車(chē)載以太網(wǎng)和AURIX? TC4x 千兆以太網(wǎng)/時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)概覽

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AURIX?  TC4x  微控制器的并行處理單元(PPU)簡(jiǎn)介

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AURIX? TC4x虛擬化技術(shù)助力下一代汽車(chē)EE架構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 前言

在近代急速發(fā)展的汽車(chē)技術(shù)因素下，不斷引伸出不同場(chǎng)景下對(duì)汽車(chē)功能的使用需求。當(dāng)中產(chǎn)生了對(duì)汽車(chē)通訊功能要求上的大幅度提升，因此功能更先進(jìn)和更強(qiáng)大的車(chē)載以太網(wǎng)已經(jīng)漸漸地變成了車(chē)身通訊必不可缺的成員之一。

文章會(huì)從了解現(xiàn)今對(duì)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)（In-Vehicle Network）的應(yīng)用需求開(kāi)始，看看車(chē)載以太網(wǎng)是怎樣通過(guò)自身強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，滿(mǎn)足日新月異的汽車(chē)通訊功能要求，獲得不同汽車(chē)生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)商的信任和使用，同時(shí)最后也會(huì)分享英飛凌最新的AURIX^TM TC4x系列微控制器是如何滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)高速以太網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的各方面需求。

2. 車(chē)載以太網(wǎng)概覽

2.1 車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求

談到新一代汽車(chē)發(fā)展，多數(shù)人都會(huì)直覺(jué)地把注意力放到新舊能源車(chē)的競(jìng)爭(zhēng)上，兩邊勢(shì)力都在不斷改進(jìn)產(chǎn)品來(lái)吸引消費(fèi)者，這帶來(lái)了多種汽車(chē)技術(shù)的不斷改良和突破，其中汽車(chē)在智能化和電子化這兩方面的改進(jìn)就更為急速。

汽車(chē)智能化最具體的功能就是自動(dòng)駕駛、智能底盤(pán)、智能座艙等；而電子化更加是在汽車(chē)不同功能提升下的參與或貢獻(xiàn)者，可以說(shuō)電子化都參與到如自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、底盤(pán)控制系統(tǒng)、動(dòng)力控制系統(tǒng)、車(chē)身控制系統(tǒng)、座艙控制及娛樂(lè)系統(tǒng)等。

下面本文會(huì)從四個(gè)維度看看這些改進(jìn)對(duì)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)需求帶來(lái)了什么改變。

1

頻寬要求

自動(dòng)駕駛應(yīng)用帶來(lái)了大量數(shù)據(jù)資料如影像信息，激光雷達(dá)信息，毫米波雷達(dá)信息的傳輸要求。

娛樂(lè)系統(tǒng)對(duì)頻寬要求主要發(fā)生在大量的影像類(lèi)資源經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳到不同的ECU上。

2

實(shí)時(shí)性和可靠性要求

自動(dòng)駕駛在計(jì)算時(shí)，必需要按時(shí)接受外在環(huán)境的數(shù)據(jù)資料；在控制時(shí)，操控要求也需要按時(shí)到達(dá)目標(biāo)。

可靠性如網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上是否支持故障處理和冗余處理。

3

成本要求

車(chē)身上的電子化激活了大量電子裝置的使用，這些不僅帶來(lái)了對(duì)ECU存放空間問(wèn)題外，還在車(chē)身上產(chǎn)生大量的連線，線材重量和放置空間都帶來(lái)很大的成本。

4

網(wǎng)絡(luò)安全要求

自動(dòng)駕駛的使用和汽車(chē)電子化帶來(lái)裝置發(fā)展出具備從網(wǎng)絡(luò)接收命令和執(zhí)行行動(dòng)，如果網(wǎng)絡(luò)傳輸被惡意攻擊或控制便會(huì)出現(xiàn)很?chē)?yán)重的安全問(wèn)題。

