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汽車以太網(wǎng)：引領(lǐng)汽車IVN向多速以太網(wǎng)過渡

2020-08-14 16:19:05·  來源：汽車電子與軟件  
　
引言：汽車行業(yè)已經(jīng)成功地基于開放IEEE標(biāo)準(zhǔn)引入了用于車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）的以太網(wǎng)。在OPEN聯(lián)盟SIG和IEEE802.3工作組的推動(dòng)下，這些標(biāo)準(zhǔn)旨在開發(fā)一種更簡(jiǎn)單但功能更
引言：
汽車行業(yè)已經(jīng)成功地基于開放IEEE標(biāo)準(zhǔn)引入了用于車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）的以太網(wǎng)。在OPEN聯(lián)盟SIG和IEEE802.3工作組的推動(dòng)下，這些標(biāo)準(zhǔn)旨在開發(fā)一種更簡(jiǎn)單但功能更強(qiáng)大的汽車電氣/電子架構(gòu)。通過支持從10Mbps到10Gbps的以太網(wǎng)速度等級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)更加同質(zhì)的基于以太網(wǎng)的車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）。此外， 用于IVN的以太網(wǎng)通過使用重量較輕的單對(duì)非屏蔽雙絞線電纜提供了成本最低的布線解決方案，因此對(duì)高性能帶寬功能的需求正在進(jìn)一步加速基于以太網(wǎng)的車載網(wǎng)絡(luò)。
 
1、適用于汽車應(yīng)用的10G / 2.5G / 1G多速以太網(wǎng)控制器IP
為了構(gòu)建高度集成的基于以太網(wǎng)的片上系統(tǒng)（SoC），Cadence提供了用于汽車應(yīng)用的10G / 2.5G / 1G多速以太網(wǎng)控制器，該控制器是高度可定制的軟控制器IP，并且已通過ISO 26262 ASIL-B認(rèn)證（ 如下圖所示）。
 
圖1：帶以太網(wǎng)控制器IP的SoC框圖
1.1 以太網(wǎng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景 – 自動(dòng)駕駛
1）傳感器數(shù)據(jù)傳輸：推動(dòng)自動(dòng)駕駛需要實(shí)時(shí)傳輸和處理來自攝像頭、毫米波雷達(dá)以及激光雷達(dá)等多種異構(gòu)傳感器的數(shù)據(jù)流。
2）關(guān)鍵任務(wù)控制系統(tǒng)：為了滿足關(guān)鍵任務(wù)控制系統(tǒng)（如制動(dòng)，轉(zhuǎn)向等）的低延遲和安全性要求，需要時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）。TSN支持魯棒性，低延遲和確定性的同步數(shù)據(jù)包傳輸，并且是音頻視頻橋接傳輸（AVB）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的超集（父集）。
為了支持一系列以太網(wǎng)應(yīng)用，控制器IP具有集成1000base-X和USXGMII PCS模塊、具有高級(jí)AXI加載功能的高性能DMA、描述符緩存、QoS和IEEE1588支持（圖2）。IP支持時(shí)間同步，例如通過時(shí)間戳單元（TSU）的IEEE 1588/802.1AS精確時(shí)間協(xié)議（PTP）。
 
