其它模块接收信号。这些参数在此称为输入参数，并且例如可以是温度信号、转速信号、数量信号等等。在存储器单元中存储针对确定参数而离线地、也就是在控制设备或车辆运行之前在测试测量中确定的并且存储在该存储器单元中的值。这些值在此以及在下面都称为训练值。用概念“离线”或“在运行之前”来确定一种阶段，在该阶段中控制设备未在车辆的正常运行中用于实时调节或控制任务(“在线”，“在运行中”)，而是在该阶段中为所述控制设备测试、校准和确定相关的车辆功能，例如在汽车供应商或汽车制造商的工厂中、在车间中应用该控制设备时或者在测试运行时。该公式通过具有内部项的指数函数e()来形成。该内部项借助除以C5来对输入参数 C4标准化，并且通过与C3的差计算与训练值或特定特征值之间的距离。接着用C6对中间结果进行指数化(exponentiert)，以便接着在求和时与加权因子C2相乘地相加。接着将函数e()应用于该求和结果(==内部项)。该结果可以通过与Cl相乘来得到加权。典型地 C6=2 和 C2=l。这样，在此相应于输入参数的维度来计算N个相加项之和的指数函数。值C1-C6 以及和的流动指标(Laufindices)(和的起始值，相加项的数量，和的终值)可以被设置为可配置的。替换的还可以仅这些参数的一部分是可配置的，而固定地预先给定其它参数。在此可以完全在逻辑电路中计算具有或没有内部项的待计算的指数函数，可以将部分计算转移，并且指数函数还可以是由逻辑电路计算的更大公式的一部分。此外，逻辑电路可被构成为，使得该逻辑电路除了指数函数计算之外还可以执行其它能够并行于或代替指数函数计算而执行的计算。在此，逻辑电路可以将算法的实施在内部任意并行化。向外仅保证一致性(Konsistenz)，或通过合适的装置向外发信号通知不一致的状态。可选地，逻辑电路可以同时、但是不相互影响单个结果地计算多于一个公式或任务。转换可以通过并行的计算装置或相继顺序地在一个计算装置上进行。为了区分公式实在存储器中还可以存放由所述控制设备接收或计算并且同样属于输入参数的参量和参数。逻辑电路独立地或者与控制程序的计算单元连接地确定用于满足控制设备的控制或调节功能的一个或多个输出参数。输出参数在此表示为了控制/调节而需要的参数或中间参数，它们不能或只能很费事地直接在车辆中测得或确定并因此从所提供的输入参数中确定。为此，控制设备在运行时在考虑与待确定的输出参数相关的输入参数的情况下，通过存储在存储器中的、与待确定的输出参数相关的训练数据来执行贝叶斯回归。为此，计算单元可以部分地以软件来处理为执行该回归而需要的算法，但是将确定的、包含指数函数计算的计算步骤转移到专门化的逻辑电路上。确定的输出参数或用该输出参数确定的控制或调节信号通过控制设备的输出端输出，例如输出到执行器，或者作为中间值而进入其它计算中。JJl Pf τ 0 β 白勺■石出 $ [Gaussian Processes for Machine Learning, C. Ε. Rasmusen and C. Williams, MIT Press, 2006]中。在应用这样的回归方法时，用于依据控制设备中的已知参数实时地、也就是在控制设备运行时计算所需要的参数的确定预测以用于控制车辆功能的基础公式包括指数函数的计算，尤其是在使用所谓的平方指数核 (Squared Exponential Kernel)的方法情况下。由于在此所介绍的确定计算操作结合指数函数的计算被转移到逻辑电路14上，这样的或类似的方法可以在机动车控制设备中特别有效地使用。作为特别相关的、针对待计算的指数函数或针对应当被加快计算的指数函数的示例，对于这样的未参数化的方法例如可以是以下公式，但是本发明不限于这种类型的公式
