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高階自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的通信存儲(chǔ)技術(shù)

2021-10-21 22:46:24·  來(lái)源：焉知智能汽車  作者：Jessie  
　
高階自動(dòng)駕駛汽車需要通過(guò)高帶寬和低延遲的網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接所有傳感器、攝像頭、診斷工具、通信系統(tǒng)以及中央人工智能。這些技術(shù)會(huì)產(chǎn)生、發(fā)送、接收、存儲(chǔ)和處理海量數(shù)
高階自動(dòng)駕駛汽車需要通過(guò)高帶寬和低延遲的網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接所有傳感器、攝像頭、診斷工具、通信系統(tǒng)以及中央人工智能。這些技術(shù)會(huì)產(chǎn)生、發(fā)送、接收、存儲(chǔ)和處理海量數(shù)據(jù)。
對(duì)于下一代自動(dòng)駕駛域控制器來(lái)說(shuō)，常用車載網(wǎng)絡(luò)有CAN、LIN、FlexRay、MOST和LVDS等。除LVDS外，其他都是專門為汽車行業(yè)設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前，大部分汽車通過(guò) CAN 或 LIN 聯(lián)網(wǎng)，但隨著數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)量的增加，這些總線因?yàn)閹捿^低、體積較大而不太適合。CAN/LIN總線仍然會(huì)有一席之地，但它不會(huì)成為通信系統(tǒng)的骨干。

如上圖表示了一種集中式域控制器的內(nèi)部通用連接形式，對(duì)于下一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)連接而言，主要涉及中央域控制器單元中的芯片連接，傳感器接口輸入連接，調(diào)試接口連接，存儲(chǔ)連接等。

在中央域控制器中，通常需要設(shè)計(jì)一定大小的存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)、程序、文件、圖像等信息的存取。設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)單元包括Flash、EMMC、LDDR等。其中，F(xiàn)lash一般存放驅(qū)動(dòng)程序文件，大小為32MB-64MB，EMMC主要用于存儲(chǔ)高精地圖數(shù)據(jù)，眾包建圖，自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)記錄，影子模式、大數(shù)據(jù)等信息，大小需求大致為96GB-128GB。LDDR主要用于程序運(yùn)行緩存。這里我們需要講解一下幾種典型的通信鏈路硬件形式，其中包含SPI、UART、GPIO、PCIe、CanFD、FlexRay以及ethernet等。
為了說(shuō)明各種通信鏈路的連接形式適用場(chǎng)景，我們需要將這些通信鏈路及相應(yīng)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行不同程度的功能分析及優(yōu)缺點(diǎn)說(shuō)明，并著力于為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)域控制器硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)過(guò)程提供幫助和參考。
01 系統(tǒng)架構(gòu)外圍通信總線
自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的外圍通信總線主要是指中央域控制器所連接的外圍傳感器、存儲(chǔ)硬盤、顯示單元及整車執(zhí)行器等。這些外圍傳感器、執(zhí)行器單元的連接方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型主要包括原始視頻數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、毫米波雷達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)及控制/顯示指令等信息。主要的通信連接方式包括了Ethernet、CanFd/Flexray/Lin等。
如下表表示了高階自動(dòng)駕駛中央域控制器單元中的除AI計(jì)算單元SOC及邏輯計(jì)算單元MCU以外的所有典型網(wǎng)絡(luò)連接、存儲(chǔ)及接口信息交換單元數(shù)據(jù)信息。

