用于汽車(chē)ADAS應用的以太網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )
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汽車(chē)電子系統的新時(shí)代已經(jīng)減少了事故和死亡事件。進(jìn)一步改進(jìn)用于安全關(guān)鍵型汽車(chē)應用的先進(jìn)駕駛輔助系統（ADAS）將是下一個(gè)浪潮，這需要大量的數據傳輸和后續處理。系統正變得越來(lái)越復雜，因為它們把來(lái)自緊急制動(dòng)、碰撞避免、車(chē)道偏離警告、完全自動(dòng)駕駛等方面的ADAS應用結合到了一起，使得預測延時(shí)和帶寬保證越來(lái)越重要。例如，高清攝像頭捕獲高質(zhì)量圖像并提供更多細節，以幫助檢測并響應不同的情況；高性能雷達和激光雷達（LIDAR）確定周?chē)矬w的范圍和角度。這些應用都需要來(lái)自汽車(chē)不同部件的大量數據進(jìn)行處理和決策。由于數據量巨大，實(shí)現高性能網(wǎng)絡(luò )連接已經(jīng)成為一項挑戰，汽車(chē)SoC設計人員正在通過(guò)以太網(wǎng)克服之。但是，這些系統需要的不僅僅是性能，它們還需要可預測的延遲以及有保證的帶寬。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202205/434063.htm時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）IEEE工作組發(fā)布了一套TSN標準，并在繼續制定新的規范，以滿(mǎn)足主動(dòng)ADAS應用中的以太網(wǎng)需求，這些應用往往需要實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )。主動(dòng)ADAS應用能夠控制車(chē)輛對諸如避免與行人、物體或其他汽車(chē)相撞等情況做出反應。本文介紹了汽車(chē)SoC的以太網(wǎng)TSN標準，并簡(jiǎn)要解釋了設計人員如何借助于通過(guò)車(chē)規認證的以太網(wǎng)IP來(lái)實(shí)現TSN。
隨著(zhù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )變得不可或缺，尤其是對于諸如ADAS等安全關(guān)鍵性網(wǎng)絡(luò )變得日益重要，帶有TSN的以太網(wǎng)成為理想的網(wǎng)絡(luò )選擇。為了支持ADAS，多個(gè)系統必須經(jīng)常保持同步，這將需要在網(wǎng)絡(luò )上部署大量數據。例如，緊急制動(dòng)系統必須考慮制動(dòng)距離和人員反應時(shí)間。當檢測到障礙物時(shí)，防撞系統應當通知駕駛員并且激活制動(dòng)系統。檢測系統與制動(dòng)系統之間的通信變得非常關(guān)鍵，因為在制動(dòng)過(guò)程中出現延遲可能會(huì )導致災難事件發(fā)生。
TSN的發(fā)展始于音頻視頻橋接（AVB）的引入。AVB旨在用于汽車(chē)信息娛樂(lè )和車(chē)載網(wǎng)絡(luò )系統等音頻視頻應用。在A(yíng)VB網(wǎng)絡(luò )中，來(lái)自收音機的音頻、來(lái)自信息娛樂(lè )系統的視頻、來(lái)自汽車(chē)指揮中心的數據以及來(lái)自正在運行的診斷系統的文件傳輸，都將通過(guò)一個(gè)共同的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行流式傳輸和橋接。這種聯(lián)網(wǎng)方面的延遲并不存在關(guān)鍵性的時(shí)間約束，但諸如自動(dòng)制動(dòng)系統等安全關(guān)鍵性的ADAS應用數據卻面臨這方面的約束。而且，ADAS應用所需要的數據量可能更大。由于這些原因，IEEE委員會(huì )擴展了最初定義為AVB的功能和特性，并將相關(guān)工作組重新命名為T(mén)SN。 此IEEE工作組已經(jīng)制定了多個(gè)TSN標準，如表1所示。
表1：TSN工作組已經(jīng)制定了多項標準
時(shí)間感知整型器（shaper）
汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )在設計應當具備可預見(jiàn)的、有保證的延遲；這種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )被稱(chēng)為工程網(wǎng)絡(luò )。時(shí)間感知整形器用在工程網(wǎng)絡(luò )中執行調度工作，以便使得關(guān)鍵流量隊列不會(huì )被阻塞。這是通過(guò)一個(gè)時(shí)間門(mén)來(lái)實(shí)現的，該時(shí)間門(mén)能夠讓時(shí)間關(guān)鍵型數據不受阻礙地流動(dòng)和處理，同時(shí)阻塞非時(shí)間關(guān)鍵型數據，如圖1所示。IEEE 802.1Qbv調度程序（scheduler）的邏輯決定了這些時(shí)間門(mén)必須打開(kāi)和關(guān)閉的時(shí)間間隔。時(shí)間感知整形器在以太網(wǎng)MAC中實(shí)現。
圖1：時(shí)間感知整形器實(shí)現調度功能
搶占
搶占也可用于減少時(shí)間關(guān)鍵型數據流的延遲。在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中，搶占允許時(shí)間關(guān)鍵型數據幀中斷非時(shí)間關(guān)鍵型數據幀的傳輸。一旦時(shí)間關(guān)鍵型數據幀到達了其目的地，非時(shí)間關(guān)鍵型數據幀就恢復其傳輸。任何碎片化的數據幀都必須重新組裝后才能繼續傳輸。見(jiàn)圖2。
圖2：搶占能夠減少時(shí)間關(guān)鍵型數據流的延遲
我們以緊急制動(dòng)系統為例。假設兩個(gè)以太網(wǎng)MAC傳輸著(zhù)時(shí)間關(guān)鍵型數據幀（綠色）和非時(shí)間關(guān)鍵型數據幀（橙色）。具有搶占功能的MAC能夠讓綠色幀先于橙色幀通過(guò)，從而實(shí)時(shí)抵達其目的地。系統隨后進(jìn)行制動(dòng)，也是實(shí)時(shí)進(jìn)行，而不管網(wǎng)絡(luò )上的其他數據幀狀態(tài)如何。時(shí)間關(guān)鍵型數據幀搶先于非時(shí)間關(guān)鍵型數據幀，這能夠顯著(zhù)改善延遲現象，但更重要的是，它提供了可預測的延遲。
循環(huán)排隊和轉發(fā)
無(wú)論網(wǎng)絡(luò )拓撲如何，循環(huán)排隊和轉發(fā)都能夠支持已知的延遲。它的主要作用是讓整個(gè)網(wǎng)橋中的網(wǎng)絡(luò )延遲更加一致。參見(jiàn)圖3。根據IEEE P802.1Qch標準，“循環(huán)排隊和轉發(fā)修正版”“規定了一種傳輸選擇算法，該算法有助于輕松計算出通過(guò)某個(gè)橋接網(wǎng)絡(luò )的確定性延遲，而不管網(wǎng)絡(luò )拓撲如何。這是對現有技術(shù)的一種改進(jìn)，它能夠更簡(jiǎn)單地確定網(wǎng)絡(luò )延遲，減少傳輸抖動(dòng)（jitter），并簡(jiǎn)化跨橋接LAN提供確定性服務(wù)?！?/p>
圖3：無(wú)論網(wǎng)絡(luò )拓撲如何，循環(huán)排隊和轉發(fā)都能夠支持已知的延遲
幀復制和消除
幀復制和消除能夠支持無(wú)縫數據冗余。它能夠檢測并減輕由于循環(huán)冗余校驗（CRC）錯誤、斷線(xiàn)以及連接松動(dòng)所引起的問(wèn)題。時(shí)間關(guān)鍵型數據幀被進(jìn)行擴展以包括一個(gè)序列號，并在每個(gè)幀遵循網(wǎng)絡(luò )中的一條單獨路徑的情況下進(jìn)行復制。在網(wǎng)絡(luò )中的任何網(wǎng)橋或合并點(diǎn)上，當這些單獨的路徑再次匯合到一起時(shí)，將從數據流中消除重復的幀，從而允許應用程序無(wú)序地接收數據幀。見(jiàn)圖4。
圖4：幀復制和消除能夠檢測并減輕由于CRC錯誤、斷線(xiàn)和連接松動(dòng)所引起的問(wèn)題
例如，當自適應巡航控件向控制系統發(fā)送信號以保持特定速度并與前方車(chē)輛保持一定距離時(shí)，就可以在網(wǎng)絡(luò )中創(chuàng )建多個(gè)單獨的路徑，以使這一信號與來(lái)自其他應用程序的信號都能夠無(wú)縫地傳輸。一旦信號合并到一起，重復的幀就被剔除，從而實(shí)現不間斷的信號傳輸。IEEE定義了三種方式來(lái)實(shí)現幀復制和消除，其中發(fā)送器（talker）發(fā)送信號，而偵聽(tīng)器（listener）接收信號：
發(fā)送器復制，偵聽(tīng)器刪除重復
網(wǎng)橋復制，偵聽(tīng)器刪除重復
網(wǎng)橋復制，網(wǎng)橋刪除重復
增強型通用精確計時(shí)協(xié)議