结果=例，在此对硬件加速器来说用于每个公式的配置参数都是已知的。有利的是，为此在配置组之间的切换或对单个配置组的分开访问是可行的，而且可以将公式或任务的配置组的一部分又用在其它公式或任务中。可选地，逻辑电路应该可以周期性地实施。在该实施相应被重新启动之前，配置数据的全部或一部分在此通过与软件处理器的协作以及必要时与其它参与硬件部件的协作来更新。本发明可以补充以下可选的可能性，即例如通过实施外部循环来累加多个所计算的结果。硬件加速器为此可以被配置为使得选择性地设置不同的单个任务的待累加的单个结果(或参数或配置数据)。逻辑电路14如图1所示没有集成在处理器核11中，而是独立地运行并且因此不会直接影响处理器核11。逻辑电路14与处理器11的软件相互作用。这样在处理器11和逻辑电路之间存在通信，该通信允许正确的计算，也就是用正确的参数进行的计算，该计算在期望的时刻启动(也或者停止)并且确保结果的正确传送。处理器11、逻辑电路14和存储器12和13之间的通信可以经由共同的总线10—— 如图1所示经由相互去耦合的数据路径如总线桥、交叉开关(Crossbar)——通过直接连接或其它构成来进行。此外，可选地可以使用可配置的通信和同步机制，如在参与的部件软件处理器11、逻辑电路14和必要时其它涉及的部件之间发送中断。逻辑电路14可以在以下方面由处理器在运行时动态地配置
循环的数量——也就是说例如在整数值的指数函数的情况下所述和具有多少相加项，或在一定数量的指数函数或由多个指数函数组成的和的情况下应当多频繁地相继执行指数函数，
常数——可以根据任务或者依据车辆功能和车辆状态来设置常数或参数， 用于计算公式的特定指示——也就是说计算应当如何进行， 必要时与处理器的交互的类型和方式， 必要时关于其它待实施的计算的信息。配置数据可选地可以按照确定的类型和方式有关联地组合为一个或多个群。逻辑电路14必须已知对每个配置群的访问类型。必要时在运行时在状态和对群的访问方面来配置逻辑电路14。在此，配置数据例如可以仅在本地存储器15中，仅在全局存储器单元12 和13之一中或者在这些存储器部件之间分配地存储。例如，如果配置数据完全或部分存放在一个或多个全局存储器11和12中，则逻辑电路14可以访问全局可见的存储器区域或访问全局存储器，尤其是通过直接存储器访问(DMA)。可选地，由于访问优化的原因对公式或任务的常数的指示这样来进行，即在所观察的时间期间对常数阵列进行线性或近似线性的访问。同样地也适用于实施多个公式，由此这些公式的配置数据按照理想方式线性地相互紧靠地存放。与动态的可配置性不同，正如已经提到的可以在硬件加速器中直接确定单个值。 还可以固定地或可配置地预先给定可替换的值，从这些可替换的值中可以间接地导出上面描述的配置。逻辑电路14的动态配置通过对配置寄存器或配置存储器的描述、通过对其余的系统部件、尤其是通过在处理器11上实施的软件来进行。
可选地，该配置可以通过直接存储器访问(DMA)控制器来进行，而该直接存储器访问控制器又可以由处理器的软件来控制。还可以通过整个系统的其它部件来进行配置。逻辑电路14可以如所述那样可选地具有本地存储器或本地寄存器组，逻辑电路 14从该本地存储器或本地寄存器组中提取配置。如果逻辑电路14具有这样的本地存储器或本地寄存器组15，则该本地存储器或本地寄存器组15应当可选地全局可见，也就是说位于全局地址区域中。从而在需要时可以通过诸如软件处理器的其它部件来修改内容。该措施除了允许对硬件加速器的配置之外还允许将存储器15用于其它应用，如果该存储器15 不需要或不完全需要用于通过逻辑电路14的计算的话。逻辑电路可以具有内部的优化措施，该内部的优化措施转化数据的预先计算或预先加载或将结果或中间结果保持在缓冲器或流水线中。为了达到高的灵活性，逻辑电路可以分别可选地具有以下能力可中断性、中间值的存储、计算的重新开始、切换到具有其它配置参数的相同公式的计算以及其它优化措施。在中断的情况下，应当存储所有相关的信息并且必要时使得可以读取这些信息，以便使得可以立即或在稍后的时刻重新开始该计算。在此可接受的是，丢弃已经进行的计算的可忽略的一小部分(可忽略的意思是，计算时间不影响与其它系统部件协作中的实施)。通过逻辑电路的计算的启动可以通过任意其它系统部件、尤其是通过软件处理器来推动。
