Microchip专家技术文章:汽车信息娱乐网络技术评估

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Microchip Technology Inc. 
汽车娱乐信息系统部
高级经理
Henry Muyshondt
 
2013年11月,我参加了EE Catalog组织的一个主题为“汽车以太网:没有简单的答案”的圆桌会议。虽然自那时以来,世界又经历了千变万化,会议当时提出的许多观点到了今天依旧没有过时。找到更简单的答案本身并不是通过以太网实现的,而是源于要为既定任务选择最佳的技术。Wi-Fi®和LTE蜂窝通信如今日益普及,为人们提供了和世界保持动态联系的最佳渠道。以太网和MOST®技术的运行速度高达每秒数百Mb,均适用于传输海量信息。
 
另一种广泛应用的汽车总线CAN的运行速度则低得多,一般低于1 Mbps。而不久前刚刚问世的最新一代CAN FD技术的速度大约在每秒10 Mb左右。当车辆处于停车状态或在不同的域之间进行通信时,以太网是连接IT基础设施的最佳解决方案。MOST技术则更适用于连续传输数据流,例如音频或视频连接。本文接下来将分别对以太网和MOST技术的用例进行分析,评估何种汽车设计最适合采用哪一种技术。
 
在汽车网络技术方面,基于分组的IP通信方式仍将是各个不同域之间互联的首选方式。而部分用于这一类型通信的更高级别的协议也开始出现在各种汽车应用中。原来的专有解决方案正等待IEEE的审核,以期成为标准。单股双绞线100 Mbps网络标准本质上是对博通公司(Broadcom)BroadR-Reach技术的一种重新包装,其他半导体公司有了这一技术授权就可以开发自己的IC产品。这一标准现在被称作100BASE-T1,类似于家居和办公场所常见的更典型的以太网应用所采纳的100BASE-TX标准。其中,T1指的是单股双绞线电缆。而1 Gbps技术现在被称为1000BASE-T1。诸如车身和发动机控制此类典型独立系统之间的相互作用,将受益于标准化的通信网络。MOST技术还包含一个专用的以太网分组信道。
 
高速的汽车网络技术无疑正融入最适合于特定应用的各个系统。越来越多品牌的OBD-II连接器开始采纳标准的以太网物理层(100BASE-TX)。它使得车辆可以快速连接至汽车服务机构的IT基础设施。无论是通过无线基础设施还是通过有线以太网连接,专门针对不稳定通信链路的机制都会大大受益于汽车与外界通信的方式。许多汽车制造企业都考虑采用100BASE-T1作为车辆基础技术标准来将各个域连接在一起,以便信息从一个域传输到另一个域。举个例子,要将发动机信息发送给工厂或者交通控制中心时,就可能有必要将这一信息传输到另一个域,比如电信域。
 
如今,已经有一款车型部署了基于以太网的摄像机网络,另有几款车型配备了采用以太网的OBD-II诊断连接器,诊断接口将会日益普及并应用到越来越多的车辆上。而其他的汽车应用也在推进过程中。AVB(现被称为时间敏感网络简称TSN标准,实为AVB V2版)是用于专业音频应用的一种标准,也可以用于诸如音频和视频流等非常注重时序的车载应用。然而,由于汽车是一个封闭的环境,仅使用IEEE1588精确时间协议(PTP)来分发时钟应该就足够了,无需使用被统称为TSN的所有额外标准机制。事实上,不同的汽车制造商也对到底需要应用AVB到什么程度(如果需要的话)持有不同意见。
 
另一种所谓MOST(面向媒体的系统传输——参见www.mostcooperation.com)的系统在市场上的应用也日趋广泛。目前已有200多款车型装备了超过2 亿个MOST器件。该技术最适用于在车辆内部连续传输信息流。它不像以太网一样指望主处理器检查每一个数据包并分配其有效负荷,而是会自动将信息发送到合适的接口,因此就减轻了各个处理器的处理负荷。尤其当已知这样的优先级时,所有数据从一个确定的数据源传输到一个或多个确定的接收端,MOST技术的作用更为高效。此外,它还拥有内置的功能,可以远程控制简单的节点,从而消除了对简单终端设备进行编程和额外处理能力的需求。
 
