以太網(wǎng)有助于推動(dòng)速度和成本的提高

以太網(wǎng)在企業(yè)和消費(fèi)者領(lǐng)域是一種普遍的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，自 30 多年前推出以來(lái)，它的廣泛采用有助于推動(dòng)速度和成本的提高。如今，汽車(chē)制造商及其一級(jí)供應(yīng)商正在尋求通過(guò)不斷發(fā)展的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)利用以太網(wǎng)的低成本和高帶寬，以幫助提高網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的確定性和可靠性，正如 Marvell 汽車(chē)解決方案事業(yè)部高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Alex Tan半導(dǎo)體在本次采訪(fǎng)中解釋道。

由于速度和成本優(yōu)勢(shì)，以太網(wǎng)似乎是車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的合理選擇。當(dāng)今汽車(chē)行業(yè)如何利用以太網(wǎng)？

TAN：當(dāng)然，以太網(wǎng)在消費(fèi)者和企業(yè)領(lǐng)域非常成功，但也用于許多其他應(yīng)用。它首先進(jìn)入的領(lǐng)域之一是工業(yè)方面，基本上表明您可以采用這種基于 IP 的、非確定性的松散網(wǎng)絡(luò)，并使用它來(lái)控制實(shí)時(shí)系統(tǒng)和關(guān)鍵系統(tǒng)。它進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，被PROFINET、SERCOS III和DeviceNet采用，但也適用于許多不同的工業(yè)技術(shù)。它還進(jìn)入智能電網(wǎng)進(jìn)行配電。該模型采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，然后開(kāi)發(fā)在 IP 之上工作的上層協(xié)議以允許實(shí)時(shí)操作。

在汽車(chē)中，引起人們對(duì)以太網(wǎng)興趣的真正原因是對(duì)帶寬的需求。我相信寶馬是第一家對(duì)此非常直言不諱的公司。他們回顧情況并說(shuō)：“在 2010 年代中期，我們將有如此多的處理器運(yùn)行如此多的代碼行，如果我們使用現(xiàn)有的專(zhuān)有技術(shù)，如果有任何理由刷新軟件，寶馬車(chē)主將不得不將他們的車(chē)帶進(jìn)來(lái)兩天才能讓所有東西都閃爍?！?這是一個(gè)巨大的問(wèn)題，你認(rèn)為他們期待引入新技術(shù)，他們自然而然地關(guān)注了以太網(wǎng)。

他們發(fā)現(xiàn)的第一件事是，從協(xié)議的角度來(lái)看，以太網(wǎng)非常好，但車(chē)載網(wǎng)絡(luò)本身的物理層與以太網(wǎng)的要求不匹配，因?yàn)槠?chē)的物理層非常獨(dú)特和健壯：你有EMI 問(wèn)題；您有堅(jiān)固性問(wèn)題；您的電纜會(huì)在水下弄臟并搖晃；甚至對(duì)于這些汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，電纜甚至螺絲的重量都會(huì)增加每加侖英里數(shù)的成本。

這就是該行業(yè)在進(jìn)入以太網(wǎng)之前所處的位置，因此必須發(fā)生兩件事。一件事是通過(guò) IEEE 發(fā)展單對(duì)以太網(wǎng) （ 100BASE-T1 ），然后發(fā)展千兆以太網(wǎng) （GbE），即1000BASE-T1。

將以太網(wǎng)引入系統(tǒng)后，無(wú)論是汽車(chē)、工業(yè)、智能電網(wǎng)還是能源基礎(chǔ)設(shè)施，您都會(huì)發(fā)現(xiàn)這種帶寬帶來(lái)了許多其他優(yōu)勢(shì)和新功能。即使是雙向、可配置和基于 IP 的 100 Mb 以太網(wǎng)也可以為您提供很多功能，并且與以前汽車(chē)中的任何設(shè)備都大不相同。如果你看看 CAN、LIN 或 MOST，它們中的每一個(gè)都有一個(gè)非常明確的架構(gòu)，專(zhuān)為汽車(chē)中的特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)，但 MOST 用于信息娛樂(lè)，CAN 用于控制信號(hào)，LIN 用于安全，隨著以太網(wǎng)的出現(xiàn)，你例如，可以將 CAN 信號(hào)封裝在 IP 包中，然后通過(guò)您的 CAN 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。這開(kāi)啟了新應(yīng)用的爆炸式增長(zhǎng)。