权利要求
1.一种具有计算单元(11)和逻辑电路(14)的微控制器，其中该微控制器执行用于车辆中的调节或控制的计算，其特征在于，该计算单元(11)与所述逻辑电路(14)连接，该逻辑电路(14)具有用于计算指数函数的装置，并且所述逻辑电路(14)能够被配置。
2.根据权利要求1所述的微控制器，其特征在于，能够在所述指数函数的可配置参数方面来配置所述逻辑电路(14 )。
3.根据上述权利要求之一所述的微控制器，其特征在于，能够在指数函数的计算数量方面来配置所述逻辑电路(14 )。
4.根据上述权利要求之一所述的微控制器，其特征在于，所述逻辑电路(14)具有用于累加多个所计算的指数函数的结果的装置。
5.根据上述权利要求之一所述的微控制器，其特征在于，所述逻辑电路(14)能够在所述指数函数的计算类型方面被配置。
6.根据上述权利要求之一所述的微控制器，其特征在于，所述逻辑电路(14)访问配置数据存储器(12，13，15)中的配置数据以用于配置。
7.根据权利要求6所述的微控制器，其特征在于，该微控制器具有用于依据待执行的计算来建立用于逻辑电路(14)的配置数据并将该配置数据写入配置数据存储器 (12，13，15)中的装置。
8.根据权利要求7所述的微控制器，其特征在于，所述微控制器具有用于通过直接存储器访问将所述配置数据写入配置数据存储器(12，13，15)中的装置。
9.根据权利要求6至8之一所述的微控制器，其特征在于，所述配置数据存储在与逻辑电路(14)连接的本地存储器(15)中。
10.根据权利要求6至8之一所述的微控制器，其特征在于，所述配置数据存储在全局存储器(12，13)中，所述逻辑电路(14)能够通过直接存储器访问来访问该全局存储器。
11.根据上述权利要求之一所述的微控制器，其特征在于，该微控制器具有用于在车辆运行期间基于至少一个在该运行期间确定的输入参数来计算用于控制车辆功能的至少一个输出参数的装置，以及具有用于在使用在所述运行之前为该输出参数和输入参数确定的训练值的贝叶斯回归的情况下执行该输出参数的计算的装置，其中所述逻辑电路(14)计算贝叶斯回归的计算步骤，这些计算步骤包括指数函数。
12.一种用于通过微控制器执行计算以用于车辆中的调节或控制的方法，其特征在于， 该微控制器的计算单元(11)与逻辑电路(14)连接，该逻辑电路(14)通过该计算单元(11) 配置，并且通过该逻辑电路(14)计算指数函数。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在车辆运行期间基于至少一个在该运行期间确定的输入参数来计算用于控制车辆功能的至少一个输出参数，在使用贝叶斯回归的情况下通过在所述运行之前为该输出参数和输入参数确定的训练值来执行该输出参数的计算，以及通过所述逻辑电路(14)计算贝叶斯回归的计算步骤，这些计算步骤包括指数函数。
全文摘要
本发明涉及具有计算单元和逻辑电路的微控制器以及用于通过微控制器执行计算来用于车辆中的调节或控制的方法。其中，建议了一种具有计算单元和逻辑电路的微控制器，其中该微控制器执行用于车辆中的调节或控制的计算。在此该计算单元与所述逻辑电路连接，该逻辑电路具有用于计算指数函数的装置，并且能够被配置。
文档编号B60R16/02GK102236325SQ201110104919
公开日2011年11月9日 申请日期2011年4月26日 优先权日2010年4月27日
发明者A·奥厄, F·施特赖歇特, H·乌尔默, H·马克特, M·施赖伯, M·泽茨勒, N·班诺, T·克鲁泽, T·朗, T·里夏森, U·舒尔茨, U·舒尔迈斯特 申请人:罗伯特·博世有限公司