DE102010009263A1

DE102010009263A1 - Verfahren zur Datenübertragung zu einem elektronischen Steuergerät

Info

Publication number: DE102010009263A1
Application number: DE102010009263A
Authority: DE
Inventors: Uwe 71409 Fischer
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: WO2011104268A3; US8760326B2; DE102010009263B4; US20130070837A1; WO2011104268A2; EP2540001A2

Abstract

Das Verfahren zur Datenübertragung von einem Progrmprimiert die zu übertragenden Daten mit zwei verschiedenen Huffman-Codierbäumen, vorzugsweise mit einem 16-Bit und einem 8-Bit Codierbaum. Die mit unterschiedlichen Codierbäumen codierten Datenworte werden durch ein Kennungsbit voneinander unterschieden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung von einem Programmiergerät zu einem elektronischen Steuergerät insbesondere zu elektronischen Steuergeräten von Kraftfahrzeugen.
Zur Datenübertragung größerer Datenmengen in vertretbarer Zeit ist es bekannt, die zu übertragenden Daten zu komprimieren. Hierfür eignet sich die sehr leistungsfähige verlustfreie Huffman-Codierung. Die Huffman 16 Codierung, die mit 16-Bit Datenworten arbeitet ist sehr leistungsfähig, erfordert aber einen verhältnismäßig großen Decodierbaum (bis ca. 278 KBytes). Die Größe hängt von der Code Ausnutzung ab. Jeder verwendete 16-Bit Code kostet 34 Bit im Decodierbaum. Dementsprechend dauert die Erstellung des Codierbaumes auch lange. Außerdem muß bei der Datenübertragung der Decodierbaum mit übertragen werden und passt eventuell aufgrund seiner Größe nicht mehr in den Arbeitsspeicher des Zielsystems bzw. Steuergerätes.
Andererseits kommt die Huffman 8 Codierung, die mit 8-Bit Datenworten arbeitet, mit einem kleineren Decodierbaum aus (ca. 574 Bytes) erreicht jedoch nicht die Leistungsfähigkeit der Huffman 16 Codierung.
Aufgabe der Erfindung ist es das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dahingehend zu verbessern, dass es bei hoher Leistungsfähigkeit mit kleineren Decodierbäumen auskommt und dadurch die Datenübertragung schneller stattfindet. Weiter soll die Belastung des Arbeitsspeichers des Steuergerätes durch den Decodierbaum verringert werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Grundidee der Erfindung liegt darin, die Komprimierung der zu übertragenden Daten teilweise mit einer N-Bit Huffman-Codierung und teilweise mit M-Bit Huffman-Codierung durchzuführen, wobei N ein ganzzahliges Vielfaches M ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine vorbestimmte Anzahl von zu codierenden Datenworten mit der Huffman 16-Codierung durchgeführt, während die restlichen Datenworte mit der Huffman 8-Codierung komprimiert werden.
Für die häufigsten 16-Bit Datenworte wird eine eigene Codiertabelle und ein eigener Decodierbaum erstellt, wobei die Anzahl der Datenworte so gewählt wird, dass die Größe des Decodierbaumes überschaubar bleibt. Für alle übrigen Codes wird ein 8-Bit Huffman-Baum erstellt, der alle Codes von ”0” bis ”255” decodieren kann. Da der vollständige 8-Bit Decodierbaum nur 574 Bytes groß ist, lohnt es sich hier nicht, einen unvollständigen Baum zu verwenden.