2.1.1

頻寬要求

就頻寬要求上的影響性看，其中兩個(gè)比重較多的應(yīng)用可算是自動(dòng)駕駛和娛樂(lè)系統(tǒng)。自動(dòng)駕駛的核心當(dāng)然是高效的計(jì)算能力，但用作計(jì)算的數(shù)據(jù)資料如影像信息、激光雷達(dá)信息、毫米波雷達(dá)信息及各種車(chē)身傳感器等，這些都需要大量數(shù)據(jù)傳輸，因而大大增加了對(duì)頻寬的要求。這些影像信息或激光雷達(dá)信息如果需要以原始數(shù)據(jù)方式傳送到自動(dòng)駕駛芯片進(jìn)行處理的話(huà)，那些應(yīng)用頻寬都是以Gbps為單位，而高分辨率的毫米波雷達(dá)也都需有超過(guò)1Gbps的要求，但其他的傳感器對(duì)頻寬要求就相對(duì)較少，一般都不會(huì)超1Gbps了。而作為執(zhí)行結(jié)果的動(dòng)力控制和底盤(pán)控制的數(shù)據(jù)傳輸，相比下就沒(méi)有直接對(duì)頻寬有太高要求。

娛樂(lè)系統(tǒng)也可能會(huì)對(duì)頻寬有所要求，如果系統(tǒng)需要把大量的影像類(lèi)資源經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳到不同的ECU上，這樣便會(huì)對(duì)頻寬有大量要求了。

2.1.2

 實(shí)時(shí)性和可靠性要求

自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)上也會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性也有十分嚴(yán)格要求，如在計(jì)算時(shí)，外在環(huán)境的數(shù)據(jù)資料必需要按時(shí)傳到自動(dòng)駕駛芯片；而在控制時(shí)，操控要求也需要按時(shí)到達(dá)目標(biāo)。這些通訊都不能被延遲超過(guò)設(shè)計(jì)要求，所以能否估計(jì)或控制會(huì)出現(xiàn)的傳輸延遲是十份重要的。另外，可靠性也是重要的一環(huán)，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上是否支持故障處理和冗余處理等。

2.1.3

網(wǎng)絡(luò)安全要求

隨著自動(dòng)駕駛的使用和汽車(chē)電子化，車(chē)身上很多裝置都會(huì)連接到不同網(wǎng)絡(luò)，這些裝置都可以具備從網(wǎng)絡(luò)接收命令和執(zhí)行行動(dòng)。如果網(wǎng)絡(luò)傳輸被惡意攻擊或控制便會(huì)出現(xiàn)很?chē)?yán)重的安全問(wèn)題，所以網(wǎng)絡(luò)安全也開(kāi)始成為車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的基本要求了。

2.1.4

成本要求

隨著對(duì)車(chē)身上的不斷電子化，車(chē)身上增加了大量電子裝置，這些裝置都有可能分布到車(chē)上不同的位置。除了裝置本身占用的空間問(wèn)題外，還在車(chē)身上產(chǎn)生大量的連線，如何設(shè)計(jì)使用這些連線，包括網(wǎng)絡(luò)通訊，控制訊號(hào)及電源線等，這些都使工程師對(duì)汽車(chē)架構(gòu)改進(jìn)更新帶來(lái)了很大的推動(dòng)力。現(xiàn)在比較認(rèn)同的發(fā)展方向是區(qū)域汽車(chē)架構(gòu)（Zonal architectures），簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把裝置從之前以功能劃分到不同的域控制器（Domain controller）的域汽車(chē)架構(gòu)（Domain architectures），改變?yōu)榈桨蜒b置以實(shí)際地域劃分到不同地區(qū)上的區(qū)域控制器（Zone gateway／controller）。多個(gè)區(qū)域控制器和中央控制器（Central controller）之間再互相連接，這樣裝置只需要連接到最近區(qū)域控制器上，連線的線材可以大大減少，從而減少線材、載重和空間上的不同成本。另外，不同的功能也可以整合到區(qū)域控制器，有機(jī)會(huì)減少ECU的總使用數(shù)量。

區(qū)域汽車(chē)架構(gòu)的發(fā)展對(duì)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)和軟件架構(gòu)都帶來(lái)了改革，車(chē)載網(wǎng)絡(luò)有可能從異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（Heterogeneous network）走向同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（Homogeneous network），軟件架構(gòu)也會(huì)住面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）方向發(fā)展。

2.2 不停改進(jìn)的車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)

車(chē)載以太網(wǎng)提供了多樣的協(xié)議和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，適用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用。在接下來(lái)的部分中，我們將探討車(chē)載以太網(wǎng)在各種層面上是怎樣有效地對(duì)應(yīng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的種種特別要求和解決應(yīng)用上的各種痛點(diǎn)。

2.2.1

全方位的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)對(duì)應(yīng)方案

車(chē)載以太網(wǎng)支持多種物理層標(biāo)準(zhǔn)，以下是列出一些有關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)：

