詳細(xì)分析車載以太網(wǎng)基礎(chǔ)知識

眾所周知，汽車無人駕駛已成為汽車發(fā)展的一種趨勢，它對汽車ECU系統(tǒng)數(shù)量和質(zhì)量有了更大的需求。目前主流的電子架構(gòu)體系已逐漸顯露出不足，而車載以太網(wǎng)因其具眾多優(yōu)點(diǎn)，必然會在汽車車載網(wǎng)絡(luò)中普遍應(yīng)用。本文將從入門者的角度，講解車載以太網(wǎng)中的重要知識。

01車載以太網(wǎng)的組成

車載以太網(wǎng)用于連接汽車內(nèi)不同電氣設(shè)備的一種網(wǎng)絡(luò)，從而滿足車載環(huán)境中一些特殊需求，它與傳統(tǒng)以太網(wǎng)不盡相同，車載以太網(wǎng)主要由MAC（介質(zhì)訪問控制）、PHY（物理接口收發(fā)器）組成，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)不同，車載以太網(wǎng)固定為全雙工通信方式，出于對汽車啟動時(shí)間的考慮而沒有引入自動協(xié)商機(jī)制，此外車載以太網(wǎng)是通過單對非屏蔽或屏蔽電纜連接，與之對應(yīng)的100M的MDI接口為100Base-T1，以此滿足EMC要求。

MAC是介質(zhì)訪問控制的英文簡稱，它位于OSI七層模型中數(shù)據(jù)鏈路層的下半部分，主要負(fù)責(zé)控制與連接物理層的物理介質(zhì)，它一端通過PCI總線連接計(jì)算機(jī)，另一端通過MII連接PHY。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MAC協(xié)議會判斷當(dāng)前是否適合發(fā)送數(shù)據(jù)，若能，它會在將要發(fā)送的數(shù)據(jù)上附加一些控制信息，最終使數(shù)據(jù)以規(guī)定的格式到達(dá)物理層；在接收數(shù)據(jù)時(shí)，它會判斷數(shù)據(jù)是否有錯誤，如果沒有錯誤的話，它會去掉附加的控制信息發(fā)送至LCC（邏輯鏈路控制）子層。

PHY是物理接口收發(fā)器，它實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的物理層。PHY在發(fā)送從MAC接收到的數(shù)據(jù)時(shí)，會將該并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)，之后再轉(zhuǎn)化為模擬信號發(fā)送；在接收數(shù)據(jù)時(shí)過程相反。

02MAC與PHY的接口連接

MAC與PHY之間通過兩個接口連接，分別為SMI接口和MII接口。MII是介質(zhì)獨(dú)立接口，以太網(wǎng)MAC通過該接口發(fā)出數(shù)據(jù)幀經(jīng)過PHY后傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)先經(jīng)過PHY后再由MAC接收；SMI全稱是串行管理接口，以太網(wǎng)MAC通過該接口可以訪問PHY的寄存器，通過對這些寄存器操作可對PHY進(jìn)行控制和管理。

SMI接口包括MDIO（控制和管理PHY以獲取PHY的狀態(tài)）和MDC（為MDIO提供時(shí)鐘）。MDC由MAC提供，MDIO是一根雙向的數(shù)據(jù)線。用來傳送MAC層的控制信息和物理層的狀態(tài)信息。MDIO數(shù)據(jù)與MDC時(shí)鐘同步，在MDC上升沿有效。

MII接口有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、SGMII、RGMII等。這里簡要介紹其中的MII和RMII，如下圖所示。

圖1 MII接口

MII共使用了16根線。其中CRS與COL只在半雙工模式有效，而車載以太網(wǎng)固定工作在全雙工模式下，故應(yīng)用在汽車環(huán)境需要14根線。

圖2 RMII接口

RMII：精簡版的MII，數(shù)據(jù)發(fā)送接收均為兩根，相比MII減少了4根，另外它整合或減去了一些線，最終RMII只有8根線。

03PHY的常用功能解讀

3.1PHY的回環(huán)模式

為了診斷以太網(wǎng)工作時(shí)出現(xiàn)的問題，需要給問題定位，PHY的回環(huán)模式就是起著這樣的作用，回環(huán)是指數(shù)據(jù)從一端發(fā)送經(jīng)過一段路徑后又回到該端，相當(dāng)于自發(fā)自收，一般PHY都有三種回環(huán)模式，分別為內(nèi)部回環(huán)，外部回環(huán)和遠(yuǎn)程回環(huán)，它們的回環(huán)路徑不同。下面簡要介紹下這三種回環(huán)模式。

3.1.1 內(nèi)部回環(huán)

在內(nèi)部回環(huán)模式，PCS接收模塊直接從PCS發(fā)送模塊獲得數(shù)據(jù)，如圖3所示。此操作允許MAC將通過MII發(fā)送功能發(fā)送的數(shù)據(jù)包與從MII接收功能接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較，因此，驗(yàn)證100Base-T1 PCS的狀態(tài)。

圖3 內(nèi)部回環(huán)

3.1.2 外部回環(huán)

在外部回環(huán)模式下，PMA接收模塊直接從PMA發(fā)送模塊接收信號，如圖4所示。這種外部回環(huán)測試允許MAC將通過MII發(fā)送功能發(fā)送的數(shù)據(jù)包與從MII接收功能接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較，因此，驗(yàn)證100Base-T1 PCS和PMA的狀態(tài)。

圖4 外部回環(huán)

3.1.3 遠(yuǎn)程回環(huán)

在遠(yuǎn)程回環(huán)模式下，MDI上鏈接伙伴接收的數(shù)據(jù)包通過PMA接收和PCS接收模塊傳送到PCS發(fā)送模塊，后者又將其發(fā)送回鏈接伙伴。PCS接收數(shù)據(jù)可在MII上獲得。遠(yuǎn)程回環(huán)允許MAC將發(fā)送到MDI的數(shù)據(jù)包與從MDI接收回的數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證物理信道的狀態(tài)，包括100Base-T1 PHY。如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程回環(huán)

3.2 PHY的電源模式

為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，一些PHY都支持多種電源模式，主要包括正常模式、待機(jī)模式和睡眠模式。

以太網(wǎng)要正常建立連接，PHY必須處于正常模式，在PHY上電后，一般不會馬上就工作在正常模式，而是待機(jī)模式。在待機(jī)模式下，PHY的ECU主電源被激活，功耗相對睡眠模式略高，睡眠模式是PHY工作功耗最低的模式，如果網(wǎng)絡(luò)中暫時(shí)不需要節(jié)點(diǎn)的功能，可使節(jié)點(diǎn)工作在睡眠模式，在睡眠模式下，此時(shí)節(jié)點(diǎn)可斷電整個ECU，除了喚醒檢測外，關(guān)閉所有內(nèi)部功能。