Bei der Codierung wird zunächst geprüft, ob der gefundene 16-Bit Wert in der 16-Bit Codiertabelle enthalten ist. Wenn nicht, wird die 8-Bit Tabelle verwendet und die beiden Bytes des 16-Bit Wortes codiert.
Für die Entscheidung, welcher Decodierbaum zu verwenden ist, wird bei der Codierung ein Bit hinzugefügt. Der Codier- und Decodierbaum kann für beliebige Daten verwendet werden, da mit Hilfe der vollständigen 8-Bit Bäume beliebige Daten darstellbar sind.
Generell ist anstelle der erwähnten 16-Bit Codierung auch eine 32-Bit Codierung denkbar, wobei das Verfahren prinzipiell auch für beliebige andere Datengrößen einsetzbar ist, wie z. B. 9-Bit oder 19-Bit.
Primäres Einsatzgebiet des Verfahrens nach der Erfindung ist die Programmierung von elektronischen Steuergeräten für Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge über eine Diagnoseschnittstelle. Durch die Komprimierung der Daten läßt sich bei der Entwicklung, in Produktion und in der Werkstatt erhebliche Zeit sparen.
Durch die Kombination der zwei Codierarten lassen sich die Vorteile beider Codierbäume nutzen. Die Nachteile der geringen Effizienz der 8-Bit Codierung und des zu großen Decodierbaumes der 16-Bit Codierung werden kompensiert. Die Übertragung der Daten über die Diagnoseschnittstelle eines Fahrzeuges erfolgt in aufsteigender Reihenfolge was bei manchen Steuergeräten notwendig ist, da nicht wahlfrei, sondern nur Sektorweise in den Speicher geschrieben werden kann. Die Decodierbäume sind klein genug, um während der Decodierung im Arbeitsspeicher des Zielsystems abgelegt werden zu können. Danach können die Decodierbäume aus dem Arbeitsspeicher entfernt werden, sodass dieser für andere Aufgaben zu Verfügung steht. Es ist aber auch möglich zumindest einen der Decodierbäume oder auch beide Decodierbäume permanent in einem nicht flüchtigen Speicher wie z. B. einem Flash-Speicher des Steuergerätes gespeichert zu behalten. Bei späteren Änderungen der an das Steuergerät zu übertragenden Daten ändern sich im Regelfall die Codierbäume nicht oder nur geringfügig, sodass keine spürbare Verschlechterung eintritt. Selbstverständlich muß bei späteren Datenänderungen dann der ursprünglich verwendete Codierbaum benutzt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigt:
1 einen ersten Codierbaum für die 16-Bit Huffman-Codierung;
2 einen 16-Bit Decodierbaum für das Ausführungsbeispiel der 1;
3 einen zweiten Codierbaum für die 8-Bit Huffman-Codierung; und
4 einen Decodierbaum mit einem 8-Bit und einem 16-Bit Teildecodierbaum.
Zur Unterscheidung von Hexadezimalzahlen gegenüber Primär- und Dezimalzahlen wird das übliche Präfix 0x verwendet, um Hexadezimalzahlen zu kennzeichnen. Sofern nicht gesondert darauf hingewiesen wird.