傳輸 100 Mbps（適用于 100BASE-T1 PHY 的 IEEE 802.3bw-2015）

傳輸 1 Gbps（適用于 1000BASE-T1 PHY 的 IEEE 802.3bp-2016）

傳輸 10 Mbps（適用于 10BASE-T1S PHY 的 IEEE 802.3cg-2019）

傳輸2.5G、5G和10Gbps（適用于 2.5G/5G/10GBASE-T1 PHY的IEEE 802.3ch-2020)

這些標(biāo)準(zhǔn)滿(mǎn)足對(duì)網(wǎng)絡(luò)頻寬的不同要求，能有效地對(duì)應(yīng)不同車(chē)載網(wǎng)絡(luò)對(duì)高低頻寬的使用要求，從而提供了達(dá)成同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的可行方案。這樣可以減少因?yàn)槭褂卯愘|(zhì)網(wǎng)絡(luò)區(qū)時(shí)，域控制器在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需要進(jìn)行的額外轉(zhuǎn)輸格式處理，而造成的傳輸延誤和占用硬件資源問(wèn)題。

還有的是這些標(biāo)準(zhǔn)都是使用單雙絞線，這樣也可以減少空間及重量所產(chǎn)生出來(lái)的成品問(wèn)題。

2.2.2

AVB 和TSN 的支持

實(shí)時(shí)的傳輸要求在最早的以太網(wǎng)路設(shè)計(jì)上并非主要考慮，但因?yàn)橹蟪霈F(xiàn)不同使用上的需要，以太網(wǎng)絡(luò)也不斷地出現(xiàn)了一些新的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)中的AVB和TSN 協(xié)議就被廣泛應(yīng)用在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)上。

2.2.2.1 AVB 協(xié)議

為應(yīng)付實(shí)時(shí)的影視音訊要求（如視像鏡頭、娛樂(lè)影音等），傳輸?shù)难舆t有了一定程度上的要求。IEEE 802.1 工作小組便針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)展了工作，訂立了IEEE 802.1Q網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及AVB 協(xié)議，主要適用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如下：

IEEE 802.1Qav-2009 

（Queuing and Forwarding for AVB Bridges）

定義規(guī)則以確保優(yōu)先級(jí)流將在預(yù)留中指定的延遲內(nèi)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)。

IEEE 802.1Qat-20210 

（Stream Reservation）

預(yù)留協(xié)議用于通知路徑中的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)預(yù)留支持特定流所需的資源。

IEEE 802.1AS-2011 

（Timing and Synchronization for 

Time-Sensitive Application）

協(xié)議提供在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)通用的時(shí)間概念，使終端站和交換機(jī)能夠相互同步本地網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘。

2.2.2.2 TSN 協(xié)議

雖然AVB協(xié)議提供了音頻/視頻使用的解決方案，但它并不適合時(shí)間關(guān)鍵和安全關(guān)鍵的控制流量。為此，從2012年開(kāi)始，開(kāi)始了TSN工作小組，以取代之前的AVB工作小組，主要適用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如下：

IEEE 802.1Qbv-2015

（Enhancements for Scheduled Traffic）

增強(qiáng)預(yù)定流量控制,引入了傳輸門(mén)機(jī)制來(lái)支持預(yù)定流量，能要求幀傳輸按照預(yù)定義的時(shí)間表進(jìn)行。

IEEE 802.1Qbu-2016

（Frame Preemption）

與IEEE 902.3br 結(jié)合，IEEE 802.1Qbu 實(shí)現(xiàn)幀搶占，把幀分為快速幀（實(shí)時(shí)幀time-critical）和可被搶占幀（即盡力而為幀best-effort）。實(shí)現(xiàn)幀搶占的優(yōu)點(diǎn)是減少實(shí)時(shí)幀的延遲，因?yàn)樗鼈儾恍枰却麄€(gè)盡力而為幀的傳輸，但可以在某個(gè)時(shí)刻搶占它。

IEEE 802.1Qci-2017

（Per-Stream Filtering and Policing）

該標(biāo)示能通過(guò)阻止流或端口來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和緩解并遏制錯(cuò)誤，以便錯(cuò)誤不會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上傳播，從而提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

IEEE 802.1QCB-2017 

（Frame Replication and Elimination for 

Reliability FRER）

通過(guò)利用幀識(shí)別功能，該標(biāo)準(zhǔn)在多個(gè)不相交的網(wǎng)絡(luò)路徑上提供幀復(fù)制和傳輸，以增加至少一個(gè)副本成功傳送到最終目的地的概率。