圖2：控制器IP的IP級(jí)框圖
1.2 控制器IP的主要特點(diǎn)：
— 10G / 2.5G / 1G多速以太網(wǎng)控制器
— 100M和10M速度等級(jí)
— TSN / AVB硬件支持，包括優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，流量整形和時(shí)間感知調(diào)度
— 時(shí)間同步協(xié)議IEEE 1588 / 802.1AS
— 嵌入式實(shí)時(shí)時(shí)鐘和時(shí)間戳單元
— 全雙工流控制
— 缺陷加權(quán)循環(huán)（DWRR）和嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)
— 符合ISO 26262 ASIL-B
— 增強(qiáng)的主動(dòng)功能安全功能
— TCP/IP卸載功能和IEEE 1588支持
— 與Arm®AMBA®3 AXI和AMBA 4 AXI和AHB互連的無(wú)縫DMA接口
— MII, RMII, GMII, RGMII, USXGMII, 和 SGMII 接口
— 集成 1000base-X PCS 和USXGMII PCS
— 與100Mbps，1Gbps和10Gbps以太網(wǎng)PHYs的無(wú)縫互操作性
— 符合IEEE 802.3并經(jīng)過UNH測(cè)試
— 參考驅(qū)動(dòng)程序，包括Linux支持
— 功能安全性，包括安全手冊(cè)和ISO 26262 ASIL-B準(zhǔn)備就緒證書
1.3 功能安全特征和文件
以太網(wǎng)MAC具有針對(duì)汽車應(yīng)用的附加功能安全功能。這包括使用ECC的內(nèi)存保護(hù)、數(shù)據(jù)路徑和地址奇偶校驗(yàn)保護(hù)、致命故障檢測(cè)、報(bào)告和恢復(fù)機(jī)制。交付物還包括安全手冊(cè)和ISO 26262 ASIL-B準(zhǔn)備就緒證書。
1.4 支持IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)
1）IEEE802.1AS-Rev — 時(shí)間敏感應(yīng)用的定時(shí)和同步
2）IEEE802.1Qbu/IEEE 802.3br — 幀優(yōu)先權(quán)
3）IEEE802.1Qbv — 預(yù)定流量的增強(qiáng)
4）IEEE802.1Qcc — 流預(yù)留協(xié)議增強(qiáng)（SRP）和性能提升
5）IEEE802.1CB — 幀復(fù)制和消除以提高可靠性
6）IEEE802.1Qav — 時(shí)間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊(duì)增強(qiáng)
7）IEEE802.1Qci — 每流過濾和接收流量監(jiān)管
8）IEEE802.1Qaz — 增強(qiáng)傳輸選擇（ETS）

2、以太網(wǎng)Verification IP （VIP），最高支持100G
結(jié)合最新的協(xié)議更新，成熟和全面的Cadence Verification IP（VIP）為以太網(wǎng)提供了一個(gè)完整的總線功能模型（BFM），包括錯(cuò)誤插入、集成的自動(dòng)協(xié)議檢查程序和覆蓋模型。專為IP、SoC和系統(tǒng)級(jí)別的測(cè)試臺(tái)輕松集成而設(shè)計(jì)，高達(dá)100G的以太網(wǎng)VIP可幫助您縮短測(cè)試時(shí)間，加快驗(yàn)證關(guān)閉，并確保最終產(chǎn)品質(zhì)量。
最高可達(dá)100G的以太網(wǎng)VIP可在所有主要仿真器上運(yùn)行，并支持SystemVerilog和e驗(yàn)證語(yǔ)言以及相關(guān)方法，包括通用驗(yàn)證方法（UVM）和開放驗(yàn)證方法（OVM）
高達(dá)100G的以太網(wǎng)VIP支持在獨(dú)立、部分堆棧和全堆棧模式下驗(yàn)證以太網(wǎng)接口，速度從10Mbps到100Gbps：
1）XMII級(jí)別：介于MAC和PHY之間
2）PHY子層：PCS、FEC、PMA和PMD之間
3）鏈路伙伴：發(fā)送站和接收站之間
高達(dá)100G的以太網(wǎng)VIP符合IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范草案。它支持其他廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)接口，這些接口是專有的且基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。因此，VIP支持不同的配置，如圖3和圖4所示:
 
圖3.帶有MAC + PHY DUT的以太網(wǎng)VIP使用情況
 
圖4.帶有MAC DUT和PHY DUT的以太網(wǎng)VIP使用情況

3、用于TSN以太網(wǎng)的VIP
于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的Cadence VIP為TSN協(xié)議棧提供了成熟的，功能強(qiáng)大的合規(guī)性驗(yàn)證解決方案，并結(jié)合了BFM，包括錯(cuò)誤插入，集成的自動(dòng)協(xié)議檢查器和覆蓋模型。
以太網(wǎng)TSN的VIP設(shè)計(jì)用于輕松集成到IP，SoC和系統(tǒng)級(jí)別的測(cè)試平臺(tái)中，從而有助于減少測(cè)試時(shí)間，加快驗(yàn)證結(jié)束并確保最終產(chǎn)品質(zhì)量。
以下一組協(xié)議是TSN以太網(wǎng)VIP的一部分：
— IEEE 802.1AS PTP
— IEEE 802.1Qbu
— IEEE 802.3br
— IEEE 802.1Qav
— IEEE 802.1Qbv
— IEEE 802.1Qat
— IEEE 802.1AE
— IEEE 1722
TSN協(xié)議通常設(shè)計(jì)為在以太網(wǎng)MAC層和PHY層的框架上工作，其工作速度為1Gbps或更低。