Folgende Bytes ab Adresse 0x2000 sind zu komprimieren, wobei alle Werte Hexadezimalzahlen sind: Tabelle 1

2000h:	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF
2010h:	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF	FF
2020h:	FF	00	FF	00	FF	00	FF	00	FF	00	FF	00	FF	00	FF	55
2030h:	66	55	66	55	66	55	66	55	66	55	66	55	00	55	00	55
2040h:	00	00	00	00	00	00	00	00	00	00	00	00	00	00	00	00
2050h:	01	02	02	01	05	06	06	05	06	05	12	34	56	78	90	AA

dabei ergeben sich folgende Häufigkeiten: Tabelle 2

WERT (Hex)	FFFF	0000	FF00	6655	0605	0055	90AA	FF55	0102	1234	0201	0506	5678
HÄUFIGKEIT (Dez)	16	8	7	6	2	2	1	1	1	1	1	1	1

Darin sind folgende 8-Bit Werte enthalten: Tabelle 3

WERT (Hex) FF 00 55 66 05 06 02 01 34 56 78 90 AA

HÄUFIGKEIT (Dez) 40 35 9 6 3 3 2 2 1 1 1 1 1
Es wird dann eine Anzahl x (mit x = 5 im beschriebenen Beispiel) der häufiger vorkommenden 16-Bit Werte bestimmt, die einer 16-Bit Codierung unterworfen werden. Die Anzahl x ist jedoch kleiner 2^N, sodass nicht alle 16-Bit Werte der 16-Bit Codierung unterworfen werden und mehrere 8-Bit Werte übrig bleiben, die 16-Bit Codierung also unvollständig ist, damit der 16-Bit Codierbaum und der entsprechende 16-Bit Decodierbaum nicht zu lang werden. Werte für x von 100 bis 200 werden als günstig angesehen.
Da die auftretenden 8-Bit-Werte in den 16-Bit-Werten zum Teil enthalten sind, müssen die Häufigkeiten der 8-Bit-Werte korrigiert werden. Dabei ist zu beachten, dass sowohl das höherwertige Byte als auch das niederwertige Byte der 16-Bit-Werte berücksichtigt werden. Zum Beispiel wird die Häufigkeit von 0xFF (8-Bit) mit jedem Auftreten von 0xFFFF (16-Bit) um zwei vermindert, mit jedem Auftreten von 0xFF00 um eins.

Ohne diese Korrektur würde sich zum Beispiel für die 66 ein kurzer Huffman-Code ergeben, obwohl dieser 8-Bit-Wert gar nicht vorkommt. (Weil er in dem 16-Bit-Wert 6655 aufgegangen ist.) Es ergeben sich dann folgende Korrekturen für die Häufigkeit der 8-Bit Werte. Tabelle 4

WERT (Hex)	FF	00	55	66	05	06	02	01	34	56	78	12	90	AA
HÄUFIGKEIT (Dez)	40	35	9	6	3	3	2	2	1	1	1	1	1	1
Vermindern um	39	23	6	6	2	2	0	0	0	0	0	0	0	0
Korrigierte Häufigkeit	1	2	3	0	1	1	2	2	1	1	1	1	1	1

Für die Erstellung des Codierbaumens darf die Häufigkeit „0” nicht vorkommen, da sonst eine Erstellung nicht möglich wäre. Deshalb werden alle Häufigkeiten mit dem Wert „0” auf „1” gesetzt, um vollständige 8-Bit Codier- und Decodierbäume zu erzwingen. Damit aber nicht vorkommende Zeichen dadurch keinen gleich „guten” Platz im Codierbaum erhalten, wie selten oder nur einmal vorkommende Zeichen, werden die Häufigkeiten der tatsächlich vorkommenden Zeichen mit einem Faktor multipliziert, beispielsweise mit dem Faktor 100. Es ergeben sich dann folgende umsortierte 8-Bit Werte: Tabelle 5