1、Ehternet
為什么要用以太網(wǎng)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，整體汽車架構(gòu)會(huì)強(qiáng)烈的影響網(wǎng)絡(luò)走向，以太網(wǎng)可以在域控制單元的車載網(wǎng)絡(luò)中減少線束的同時(shí)，很好的提升服務(wù)質(zhì)量。目前，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)架構(gòu)已逐漸向集中式架構(gòu)進(jìn)行不斷演進(jìn)，這就意味著可以采用經(jīng)典的zonal架構(gòu)將分布在各zone的所有數(shù)據(jù)帶入一個(gè)中心位置區(qū)域進(jìn)行處理，而中央集中式方案的挑戰(zhàn)之一就是帶寬，基本上該帶寬可以輕松的增加到10Gbps，當(dāng)前我們車載以太網(wǎng)的速度僅僅是1Gpbs。
一般的，在外圍傳感器連接中，毫米波雷達(dá)不需要千兆的以太網(wǎng)，低速以太網(wǎng)足以，攝像頭既可以用過(guò)以太網(wǎng)，也可以采用傳統(tǒng)的LVDS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而如果增加了激光雷達(dá)，則攝像頭+激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的組合就需要高速以太網(wǎng)。這里需要說(shuō)明一點(diǎn)，在集成到域控制器的高速以太網(wǎng)PHY中，可能存在多個(gè)不同的通道同時(shí)驅(qū)動(dòng)20-30甚至更長(zhǎng)英尺的線束。這就會(huì)導(dǎo)致域控制器中的Soc發(fā)熱量出現(xiàn)巨大的增加，這將使得整個(gè)域控制器的封裝價(jià)格出現(xiàn)巨大的攀升。
2、CANFD/FLexRay/Lin
CanFD作為之前Can網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)版，且只升級(jí)了協(xié)議，物理層未改變。具備更高的帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率。Can與CanFD主要區(qū)別：傳輸速率不同、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同、幀格式不同、ID長(zhǎng)度不同。同時(shí)，CANFD速率可變，仲裁比特率最高1Mbps（與CAN相同），數(shù)據(jù)比特率最高8Mbps。因此，在下一代智能駕駛汽車的通信網(wǎng)絡(luò)中，主要作為漸進(jìn)式網(wǎng)絡(luò)通信單元用于傳輸較高帶寬需求及較大速率的Can信號(hào)通信中。
Lin為局部連接網(wǎng)絡(luò)，是一種低成本、串行通信，通信接口為UART。Lin分為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，通過(guò)單線連接。Lin在下一代智能駕駛汽車中，主要應(yīng)用于通信帶寬要求比較低的車身控制方面，如方向盤按鍵、車窗、座椅等，可作為Can通信補(bǔ)充。
FlexRay主要是應(yīng)對(duì)汽車安全性、功能性方面的要求，即可以提供更高傳輸帶寬、更高可靠性的場(chǎng)合。他和可以完全實(shí)現(xiàn)Can或者Lin的所有功能，但更多的是具備更高的確定性、容錯(cuò)性、高速等特點(diǎn)。主要應(yīng)用在對(duì)誤差容限和時(shí)間確定性要求較高的線控領(lǐng)域，如下一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通常采用線控制動(dòng)、線控轉(zhuǎn)向、線控驅(qū)動(dòng)等方式進(jìn)行相應(yīng)的橫縱向控制。Flexray主要是基于差分信號(hào)傳輸，由兩條總線組成，通常使用雙絞線。Flexray總線收發(fā)數(shù)據(jù)主要采用時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)的方式進(jìn)行，利用時(shí)間觸發(fā)通信時(shí)，可以盡可能的保持傳輸同步與可預(yù)測(cè)，這對(duì)需要高速線控控制的三大控制執(zhí)行單元十分有利。但因其Flexray成本較高、設(shè)施復(fù)雜等缺點(diǎn)，并不會(huì)完全取代其他主要的車載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
02 高性能計(jì)算平臺(tái)片間通信總線
智能駕駛高階域控制器需要把多個(gè)CPU核心為單位的SOC/MCU/MPU及相關(guān)輔助電路封裝在一個(gè)主板上，這種多芯片域控單元稱之為中央域控制器。當(dāng)然，多核多芯片的域控制器往往會(huì)包含更多的輔助電路，以解決多個(gè)CPU核心之間的通信和協(xié)調(diào)問(wèn)題。當(dāng)前常用的輔助電路連接方式有以下幾種：GPIO、SPI、UART、PCIe、I2C。

