汽車電子系統(tǒng)的新時代已經(jīng)減少了事故和死亡事件。進(jìn)一步改進(jìn)用于安全關(guān)鍵型汽車應(yīng)用的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）將是下一個浪潮，這需要大量的數(shù)據(jù)傳輸和后續(xù)處理。系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜，因為它們把來自緊急制動、碰撞避免、車道偏離警告、完全自動駕駛等方面的ADAS應(yīng)用結(jié)合到了一起，使得預(yù)測延時和帶寬保證越來越重要。例如，高清攝像頭捕獲高質(zhì)量圖像并提供更多細(xì)節(jié)，以幫助檢測并響應(yīng)不同的情況；高性能雷達(dá)和激光雷達(dá)（LIDAR）確定周圍物體的范圍和角度。這些應(yīng)用都需要來自汽車不同部件的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和決策。由于數(shù)據(jù)量巨大，實現(xiàn)高性能網(wǎng)絡(luò)連接已經(jīng)成為一項挑戰(zhàn)，汽車SoC設(shè)計人員正在通過以太網(wǎng)克服之。但是，這些系統(tǒng)需要的不僅僅是性能，它們還需要可預(yù)測的延遲以及有保證的帶寬。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）IEEE工作組發(fā)布了一套TSN標(biāo)準(zhǔn)，并在繼續(xù)制定新的規(guī)范，以滿足主動ADAS應(yīng)用中的以太網(wǎng)需求，這些應(yīng)用往往需要實時網(wǎng)絡(luò)。主動ADAS應(yīng)用能夠控制車輛對諸如避免與行人、物體或其他汽車相撞等情況做出反應(yīng)。本文介紹了汽車SoC的以太網(wǎng)TSN標(biāo)準(zhǔn)，并簡要解釋了設(shè)計人員如何借助于通過車規(guī)認(rèn)證的以太網(wǎng)IP來實現(xiàn)TSN。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)的演變

隨著實時網(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，多個系統(tǒng)必須經(jīng)常保持同步，這將需要在網(wǎng)絡(luò)上部署大量數(shù)據(jù)。例如，緊急制動系統(tǒng)必須考慮制動距離和人員反應(yīng)時間。當(dāng)檢測到障礙物時，防撞系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)通知駕駛員并且激活制動系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)與制動系統(tǒng)之間的通信變得非常關(guān)鍵，因為在制動過程中出現(xiàn)延遲可能會導(dǎo)致災(zāi)難事件發(fā)生。

TSN的發(fā)展始于音頻視頻橋接（AVB）的引入。AVB旨在用于汽車信息娛樂和車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等音頻視頻應(yīng)用。在AVB網(wǎng)絡(luò)中，來自收音機的音頻、來自信息娛樂系統(tǒng)的視頻、來自汽車指揮中心的數(shù)據(jù)以及來自正在運行的診斷系統(tǒng)的文件傳輸，都將通過一個共同的網(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)鍵性的時間約束，但諸如自動制動系統(tǒng)等安全關(guān)鍵性的ADAS應(yīng)用數(shù)據(jù)卻面臨這方面的約束。而且，ADAS應(yīng)用所需要的數(shù)據(jù)量可能更大。由于這些原因，IEEE委員會擴展了最初定義為AVB的功能和特性，并將相關(guān)工作組重新命名為TSN。 此IEEE工作組已經(jīng)制定了多個TSN標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1：TSN工作組已經(jīng)制定了多項標(biāo)準(zhǔn)

時間感知整型器（shaper）

汽車網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計應(yīng)當(dāng)具備可預(yù)見的、有保證的延遲；這種類型的網(wǎng)絡(luò)被稱為工程網(wǎng)絡(luò)。時間感知整形器用在工程網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行調(diào)度工作，以便使得關(guān)鍵流量隊列不會被阻塞。這是通過一個時間門來實現(xiàn)的，該時間門能夠讓時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)不受阻礙地流動和處理，同時阻塞非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)，如圖1所示。IEEE 802.1Qbv調(diào)度程序（scheduler）的邏輯決定了這些時間門必須打開和關(guān)閉的時間間隔。時間感知整形器在以太網(wǎng)MAC中實現(xiàn)。