WERT (hex) 55 00 02 01 FF 05 06 34 56 12 78 90 AA 66

Korrigierte Häufigkeit 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0

Nach Multiplikation 300 200 200 200 100 100 100 100 100 100 100 100 100 1
Da das Verhältnis der Häufigkeiten zueinander gleich bleibt, ändern sich der erzeugte Codierbaum und die erzeugten Codes bei Vorkommen aller 8-Bit-Werte nicht.
Im dargestellten Beispiel wirkt dieser Mechanismus sehr stark, hat jedoch keine Bedeutung, wenn alle 8-Bit Werte auch in Daten vorkommen.
Es werden nun zwei voneinander unabhängige Codierbäume erzeugt, nämlich ein Codierbaum für 16-Bit-Werte und ein Codierbaum für 8-Bit-Werte.
Der 16-Bit-Codierbaum wird hier zur übersichtlichen Darstellung nur für die ersten 5 Werte gemäß der Häufigkeit erzeugt, im Beispiel also die Werte FFFF, 0000, FF00, 6655 und 0605, wie in 1 dargestellt.
Der entsprechende Decodierbaum dazu ist in 2 gezeigt.
Für alle 8-Bit-Werte wird ein vollständiger 8-Bit Codierbaum erstellt, der in 3 nur für die vorkommenden 8-Bit-Werte dargestellt ist. Damit ergeben sich folgende Codiertabellen:
Bei der Codierung wird zunächst versucht, jedes 16-Bit Wort als solches zu codieren. Kommt es in der 16-Bit Tabelle nicht vor, so werden beide Hälften einzeln als 8-Bit Wert codiert. Damit kommen 8-Bit Werte hier immer Paarweise vor, oder allgemeiner gesagt N/M-fach.
Zur Unterscheidung wird als „Kennungsbit” vor jedem 16-Bit Wert eine ”0” eingefügt und eine ”1”, wenn zwei 8-Bit Werte folgen.
Die so codierten und mit Kennungsbit versehenen Daten werden dann zusammen mit den zugehörigen Decodierbäumen an das Steuergerät übertragen und dort mittels der Decodierbäume decodiert. Falls die Decodierbäume schon im Steuergerät aufgrund einer Erstprogrammierung gespeichert sind, entfällt natürlich die Übertragung der Decodierbäume, wobei dann für die Codierung die ursprünglichen Codierbäume verwendet werden müssen.
Bei der Decodierung werden immer entweder ein 16-Bit Wert oder zwei 8-Bit-Werte decodiert. Einzelne 8-Bit-Werte werden nicht decodiert, weil dies keinen Vorteil bringen würde. Durch die Ausrichtung der Mikrocontroller-Codes an 16-Bit Grenzen und die Notwendigkeit eines zusätzlichen Codierbits für jeden 8-Bit-Code würde sich eine Verschlechterung der Komprimierung ergeben.
4 zeigt, dass das vor die codierten Werte gesetzte Bit (Kennungs-Bit) entscheidet, ob die 16-Bit Decodierung (für einen 16-Bit Wert) oder die 8-Bit Decodierung (für zwei aufeinanderfolgende 8-Bit Werte) durchgeführt wird. Ist dieses Bit eine ”0”, so wird der 16-Bit Decodierbaum verwendet, ist es eine ”1”, so wird der 8-Bit Decodierbaum verwendet. Die jeweilige Decodierung eines Datenwortes ist immer dann erledigt, wenn im Decodierbaum das letzte ”Blatt” erreicht ist, wobei nach Auftreten des Kennungs-Bit ”1” der 8-Bit Decodierbaum zweimal durchlaufen wird.
Der Decodierbaum für die 8-Bit Werte ist in 3 dargestellt. In den 1 bis 3 sind Hexadezimalwerte jeweils durch den Präfix 0x kenntlich gemacht.
Aus obigem ist ersichtlich, dass die Größe des 16-Bit Codierbaumes und des zugehörigen 16-Bit Decodierbaumes einen wesentlichen Einfluß hat. Eine beliebige Vergrößerung des 16-Bit Codierbaumes kann kontraproduktiv sein und zu einer schlechteren Komprimierung führen. Dies sei an folgendem Beispiel verdeutlicht:
Ein zusätzlicher Eintrag im Decodierbaum beansprucht 34 Bit.
Die Codierung der zwei 8-Bit Werte beansprucht 6 + 8 + 1 = 15 Bit.
Die Codierung eines 16-Bit Wertes beansprucht 12 + 1 = 13 Bit.
Pro zwei Bytes werden also vier Bit eingespart. Um die zusätzlichen 34 Bit zu Amortisieren muß der 16-Bit Wert in diesem Rechenbeispiel mindestens 17 Mal auftreten. Um dies zu überprüfen, müßte man teilweise große Dateien durchrechnen, da die Länge der codierten Zeichen nicht konstant ist.