1、GPIO
GPIO表示一種通用型輸入輸出總線，是一個(gè)靈活的軟件控制的數(shù)字信號(hào)。每個(gè)GPIO提供一位與特定的管腳相連。域控SOC處理器非常依賴于GPIO，某些情況下，普通管腳可以被配置為GPIO。大多數(shù)芯片至少擁有幾組類似的GPIO。GPIO驅(qū)動(dòng)可寫成通用的，便于單板編寫代碼可以將這些管腳配置數(shù)據(jù)傳遞給驅(qū)動(dòng)。在高階自動(dòng)駕駛AI芯片中具備電源管理、音視頻解碼等功能，也會(huì)經(jīng)常具有一些這樣的管腳來(lái)彌補(bǔ)SOC芯片上面管腳的不足。這里就需要設(shè)計(jì)一些GPIO的擴(kuò)展芯片，連接用于I2C或是SPI串行總線。
這里需要說(shuō)明的是：如果用GPIO口模擬SPI總線，必須要有一個(gè)輸出口(SDO)，一個(gè)輸入口(SDI)，另一個(gè)口則視具體的設(shè)備類型而定，如果要實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備，則需輸入輸出口，若只實(shí)現(xiàn)主設(shè)備，則需輸出口即可，若只實(shí)現(xiàn)從設(shè)備，則只需輸入口即可。
2、SPI
SPI是一種高速、全雙工、同步、串行通信串行外設(shè)接口總線，3~4線接口，以主從模式工作，收發(fā)獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)SPI設(shè)備互相連接。
SPI總線由三條信號(hào)線組成，分別是SCLK（串行時(shí)鐘）、SDI（串行數(shù)據(jù)輸入）、SDO（串行數(shù)據(jù)輸出）。當(dāng)有多個(gè)從設(shè)備時(shí)，還可以增加一條從設(shè)備選擇線，用CS控制芯片是否被選中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在同一總線上多個(gè)SPI設(shè)備互相連接，比如一塊芯片上可以掛接多個(gè)Flash設(shè)備。這里我們通常用SPI作為Nor Flash的通信連接方式，解決了不同容量的Nor flash在數(shù)據(jù)線和地址線的數(shù)量不同時(shí)，其在硬件上兼容性問(wèn)題，并且不同容量的SPI Nor flash管腳也兼容封裝也更小，占用了合適的PCB板位置。SPI Nor Flash每次傳輸一bit位的數(shù)據(jù)，接口簡(jiǎn)單點(diǎn)，速度慢，但性價(jià)比高。對(duì)于中央域控制器來(lái)說(shuō)，Norflash 主要用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)程序，通常情況這對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)過(guò)程的實(shí)時(shí)性要求并不高，一般可采用串行數(shù)據(jù)的方式提前寫入Nor Flash即可。
提供SPI串行時(shí)鐘的SPI設(shè)備為SPI主機(jī)或主設(shè)備(Master)，其他設(shè)備為SPI從機(jī)或從設(shè)備(Slave)。
3、UART
UART是一種通用異步收發(fā)器總線，為兩線、全雙工、異步串口，特點(diǎn)是速度慢。比SPI、I2C這兩種同步串口的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜很多，一般由波特率產(chǎn)生器（產(chǎn)生的波特率等于傳輸波特率的16倍）、UART接收器、UART發(fā)送器組成，硬件上有兩根線，一根用于發(fā)送，一根用于接收。
作為接口的一部分，UART可以提供以下功能：
  • UART是用于控制中央計(jì)算單元與串行設(shè)備的芯片，它提供了RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣域控制器芯片就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用RS-232C接口的串行設(shè)備通信了；
  • 并/串轉(zhuǎn)化：將由SOC傳遞的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流；
  • 串行轉(zhuǎn)化字節(jié)：將CPU單元外部來(lái)的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供MCU內(nèi)部并行數(shù)據(jù)器件使用；
  • 奇偶校驗(yàn)：在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗(yàn)位及啟停標(biāo)志位，并對(duì)從外部接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行奇偶校驗(yàn)；
  • 輸入輸出緩沖區(qū)，處理域控制器與外部串行設(shè)備（如攝像頭）數(shù)據(jù)管理及同步管理問(wèn)題；
4、PCIe
PCIe總線使用端到端的連接方式，在一條PCIe鏈路的兩端只能各連接一個(gè)芯片設(shè)備，且這兩個(gè)芯片是互為是數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端的。PCIe總線除了總線鏈路外，還采用了與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧較為類似的模型層次，發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)都會(huì)經(jīng)過(guò)該層次。在高性能計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)中，往往利用PCIe在不同的SOC之間傳遞圖像、點(diǎn)云等信息。在域控制器內(nèi)部的芯片處理邏輯中，均采用了并行數(shù)據(jù)處理方式。而其中最重要的性能參數(shù)有兩個(gè)：即帶寬和傳輸實(shí)時(shí)性。
我們一般關(guān)注于有效帶寬，而在PCIe總線中，影響有效帶寬的因素有很多，其有效帶寬較難計(jì)算。通常只能計(jì)算PCIe鏈路的峰值帶寬來(lái)做大致評(píng)估。
峰值帶寬=總線頻率×數(shù)據(jù)位寬×2
如下表表示了PCIe中總線數(shù)據(jù)位寬與峰值帶寬的關(guān)系，了解PCIe峰值帶寬可便于我們?cè)谠O(shè)計(jì)與域控制器過(guò)程中設(shè)計(jì)較好的硬件選型，從整體數(shù)據(jù)、圖像、點(diǎn)云等信息傳輸需求上選定合適大小的PCIe。PCIe最高版本 V3.0規(guī)范使用4GHz的總線頻率，將進(jìn)一步提高PCIe鏈路的峰值帶寬。

