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行业洞察 I 一文了解车载以太网及其设计

以太网于 1971 年问世,当时被称为 AlohaNet,是世上第一个无线分组数据网络。从它的名称中可以猜到,它诞生于夏威夷。夏威夷大学主要的分时计算机系统位于欧胡岛校区,但在其他岛屿上也有这所大学的校区。该系统以卫星为基础,其中一个细节值得注意:这套系统使用了共享的无线通道。如果系统想发送信号,需等到通道空闲时,才能将信号发送给卫星。它还会侦听卫星下行链路。由于延迟,通道很有可能只在启动传输时才可使用,数据包还会与来自另一个传输者的另一个数据包发生冲突。第一级重传将发现这种情况,并在等待片刻后再次尝试传输。有一个常见的网络协议可用于处理端到端确认、以其他方式损坏的数据包等等。


Xerox PARC 研究中心的 Robert Metcalfe 和 David Boggs 在 20 世纪 70 年代初设计出了最初的以太网,其中一些是基于 AlohaNet设计的;Robert 在攻读博士学位期间对 AlohaNet 有所涉猎。尽管以“以太”命名,以太网并不是像 AlohaNet 那样在空气中传播,而是通过同轴电缆传输数据。但二者拥有一些相同的功能:在信道空闲时进行传输、侦听冲突,并自动重传。当时,PARC 研究中心的所有 Alto 计算机都与最初的以太网联网,传输速率为 3Mb/s。

第一个商用以太网是 1980 年推出的 DIX 以太网,传输速率为 10Mb/s。DIX 是 DEC-Intel-Xerox 的首字母缩写,代表了创建该标准的三家公司:一家制造计算机并需要局域网技术的公司;一家制造芯片以降低成本的半导体公司;以及一家首先提出该想法的公司(也是当时唯一一家拥有此类网络运营经验的公司)。网络的“类型”为 CSMA/CD,这是“载波监听多路访问冲突检测”的首字母缩写。这个 10Mb/s 以太网也通过单个共享的同轴电缆传输数据。不久后,这变成了 IEEE 802.3 标准。


逐渐地,所有其他网络技术(例如 Apollo 的令牌环网、剑桥环网等等)都被以太网取代。在 20 世纪 90 年代,共享的同轴电缆被点对点双绞线(标准电话线)所取代,利用交换机和路由器将流量传送到目的地。近 50 年后的今天,以太网几乎彻底打败了其他的有线(或光纤)网络技术。云数据中心通过以太网将服务器连接到机架式路由器;而机架式路由器也是通过以太网在数据中心内进行连接;数据中心也通过以太网相互连接。

然而,在汽车上还存在其他的有线标准,特别是 CAN 总线(CAN 是指控制器局域网的英文缩写)。如果车内的数据传输量很小,比如座椅调整、后视镜调整、收音机调频,倒车雷达等等,那么 CAN 总线完全可以胜任。可是,向 ADAS(高级驾驶员辅助系统)和自动驾驶的转变改变了一切。现在,典型的汽车架构拥有功能强大的中央计算机,并与摄像机、雷达和激光雷达的信号源相连接。这需要大量带宽,超出了 CAN 总线(以及 LIN、FlexRay 等其他技术)所能提供的带宽。当我们需要具有大量带宽的有线网络时,实际上只能选择以太网,因为这样才可以利用芯片、软件、测试设备、网络监控等组成的整个生态系统。


以太网的另一个优点是它在非屏蔽双绞线上运行。这意味着可以显著降低线束的重量和复杂性。据说,有些线束可以达到 50 公斤。这个重量可不轻,会影响续航里程,更别说高昂的生产成本了。可以说,汽车是靠线束才成为一个整体,如果线束出了问题,汽车通常就会报废——购买新车比修理旧车更划算。

PARC 初代 3Mb/s 以太网(以及梅特卡夫定律)的发明者 Bob Metcalfe 在《车载以太网:权威指南(Automotive Ethernet: The Definitive Guide)》的前言中写到:

今后的汽车将配备车载以太网。

上图显示了车载以太网架构,设备分布在汽车周围,通过车载以太网与车载主机和交换机连接。除了数据中心所需的以太网功能外,车载以太网还需要支持时间敏感网络 (TSN) 和 IEEE 1722 音频视频桥接 (AVB) 传输协议。这些技术使车载网络可以提供有关延迟和同步的服务质量 (QoS) 保证。

以太网接口包括三部分:PHY、MAC 和控制器。对于所有这三部分,Cadence 都有可用的设计 IP (DIP)。

PHY 是将芯片连接到物理介质的模拟单元,就车载以太网而言,这是双绞铜线,也称为 100Base-T1。

MAC 是媒体访问控制器,负责处理以太网接口除 PHY 以外的其他所有方面。Cadence 在千兆以太网 MAC 方面的 IP 符合 IEEE 802.3 标准,而且具有高度的可定制功能,并支持集成的 1000BASE-X PCS、带有高级 AXI 卸载功能和描述符缓存的高性能 DMA、QoS、IEEE 1588 和 TSN/AVB 功能,支持任何应用。它还支持许多其他功能,包括 VLAN、TCP/IP 卸载和远程网络监控 (RMON)。

Cadence 10G/2.5G/1G用于汽车应用的多速以太网控制器 IP 是高度可定制的软控制器 IP,符合 IEEE 802.3 标准。为了支持各种以太网应用,车用控制器 IP 具有 1000BASE-X 和 USXGMII PCS 集成模块,带有高级 AXI 卸载功能和描述符缓存的高性能 DMA、QoS 和 IEEE 1588。时间敏感网络/音频视频桥接 (TSN/AVB) 功能可实现关键数据的统一以太网通信,不会在共享网络中造成流量拥塞。另外,车用控制器 IP 还支持许多其他功能,包括 IEEE 802.3az 高能效以太网 (EEE)、VLAN、TCP/IP 卸载和远程网络监控 (RMON)。


要分析构成网络的线路,可使用 Sigrity SystemSI 车载以太网通道仿真。通过物理以太网通道分析 ECU 到 ECU 的通信性能,从而自动进行芯片到芯片的信号完整性分析。这使我们可以测试 IP 的不同组合、不同的电缆长度、屏蔽与非屏蔽的效果对比,老化以及针对车载以太网 100Base-T1 PHY 的合规性检查。


要分析发送器和接收器,针对 100Base-T1 BroadR-Reach PHY 的车载以太网合规性检查涉及到针对 IP 所提供的 IBIS 和 AMI 模型。

使用 Sigrity SystemSI 仿真可以在无需制作实物样板的情况下,对输出下降、功率谱密度、抖动、时钟频率、失真和回波损耗进行特性分析。








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