Die optimalen Werte hängen von den jeweils vorliegenden Daten ab. Die nachfolgende Tabelle 6 zeigt ausgehend von der ursprünglichen Größe einer Datei von 131072 Bytes den Zusammenhang zwischen der Anzahl von 16-Bit Codes, der Anzahl der komprimierten Bytes einschließlich Codierbäume und das Kompressionsverhältnis in Prozent. Tabelle 9

Anzahl 16-Bit Codes	Anzahl Bytes komprimiert incl. Kodierbäume	Prozent von 131072 Bytes
78	55848	42,61%
386	55433	42,29%
152	55425	42,29%
231	55309	42,20%
295	55290	42,18%
268	55266	42,16%

Eine Testapplikation mit einer ursprünglichen Größe von 1179648 Bytes zeigt, dass das Kompressionsverhältnis bei größeren Dateien noch besser wird. Tabelle 10

Anzahl 16-Bit Codes	Anzahl Bytes komprimiert incl. Kodierbäume	Prozent von 1179648 Bytes
1025	265977	22,55%
635	263772	22,36%
418	262473	22,25%
335	261968	22,21%
277	261654	22,18%
240	261367	22,16%
200	261118	22,14%
42	261029	22,13%
94	260973	22,12%
165	260942	22,12%
118	260929	22,12%
65	260737	22,10%
50	260717	22,10%
56	260618	22,09%

Weiter ist zu erkennen, dass die Anzahl der 16-Bit Codes bei Dateien dieser Größe einen relativ geringen Einfluß hat. Die optimalen Parameter hängen nämlich von der Code-Verteilung in den zu komprimierenden Daten ab. Da bei größeren Datenmengen der Decodierbaum kaum ins Gewicht fällt, sollte man die Anzahl der 16-Bit Codes nicht zu klein wählen. Werte um 100 bis 200 erscheinen günstig zu sein, wobei generell jeder Wert größer 1 möglich ist.

Claims

Verfahren zur Datenübertragung von einem Programmiergerät zu einem Steuergerät, bei dem die zu übertragenden Daten im Programmiergerät durch eine Huffman-Codierung komprimiert werden, nach der Komprimierung zusammen mit einem Huffman-Decodierbaum vom Programmiergerät an das Steuergerät übertragen werden, im Steuergerät dekomprimiert und dort gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, dass für eine vorbestimmte Anzahl von Datenworten der zu übertragenden Daten eine N-Bit Huffman-Codierung mit einem ersten Codierbaum und für die verbleibenden Datenworte eine M-Bit Huffman-Codierung mit einem zweiten Codierbaum durchgeführt wird, wobei N größer als M ist, dass ein N-Bit Decodierbaum und ein M-Bit Decodierbaum erzeugt werden, dass beide Decodierbäume an das Steuergerät übertragen werden und dass alle N-Bit codierten Datenworte und Gruppen mehrerer aufeinanderfolgender M-Bit Datenworte jeweils mit einem vorangestellten Kennungsbit versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N das ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl M ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N gleich 16 und die Anzahl M gleich 8 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Decodierbäume nach der Decodierung der übertragenen Daten im Steuergerät gelöscht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Datenworte, die der N-Bit Huffman-Codierung unterzogen werden kleiner 2^N beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennungsbit für die Datenworte, die der N-Bit Huffman-Codierung unterzogen wurden, eine logische ”0” ist und für die der M-Bit Huffman-Codierung unterworfenen Datenworte eine logische ”1” ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die N-Bit codierten Datenworte einzeln decodiert werden und die M-Bit codierten Datenworte N/M-fach gemeinsam decodiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeit der vorkommenden N-Bit Datenworte und M-Bit Datenworte vor dem Codieren ermittelt wird, dass die Anzahl (x) der N-Bit Datenworte festgelegt wird, anschließend die Anzahl der nicht in den festgelegten N-Bit Datenworten enthaltenen M-Datenworte bestimmt wird, anschließend die so ermittelten Anzahlen von M-Datenworten mit einem Korrekturfaktor multipliziert werden, wobei die Anzahl von M-Datenworten mit dem Wert ”0” auf ”1” gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor zwischen 10 und 100 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Decodierbäume oder zumindest der vollständige N-Bit Decodierbaum in einem nichtflüchtigen Speicher (z. b. Flash-Speicher) des Steuergerätes gespeichert bleiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der N-Bit Decodierbaum und der M-Bit Decodierbaum zu einem gemeinsamen Decodierbaum zusammengefasst werden.