以太网和MOST技术是汽车行业目前采用的速度最快的两种网络技术。虽然它们常常被描述为互斥的关系,但事实证明,这两种技术实际上可以共存和同时部署以便各自执行最适合自身的任务。
 
图1展示了以太网物理层收发数据的过程。该标准对媒体访问控制器(MAC)做了定义,MAC负责接收数据流、对其进行序列化并传送到物理层互联设备上,无论是100BASE-TX、100BASE-T1或其他任意一种物理层。对于该标准而言,它是何种数据并不重要。数据的含义由运行高层协议的处理器来决定。这大大简化了硬件的实现,但同时也增加了解决如何处理相关细节以便成功传输信息至更高软件层这一问题的难度。确定性和延迟性视系统负荷情况可能会受到损害。因此,主处理器必须接收每个以太网帧和对数据帧进行解封,并负责分配有效负荷给合适的设备来处理。对于突发的小流量而言这种负荷不值一提,典型的比如说系统间的通信信息流动这种情况。这些机制都很好理解,不需要学习特殊的技能。而且,这些机制在数据处理系统中十分普遍。
 
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图 1:以太网物理层的数据流
 
如图1所示,这个简单的媒体独立接口(MII)是以太网系统访问以太网收发器的标准方式。虽然仍有部分MII类型并未完全获得各处理器的支持,但是它们大多已经实现了标准化。网络控制由主CPU中运行的软件协议栈来执行,而定制软件协议栈则负责信息传输。
 
在需要连续传输数据流时,情况就变得更为复杂,因为这时主处理器必须对输入数据包作出持续响应。在传输速率达到8 kHz时,就会发生这种情况。需要解压每一个数据包,将数据组装至以条连续数据流,然后发送至诸如音频放大器中的模数(A/D)转换器等设备;或者,将多条数据流混合在一起发送给DSP。在源端,音频数据需要在传输之前进行打包。收发器的成本很低,但是却需要主处理器具备额外的处理能力,最后往往导致需要性能更高、因而也更昂贵的器件。针对这些类型的应用,MOST技术提供了更简化的接口。MOST技术采用智能网络接口控制器(INIC)来代替简单的串行收发器。这些器件备有典型的内置媒体接口,因而可以在仅仅需要,比如,传输音频流到A/D或D/A转换器的I2S端口时,作为协处理器来消除高级车载处理器的负荷。图2很好地诠释了这一概念。
 
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图 2:MOST®网络的数据流
 
使用MOST技术可以将多功能接口和所有数据信道连接起来。在MOST网络中,分组通信及附带的定制软件协议栈可以只限定在满足适当的系统通信需求。数据不仅可以在处理器和网络之间实现自动传输,还可以自动传输到特定的接口,而处理器则无需干预每一个数据包。单个物理层被用作聚合多个不同类型的信道。而这一物理层可以由塑料光纤(POF)、非屏蔽或屏蔽双绞线(UTP或STP)、同轴电缆和其他材料制成。
 
在MOST网络框架内会保留带宽给各个信道或需要传输的数据流。通过控制信道对源端设备和宿端设备进行设置,设置一旦完成数据就可以自动输入到一个特定的位置或从中移除。既不存在需要应付开销的问题,也可将媒体流轻松传输到任意一个将处理该内容的设备。而主处理器没有任何负荷。事实上,某些应用根本无需使用处理器。例如,后座耳机放大器就只由一个INIC和一个带有功率级的D/A转换器构成。所有控制均可以远程进行。而针对那些同时需要数据包和数据流的应用,MOST150标准网络提供了一个专用的MOST以太网分组(MEP)信道,大大简化了在系统中集成以太网和MOST两种技术的难度。 
 
其实,最简单的答案就是不要尝试强行将同一个系统用于所有用途。相反,我们要选择最适合现有工作的工具,创建出性价比最佳的系统解决方案。在计算整体系统成本时,应将是否会影响所需处理能力作为考量。

 

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