IEEE 802.1AS-2020

在IEEE 8021AS-2011中提供的切換過(guò)程不是很快，可能會(huì)導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)的時(shí)間跳躍。新的IEEE 802.1AS-2020支持多個(gè)同步主時(shí)鐘和多條同步路徑，以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫低延遲切換和故障模式下時(shí)間同步的快速恢復(fù)。

AVB和TSN協(xié)議都能有效滿(mǎn)足車(chē)載網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的使用要求。

2.2.3

加密的支持

安全性也是通信中關(guān)注的問(wèn)題之一，IEEE 802.1工作組也在研究如何在TSN網(wǎng)絡(luò)中采用現(xiàn)有的IEEE安全機(jī)制。其中MACsec IEEE 802.1AE-2018 協(xié)議為車(chē)內(nèi)ECU 交換的數(shù)據(jù)提供鏈路到鏈路加密和保護(hù)，并添加安全標(biāo)記、完整性檢查值、數(shù)據(jù)包編號(hào)字段和加密。該協(xié)議定義了數(shù)據(jù)封裝、加密和認(rèn)證的幀格式，應(yīng)用IEEE Std 802.1X協(xié)議提供Peer-to-Peer方式密鑰建立機(jī)制，實(shí)體地保護(hù)整個(gè)或部分網(wǎng)絡(luò)的安全。

目前正在運(yùn)行的P802.1AEdk 項(xiàng)目是IEEE Std 802.1AE-2018 標(biāo)準(zhǔn)的修訂版。該標(biāo)準(zhǔn)指定了MAC隱私保護(hù)封裝協(xié)議及其與MAC 安全協(xié)議（MACsec）的結(jié)合使用，以隱藏用戶(hù)數(shù)據(jù)幀的源MAC 地址和目標(biāo)MAC地址，并減少可觀察到的幀大小和傳輸時(shí)序之間的任何相關(guān)性。

2.2.4

對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用的強(qiáng)大支持

車(chē)載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是由知名標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)提供的，是一項(xiàng)成熟的技術(shù)可滿(mǎn)足負(fù)載和集成的需求。使用以太網(wǎng)路也更直接有效地使用種類(lèi)繁多，功能全面和安全可靠的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用協(xié)議。提供了很多應(yīng)用的現(xiàn)有解決方案，從而減少?gòu)牧汩_(kāi)始的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)間。

3. 全面支持以太網(wǎng)路的AURIX^TM TC4x

AURIX^TM TC4x為具有安全和強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能的ECU定義了新一代控制器標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 AURIX^TM 對(duì)以太網(wǎng)路的支持

AURIX^TM TC4x架構(gòu)增強(qiáng)了安全性和連接性。

1

高速和時(shí)效性的Gigabit Ethernet GETH

（ETHMAC）

支持高達(dá) 2x5GBit以太網(wǎng)，包括橋接器，以太網(wǎng)端口支持IEEE 802.1 AVB和TSN協(xié)議的硬件要求。

2

廣泛性的Lite Ethernet（LETH）

支持 4x10/100MBit以太網(wǎng)速度，另外還支持了10Base-T1S標(biāo)準(zhǔn)，把以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍延伸到一些傳統(tǒng)ECU需要的低速數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域。

3

安全的Cyber Security Satellite（CSS）

用于安全CAN/以太網(wǎng)通信的Crypto和Hash引擎。

4. 總結(jié)

現(xiàn)在汽車(chē)發(fā)展正在從傳統(tǒng)的域汽車(chē)架構(gòu)（Domain architectures）到區(qū)域汽車(chē)架構(gòu)（Zonal architectures）以及硬件定義汽車(chē)（Hardware-defined cars）到軟件定義汽車(chē)（Software-defined cars）的過(guò)渡中，而使用更高程度的ADAS/AD的個(gè)人消費(fèi)類(lèi)汽車(chē)將會(huì)更加普及，車(chē)載以太網(wǎng)在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的滲透率對(duì)會(huì)不斷提升。

通過(guò)利用新一代AURIX^TM TC4x對(duì)以太網(wǎng)和安全網(wǎng)絡(luò)的各種功能，幫助汽車(chē)行業(yè)ECU開(kāi)發(fā)人員，獲得對(duì)應(yīng)新一代汽車(chē)平臺(tái)上的優(yōu)質(zhì)解決方案，從而實(shí)現(xiàn)更快開(kāi)發(fā)時(shí)間和更安全汽車(chē)平臺(tái)更新計(jì)劃。