PCIe鏈路使用串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，然而在芯片內(nèi)部，數(shù)據(jù)總線仍然是并行的，因此PCIe鏈路接口需要進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，這種串并轉(zhuǎn)換將產(chǎn)生較大的延時(shí)。這也是PCIe應(yīng)用過(guò)程中的最大缺陷。 除此之外PCIe總線的數(shù)據(jù)報(bào)文需要經(jīng)過(guò)事務(wù)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，這些數(shù)據(jù)報(bào)文在穿越這些層次時(shí)，也將帶來(lái)延時(shí)。

PCIe總線層次組成結(jié)構(gòu)
在域控制器中，PCIe鏈路使用端到端的數(shù)據(jù)傳送方式。在一條PCIe鏈路的兩端SOC/MCU芯片端口是完全對(duì)等的，分別為發(fā)送和接收端，而且一個(gè)PCIe鏈路的一端只能連接一個(gè)發(fā)送設(shè)備或者接收設(shè)備。因此PCIe鏈路必須使用Switch擴(kuò)展PCIe鏈路后，才能連接多個(gè)設(shè)備。
在PCIe總線中，Switch是一個(gè)類似交換機(jī)的存在，該設(shè)備由1個(gè)上游端口和多個(gè)下游端口組成。
5、I2C
I2C表示一種集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構(gòu)，方便了中央域控制器系統(tǒng)與外圍傳感器之間的有效通信。由于其簡(jiǎn)單性，它被廣泛用于微控制器MCU/SOC與傳感器陣列、EPROM之間的通信。
03 高性能智能駕駛平臺(tái)中的通信接口
1、MIPI - CSI/DSI
MIPI為移動(dòng)行業(yè)處理器接口，通常用于適配下一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng) DSI, CSI (Display Serial Interface, Camera Serial Interface），其中DSI 定義了一個(gè)位于處理器和顯示模組之間的高速串行接口，DSI是一種Lane可擴(kuò)展的接口，1個(gè)時(shí)鐘Lane/1-4個(gè)數(shù)據(jù)Lane。DSI和CSI的物理層定義都由D-PHY提供。在下一代高階智能駕駛系統(tǒng)中，DSI通常用于連接和輸入超聲波雷達(dá)數(shù)據(jù)，而CSI 定義了一個(gè)用于處理器和攝像模組之間的高速串行接口。

2、Serializer/Deserializer
在高階智能駕駛系統(tǒng)架構(gòu)中，其外圍傳感器部件往往趨向于高帶寬，大數(shù)據(jù)，這可能加劇對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的布線難度，提升功耗，增加封裝成本等。通常中央域控制器處理的是串行數(shù)據(jù)，因此，需要首先會(huì)傳感器視頻的輸出信號(hào)進(jìn)行并/串行(加串)轉(zhuǎn)換，而對(duì)其顯示單元的輸入信號(hào)進(jìn)行串并行(解串)轉(zhuǎn)換。
如上圖，F(xiàn)PD-link 是用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸視頻的接口。該接口利用SerDes技術(shù)可通過(guò)雙絞線或同軸線纜傳輸高清數(shù)字視頻以及雙向控制通道。這樣可以在域控制器單元與攝像頭或顯示單元與攝像頭之間進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)通過(guò)不同的采樣時(shí)鐘確保視頻流和數(shù)據(jù)流在相同物理通道中的同步傳送。
在如上視頻圖像的處理過(guò)程中我們可稱之為圖像序列化，這一過(guò)程可以方便網(wǎng)絡(luò)傳輸，協(xié)議解釋及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。同時(shí)，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中采用串行器/解串器（SERDES）技術(shù)的高速串行接口來(lái)取代傳統(tǒng)的并行總線架構(gòu)，可以減少布線沖突、降低開(kāi)關(guān)噪聲、更低的功耗和封裝成本等。
總結(jié)
高階自動(dòng)駕駛域控制器的工作處理能力不僅體現(xiàn)在對(duì)于提供大算力、高性能圖像處理芯片，更多也是依賴于內(nèi)部片間通信網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)單元與外設(shè)總線傳輸、接口等設(shè)計(jì)。通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)講究網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶寬、速率、穩(wěn)定性及避免通信沖突等問(wèn)題。存儲(chǔ)單元?jiǎng)t是要求存儲(chǔ)容量、穩(wěn)定性等方面的需求。外圍接口則更多的關(guān)注接口適配性，與通信網(wǎng)絡(luò)總線的連接程度等問(wèn)題。以上每一項(xiàng)對(duì)于真正涉及域控制器實(shí)體PCB版設(shè)計(jì)都是必須完全考慮的內(nèi)容，本文從整體分析中給設(shè)計(jì)師在各傳輸、存儲(chǔ)等方面的硬件選型上提供了一定的參考。此外，如果更加細(xì)化，就會(huì)涉及實(shí)際的電阻、電容甚至布線規(guī)則等，本文就不再做細(xì)化。
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