今天每個(gè)人都在談?wù)?，?2020 年代中期，自動(dòng)駕駛汽車(chē)將如何出現(xiàn)。好吧，今天的技術(shù)就在那里，當(dāng)然，我們只需要看看谷歌在做什么，或者奧迪在兩次 CES 之前做了什么，當(dāng)時(shí)一輛汽車(chē)從舊金山開(kāi)到拉斯維加斯。但是把它做成一輛量產(chǎn)車(chē)，你可以在孩子們放學(xué)后作為他們的第一輛車(chē)為他們購(gòu)買(mǎi)，這是一個(gè)巨大的不同，對(duì)吧？它不僅擁有技術(shù)，還必須滿(mǎn)足汽車(chē)要求和汽車(chē)成本。

我們正在開(kāi)發(fā)的 GbE 是連接汽車(chē)中不同領(lǐng)域（傳統(tǒng)上是信息娛樂(lè)領(lǐng)域、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) （ADAS） 領(lǐng)域、車(chē)身電子領(lǐng)域和控制領(lǐng)域）的骨干或基礎(chǔ)設(shè)施，并連接他們都在一起。下一步是使用該信息連接自動(dòng)駕駛汽車(chē)所需的其他傳感器。所有這些都可以共同發(fā)揮作用，并為您提供所需的性能。

第二步不僅僅是連接車(chē)內(nèi)，而是將車(chē)連接到云端。您的汽車(chē)成為物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的延伸。就在最近，我將我家的鎖換成了與 Apple HomeKit 兼容的鎖，這樣我就可以使用手機(jī)查看我的前門(mén)是否鎖上了。我的車(chē)應(yīng)該能夠告訴我同樣的事情，事實(shí)上，我想從我的車(chē)上獲得更多信息。是否被鎖定？里面的溫度是多少？是不是油耗低？如果您被鎖在門(mén)外，能夠拿起您的手機(jī)并進(jìn)入那里并打開(kāi)它不是很好嗎？所有這些東西都非常有用。

這就是以太網(wǎng)為您提供的。這是一個(gè)非常靈活的主干，因此如果有一個(gè)新的應(yīng)用程序，這個(gè)新的應(yīng)用程序可以添加到汽車(chē)中。您需要您今天構(gòu)建的架構(gòu)的靈活性，以使您的汽車(chē)能夠支持甚至還沒(méi)有想到的功能。事實(shí)上，這真的很難，因?yàn)榻ㄖ熆赡軙?huì)在發(fā)布前五到七年進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且他們必須已經(jīng)在考慮銷(xiāo)售福特嘉年華的營(yíng)銷(xiāo)人員在七年之內(nèi)想要什么信息娛樂(lè)系統(tǒng)年，這幾乎是不可能的。

以太網(wǎng)提出了對(duì)丟包的擔(dān)憂(yōu)。汽車(chē)級(jí)以太網(wǎng)如何減少可能對(duì)車(chē)輛安全產(chǎn)生巨大影響的數(shù)據(jù)包丟失？

TAN：這個(gè)答案的基礎(chǔ)來(lái)自工業(yè)，因?yàn)樵谄?chē)使用它之前，工業(yè)人員找到了采用舊 PROFIBUS 類(lèi)型技術(shù)并用以太網(wǎng)取代它的方法。在這些情況下，如果您使用以太網(wǎng)來(lái)控制機(jī)械臂并丟失了一個(gè)數(shù)據(jù)包，那么機(jī)械臂可能會(huì)到達(dá)不應(yīng)該出現(xiàn)的地方，這可能非常危險(xiǎn)并且對(duì)制造非常不利。因此，開(kāi)發(fā)了許多實(shí)時(shí)協(xié)議，它們基本上位于 IP 之上，并允許對(duì)根本上非確定性的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行確定性的實(shí)時(shí)控制。其中一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)是稱(chēng)為1588 精確時(shí)間協(xié)議 （PTP）的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，并且該協(xié)議允許網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點(diǎn)交換它們的時(shí)間，以便它們可以同步操作（圖 1）。這對(duì)于一個(gè)非常受控的環(huán)境來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠強(qiáng)大了，但下一步是確保你不會(huì)丟失數(shù)據(jù)包，因?yàn)橐蕴W(wǎng)本質(zhì)上是突發(fā)的，這意味著在你發(fā)送盡可能多的數(shù)據(jù)、使用全部帶寬和沒(méi)有發(fā)送任何內(nèi)容，或者您同時(shí)有兩個(gè)事件，每個(gè)事件都在爭(zhēng)奪帶寬。