圖1：時間感知整形器實現(xiàn)調(diào)度功能

搶占

搶占也可用于減少時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)流的延遲。在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，搶占允許時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀中斷非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀的傳輸。一旦時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀到達(dá)了其目的地，非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀就恢復(fù)其傳輸。任何碎片化的數(shù)據(jù)幀都必須重新組裝后才能繼續(xù)傳輸。見圖2。

圖2：搶占能夠減少時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)流的延遲

我們以緊急制動系統(tǒng)為例。假設(shè)兩個以太網(wǎng)MAC傳輸著時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀（綠色）和非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀（橙色）。具有搶占功能的MAC能夠讓綠色幀先于橙色幀通過，從而實時抵達(dá)其目的地。系統(tǒng)隨后進(jìn)行制動，也是實時進(jìn)行，而不管網(wǎng)絡(luò)上的其他數(shù)據(jù)幀狀態(tài)如何。時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀搶先于非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀，這能夠顯著改善延遲現(xiàn)象，但更重要的是，它提供了可預(yù)測的延遲。

循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)

無論網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙绾危h(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)都能夠支持已知的延遲。它的主要作用是讓整個網(wǎng)橋中的網(wǎng)絡(luò)延遲更加一致。參見圖3。根據(jù)IEEE P802.1Qch標(biāo)準(zhǔn)，“循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)修正版”“規(guī)定了一種傳輸選擇算法，該算法有助于輕松計算出通過某個橋接網(wǎng)絡(luò)的確定性延遲，而不管網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙绾巍＿@是對現(xiàn)有技術(shù)的一種改進(jìn)，它能夠更簡單地確定網(wǎng)絡(luò)延遲，減少傳輸抖動（jitter），并簡化跨橋接LAN提供確定性服務(wù)。”

圖3：無論網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙绾危h(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)都能夠支持已知的延遲

根據(jù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行過濾和管制

根據(jù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行過濾和管制（policing）能夠讓網(wǎng)橋或端點組件檢測出網(wǎng)絡(luò)中的組件是否遵守商定的規(guī)則。例如，假如某個節(jié)點被分配了一定數(shù)量的帶寬，當(dāng)由于組件故障或惡意行為而致使該帶寬被超過時，就可以采取措施來保護(hù)該網(wǎng)絡(luò)。該標(biāo)準(zhǔn)包括執(zhí)行幀計數(shù)、過濾、管制等功能的程序。管制和過濾功能特別有價值，可用于檢測并在隨后消除破壞性的傳輸，從而提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性和安全性。

幀復(fù)制和消除

幀復(fù)制和消除能夠支持無縫數(shù)據(jù)冗余。它能夠檢測并減輕由于循環(huán)冗余校驗（CRC）錯誤、斷線以及連接松動所引起的問題。時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀被進(jìn)行擴展以包括一個序列號，并在每個幀遵循網(wǎng)絡(luò)中的一條單獨路徑的情況下進(jìn)行復(fù)制。在網(wǎng)絡(luò)中的任何網(wǎng)橋或合并點上，當(dāng)這些單獨的路徑再次匯合到一起時，將從數(shù)據(jù)流中消除重復(fù)的幀，從而允許應(yīng)用程序無序地接收數(shù)據(jù)幀。見圖4。

圖4：幀復(fù)制和消除能夠檢測并減輕由于CRC錯誤、斷線和連接松動所引起的問題

例如，當(dāng)自適應(yīng)巡航控件向控制系統(tǒng)發(fā)送信號以保持特定速度并與前方車輛保持一定距離時，就可以在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建多個單獨的路徑，以使這一信號與來自其他應(yīng)用程序的信號都能夠無縫地傳輸。一旦信號合并到一起，重復(fù)的幀就被剔除，從而實現(xiàn)不間斷的信號傳輸。IEEE定義了三種方式來實現(xiàn)幀復(fù)制和消除，其中發(fā)送器（talker）發(fā)送信號，而偵聽器（listener）接收信號：