增強型通用精確計時(shí)協(xié)議通過(guò)以下兩種方式同步網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)鐘，從而支持時(shí)鐘冗余：一種方式是采用單一大主控（grand master），另一種方式是采用多個(gè)大主控。該系統有一個(gè)用來(lái)同步時(shí)鐘的主控（master），還有一個(gè)用來(lái)參考網(wǎng)絡(luò )根時(shí)間的大主控。在單一大主控模式中，時(shí)鐘時(shí)間信息被傳輸到網(wǎng)絡(luò )中某個(gè)網(wǎng)段上的偵聽(tīng)器，然后傳送到同一網(wǎng)絡(luò )中的其他網(wǎng)段。只有大主控知道準確的時(shí)鐘時(shí)間。在采用多個(gè)大主控的模式中，時(shí)鐘時(shí)間以不同的方向在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中傳輸，這樣一來(lái)，在出現中斷的情況下，準確的時(shí)鐘時(shí)間在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中仍然是已知的。
圖5a：?jiǎn)我淮笾骺乩脝为毜穆窂桨l(fā)送2個(gè)副本
圖5b：多個(gè)大主控使用單獨的路徑發(fā)送2個(gè)副本
上述TSN規范以及諸如IEEE P802.1Qcc和P802.1Qcr等其他規范經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展已經(jīng)能夠滿(mǎn)足汽車(chē)設計人員對ADAS應用的實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)的持續需求。以太網(wǎng)最開(kāi)始是用于診斷和軟件更新，音頻視頻橋接（AVB）。目前，TSN已經(jīng)成為高端ADAS SoC必不可少的特性，這對SoC的組件提出了包含新的集成IP等更多的需求。
結論
對安全至關(guān)重要的技術(shù)從安全氣囊、電子穩定性、主動(dòng)巡航控制發(fā)展到ADAS，這一過(guò)程中一直既需要帶寬，也需要可預測的延遲。這一發(fā)展過(guò)程推動(dòng)了高性能汽車(chē)半導體的使用，以支持ADAS應用。雖然目前有很多選擇來(lái)連接這些系統，但以太網(wǎng)已經(jīng)成為汽車(chē)SoC首選的有線(xiàn)連接技術(shù)。這是由于以太網(wǎng)能夠支持所需要的數據速率范圍，并提供了經(jīng)過(guò)驗證的可靠性和互操作性，而且增加了TSN。TSN對于具有嚴格時(shí)間約束的應用至關(guān)重要，而搭載TSN的以太網(wǎng)經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展已經(jīng)能夠滿(mǎn)足機動(dòng)車(chē)對可預測延遲及有保證帶寬的要求。IEEE TSN工作組已經(jīng)制定了多套新的TSN規范，以便擴展其在先前的音頻視頻橋（AVB）接規范中所具有的能力，這些擴展包括：多種時(shí)間感知整形器、搶占、循環(huán)排隊和轉發(fā)、根據數據流進(jìn)行過(guò)濾和管制、幀復制和消除，以及增強型通用精確計時(shí)協(xié)議。
與消費電子產(chǎn)品不同的是，汽車(chē)電子產(chǎn)品及其SoC和IP組件必須符合一系列嚴格的汽車(chē)標準：ISO 26262功能安全性，AEC-Q100可靠性，以及質(zhì)量管理。ISO 26262認證規定并記錄了目標“汽車(chē)安全完整性等級”（ASIL）的所有過(guò)程、開(kāi)發(fā)工作、標準和安全計劃。四種不同的ASIL -- 即A、B、C和D -- 確定功能安全性的最低等級（A）和最高等級（D）。SoC和IP必須經(jīng)過(guò)測試，以達到非常低的缺陷密度，其往往以“每百萬(wàn)產(chǎn)品中的不良數”（dppm）來(lái)衡量。
為了實(shí)現TSN并加速SoC級別的ISO 26262認證，設計人員可以集成通過(guò)了汽車(chē)認證的IP，例如Synopsys公司的DesignWare 以太網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量Ethernet Quality-of-Service(QoS)IP。此IP通過(guò)了ASIL B Ready ISO 26262認證以及汽車(chē)安全套件能夠支持高達2.5G的以太網(wǎng)速度、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )、原始IEEE音頻視頻橋接規范（AVB），以及最新的的TSN協(xié)議。
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