【圖1 | IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議旨在同步基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作。］

幸運(yùn)的是，有一個(gè)稱(chēng)為IEEE 802.1AS的標(biāo)準(zhǔn)子集是為音頻視頻橋接 （AVB） 開(kāi)發(fā)的，其互操作性由 AVnu 聯(lián)盟管理。最初，這些標(biāo)準(zhǔn)是為專(zhuān)業(yè)音樂(lè)會(huì)場(chǎng)地設(shè)計(jì)的，因?yàn)橥瑯樱枰袦?zhǔn)確的時(shí)間，但如果每個(gè)音符都在同一時(shí)間，但音頻沒(méi)有到達(dá)其中一個(gè)揚(yáng)聲器，因?yàn)樗涣硪粋€(gè)揚(yáng)聲器阻擋，這還不夠好指示狀態(tài)或其他內(nèi)容的數(shù)據(jù)包。AVB 所做的是允許您在網(wǎng)絡(luò)上動(dòng)態(tài)分配帶寬，以便您擁有保護(hù)與時(shí)間相關(guān)的流式傳輸流所需的帶寬（圖 2）。

【圖2 | 開(kāi)發(fā)了 IEEE 802.1AS 的音頻視頻橋接 （AVB） 部分，以確保通過(guò)流量整形將時(shí)間相關(guān)的流式流傳輸?shù)礁鱾€(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。］

AVB 技術(shù)現(xiàn)在正通過(guò)一組稱(chēng)為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN）的新 802.1 子標(biāo)準(zhǔn)適用于汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用正在遠(yuǎn)離音頻/視頻路線(xiàn)（圖 3）。TSN 將其提升到一個(gè)新的水平，以保證流量保護(hù)和交付。例如，在今天的汽車(chē)系統(tǒng)中，您可以在您的軟件中為您的交換機(jī)和 PHY 使用帶有這些 TSN 擴(kuò)展的 AVB，然后您的所有輸入數(shù)據(jù)都保證為 50 Mbps，或者任何所需的帶寬。但是，如果您關(guān)閉輸入系統(tǒng)，例如，如果您想進(jìn)行一次性閃存以更新所有處理器，則該帶寬將完全可用。因此，這并不像說(shuō)我們有一個(gè)完全隔離的網(wǎng)絡(luò)僅用于視頻那樣具有限制性，而是它允許您保護(hù)需要保護(hù)的視頻并充分利用系統(tǒng)。另一部分是你確實(shí)達(dá)到了極限，

【圖3 | 新的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN） IEEE 標(biāo)準(zhǔn)組通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)資源專(zhuān)用于特定節(jié)點(diǎn)/應(yīng)用程序，擴(kuò)展了基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)的 AVB 確定性。］

除了采用已經(jīng)為工業(yè)和音頻設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的技術(shù)外，汽車(chē)制造商無(wú)需做任何事情。這是 Marvell Semiconductor 在開(kāi)發(fā) PTP 和 AVB TSN 方面一直處于技術(shù)領(lǐng)先地位的領(lǐng)域之一，我們直接在我們的硬件中實(shí)現(xiàn)了這些協(xié)議的許多計(jì)算難度更高的部分（圖 4）。因此，這使得制作軟件和管理網(wǎng)絡(luò)變得更加容易，并且還使網(wǎng)絡(luò)速度更快，減少了延遲，因此它們可以足夠快地運(yùn)行，以滿(mǎn)足您在行駛時(shí)發(fā)送視頻的汽車(chē)的要求路或類(lèi)似的東西。

【圖4 | Marvell 的汽車(chē)以太網(wǎng)參考平臺(tái)帶有來(lái)自 TE Connectivity 的用于汽車(chē)以太網(wǎng)的集成 MATEnet 連接器，包括兩個(gè) 1000BASE-T1 PHY、兩個(gè) 100BASE-T1 PHY、兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) PHY，以及一個(gè)支持音頻/視頻橋接和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN） 的內(nèi)置交換機(jī)） 協(xié)議。］

汽車(chē)級(jí)以太網(wǎng)會(huì)像我們?cè)趥鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中看到的那樣繼續(xù)推動(dòng)帶寬嗎？

審核編輯：郭婷