發(fā)送器復(fù)制，偵聽器刪除重復(fù)

網(wǎng)橋復(fù)制，偵聽器刪除重復(fù)

網(wǎng)橋復(fù)制，網(wǎng)橋刪除重復(fù)

增強型通用精確計時協(xié)議

增強型通用精確計時協(xié)議通過以下兩種方式同步網(wǎng)絡(luò)中的時鐘，從而支持時鐘冗余：一種方式是采用單一大主控（grand master），另一種方式是采用多個大主控。該系統(tǒng)有一個用來同步時鐘的主控（master），還有一個用來參考網(wǎng)絡(luò)根時間的大主控。在單一大主控模式中，時鐘時間信息被傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中某個網(wǎng)段上的偵聽器，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(zhǔn)確的時鐘時間。在采用多個大主控的模式中，時鐘時間以不同的方向在整個網(wǎng)絡(luò)中傳輸，這樣一來，在出現(xiàn)中斷的情況下，準(zhǔn)確的時鐘時間在整個網(wǎng)絡(luò)中仍然是已知的。

圖5a：單一大主控利用單獨的路徑發(fā)送2個副本

圖5b：多個大主控使用單獨的路徑發(fā)送2個副本

上述TSN規(guī)范以及諸如IEEE P802.1Qcc和P802.1Qcr等其他規(guī)范經(jīng)過不斷發(fā)展已經(jīng)能夠滿足汽車設(shè)計人員對ADAS應(yīng)用的實時聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)需求。以太網(wǎng)最開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(jié)論

對安全至關(guān)重要的技術(shù)從安全氣囊、電子穩(wěn)定性、主動巡航控制發(fā)展到ADAS，這一過程中一直既需要帶寬，也需要可預(yù)測的延遲。這一發(fā)展過程推動了高性能汽車半導(dǎo)體的使用，以支持ADAS應(yīng)用。雖然目前有很多選擇來連接這些系統(tǒng)，但以太網(wǎng)已經(jīng)成為汽車SoC首選的有線連接技術(shù)。這是由于以太網(wǎng)能夠支持所需要的數(shù)據(jù)速率范圍，并提供了經(jīng)過驗證的可靠性和互操作性，而且增加了TSN。TSN對于具有嚴(yán)格時間約束的應(yīng)用至關(guān)重要，而搭載TSN的以太網(wǎng)經(jīng)過不斷發(fā)展已經(jīng)能夠滿足機動車對可預(yù)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(guī)范，以便擴展其在先前的音頻視頻橋（AVB）接規(guī)范中所具有的能力，這些擴展包括：多種時間感知整形器、搶占、循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)、根據(jù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行過濾和管制、幀復(fù)制和消除，以及增強型通用精確計時協(xié)議。

與消費電子產(chǎn)品不同的是，汽車電子產(chǎn)品及其SoC和IP組件必須符合一系列嚴(yán)格的汽車標(biāo)準(zhǔn)：ISO 26262功能安全性，AEC-Q100可靠性，以及質(zhì)量管理。ISO 26262認(rèn)證規(guī)定并記錄了目標(biāo)“汽車安全完整性等級”（ASIL）的所有過程、開發(fā)工作、標(biāo)準(zhǔn)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)過測試，以達(dá)到非常低的缺陷密度，其往往以“每百萬產(chǎn)品中的不良數(shù)”（dppm）來衡量。

為了實現(xiàn)TSN并加速SoC級別的ISO 26262認(rèn)證，設(shè)計人員可以集成通過了汽車認(rèn)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通過了ASIL B Ready ISO 26262認(rèn)證以及汽車安全套件能夠支持高達(dá)2.5G的以太網(wǎng)速度、實時網(wǎng)絡(luò)、原始IEEE音頻視頻橋接規(guī)范（AVB），以及最新的的TSN協(xié)議。