4、符合標(biāo)準(zhǔn)接口的VIP
汽車SoC中接口數(shù)量的增加和復(fù)雜性的增加使得難以徹底驗(yàn)證設(shè)計(jì)。Cadence VIP通過提供VIP組件來提高質(zhì)量，這些組件可以檢查是否符合標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，例如CAN，LIN，以太網(wǎng)，DDR，F(xiàn)lash，USB等；
Benefits：
• 久經(jīng)考驗(yàn)的VIP提供者，超過500個(gè)客戶選擇
• VIP可用于100多種接口和內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)
• 符合關(guān)鍵任務(wù)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范

5、Sigrity SystemSI汽車以太網(wǎng)通道仿真
實(shí)施汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，并使用Cadence Sigrity™SystemSI™技術(shù)通過物理以太網(wǎng)通道分析ECU到ECU的通信性能，來自動(dòng)進(jìn)行芯片到芯片的信號(hào)完整性分析。
模擬完整的物理通道以確保以太網(wǎng)合規(guī)性：
- 測(cè)試不同的PHY、連接器和電纜組合
- 支持電纜分段（不同電纜長(zhǎng)度）
- 帶或不帶護(hù)套、屏蔽
- 從ECU到ECU的基于仿真的電磁干擾驗(yàn)證和優(yōu)化
- 分析電纜老化效應(yīng)
- 在PCB上運(yùn)行電源完整性分析
- 支持100base-T1和1000base-T1 PHY的汽車以太網(wǎng)合規(guī)性檢查

6、100base-T1 PHY和1000base-T1 PHY的汽車以太網(wǎng)符合性測(cè)試
• 適用于任何電纜拓?fù)涞腜HY的IBIS AMI模型
– TX和RX型號(hào)
• 采用Sigrity SystemSI技術(shù)模擬的物理信道
• 支持符合性測(cè)試：
– 發(fā)射器輸出下降
– 發(fā)射器功率譜密度
– 發(fā)射器抖動(dòng)（主/從）
– 發(fā)射器時(shí)鐘頻率（PAM3）
– 發(fā)射器失真
– 回波損耗測(cè)量
 
圖5：100base-T1發(fā)射器輸出下降

7、以太網(wǎng)快速協(xié)議
對(duì)于基于FPGA的快速原型開發(fā)，Cadence開發(fā)了BroadR-Reach PHY接口卡，該接口卡可以插入基于CadenceProtium™ FPGA的原型開發(fā)平臺(tái)中。這樣，外部硬件如以太網(wǎng)攝像機(jī)、影音娛樂主機(jī)單元以及其他設(shè)備可以通過非屏蔽雙絞線直接與FPGA系統(tǒng)連接。
這樣，最初作為FPGA原型實(shí)現(xiàn)的SoC也可以運(yùn)行軟件，以利用Protium解決方案對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行早期的硬件/軟件驗(yàn)證。此設(shè)置還有助于分析使用不同的電纜，連接器和其他硬件配置對(duì)整體系統(tǒng)性能的影響。
以太網(wǎng)快速原型的一個(gè)相關(guān)應(yīng)用是使用停車輔助系統(tǒng)內(nèi)的攝像機(jī)應(yīng)用在頂視或后視配置中。利用硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，工程師可以在硬件（包括SoC）可用之前就開發(fā)和測(cè)試驅(qū)動(dòng)它們的汽車以太網(wǎng)應(yīng)用程序（硬件/軟件）。
Cadence BroadR-Reach接口卡可以通過Cadence汽車以太網(wǎng)MAC將任何外部以太網(wǎng)設(shè)備與ECU或其他控制單元連接。
 
圖6：物理以太網(wǎng)通道的關(guān)鍵組件
—END—
參考資料：
1.     Automotive Ethernet - Leading thetransition to multi-speed Ethernet in Automotive
關(guān)注作者：
 
 
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