Microchip專家技術(shù)文章：汽車信息娛樂(lè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)評(píng)估

2013年11月，我參加了EE Catalog組織的一個(gè)主題為“汽車以太網(wǎng)：沒(méi)有簡(jiǎn)單的答案”的圓桌會(huì)議。雖然自那時(shí)以來(lái)，世界又經(jīng)歷了千變?nèi)f化，會(huì)議當(dāng)時(shí)提出的許多觀點(diǎn)到了今天依舊沒(méi)有過(guò)時(shí)。找到更簡(jiǎn)單的答案本身并不是通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，而是源于要為既定任務(wù)選擇最佳的技術(shù)。Wi-Fi?和LTE蜂窩通信如今日益普及，為人們提供了和世界保持動(dòng)態(tài)聯(lián)系的最佳渠道。以太網(wǎng)和MOST?技術(shù)的運(yùn)行速度高達(dá)每秒數(shù)百M(fèi)b，均適用于傳輸海量信息。

另一種廣泛應(yīng)用的汽車總線CAN的運(yùn)行速度則低得多，一般低于1 Mbps。而不久前剛剛問(wèn)世的最新一代CAN FD技術(shù)的速度大約在每秒10 Mb左右。當(dāng)車輛處于停車狀態(tài)或在不同的域之間進(jìn)行通信時(shí)，以太網(wǎng)是連接IT基礎(chǔ)設(shè)施的最佳解決方案。MOST技術(shù)則更適用于連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)流，例如音頻或視頻連接。本文接下來(lái)將分別對(duì)以太網(wǎng)和MOST技術(shù)的用例進(jìn)行分析，評(píng)估何種汽車設(shè)計(jì)最適合采用哪一種技術(shù)。

在汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，基于分組的IP通信方式仍將是各個(gè)不同域之間互聯(lián)的首選方式。而部分用于這一類型通信的更高級(jí)別的協(xié)議也開(kāi)始出現(xiàn)在各種汽車應(yīng)用中。原來(lái)的專有解決方案正等待IEEE的審核，以期成為標(biāo)準(zhǔn)。單股雙絞線100 Mbps網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)本質(zhì)上是對(duì)博通公司（Broadcom）BroadR-Reach技術(shù)的一種重新包裝，其他半導(dǎo)體公司有了這一技術(shù)授權(quán)就可以開(kāi)發(fā)自己的IC產(chǎn)品。這一標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在被稱作100BASE-T1，類似于家居和辦公場(chǎng)所常見(jiàn)的更典型的以太網(wǎng)應(yīng)用所采納的100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)。其中，T1指的是單股雙絞線電纜。而1 Gbps技術(shù)現(xiàn)在被稱為1000BASE-T1。諸如車身和發(fā)動(dòng)機(jī)控制此類典型獨(dú)立系統(tǒng)之間的相互作用，將受益于標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)。MOST技術(shù)還包含一個(gè)專用的以太網(wǎng)分組信道。

高速的汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)疑正融入最適合于特定應(yīng)用的各個(gè)系統(tǒng)。越來(lái)越多品牌的OBD-II連接器開(kāi)始采納標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層（100BASE-TX）。它使得車輛可以快速連接至汽車服務(wù)機(jī)構(gòu)的IT基礎(chǔ)設(shè)施。無(wú)論是通過(guò)無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施還是通過(guò)有線以太網(wǎng)連接，專門針對(duì)不穩(wěn)定通信鏈路的機(jī)制都會(huì)大大受益于汽車與外界通信的方式。許多汽車制造企業(yè)都考慮采用100BASE-T1作為車輛基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)將各個(gè)域連接在一起，以便信息從一個(gè)域傳輸?shù)搅硪粋€(gè)域。舉個(gè)例子，要將發(fā)動(dòng)機(jī)信息發(fā)送給工廠或者交通控制中心時(shí)，就可能有必要將這一信息傳輸?shù)搅硪粋€(gè)域，比如電信域。

如今，已經(jīng)有一款車型部署了基于以太網(wǎng)的攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)，另有幾款車型配備了采用以太網(wǎng)的OBD-II診斷連接器，診斷接口將會(huì)日益普及并應(yīng)用到越來(lái)越多的車輛上。而其他的汽車應(yīng)用也在推進(jìn)過(guò)程中。AVB（現(xiàn)被稱為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱TSN標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)為AVB V2版）是用于專業(yè)音頻應(yīng)用的一種標(biāo)準(zhǔn)，也可以用于諸如音頻和視頻流等非常注重時(shí)序的車載應(yīng)用。然而，由于汽車是一個(gè)封閉的環(huán)境，僅使用IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議（PTP）來(lái)分發(fā)時(shí)鐘應(yīng)該就足夠了，無(wú)需使用被統(tǒng)稱為TSN的所有額外標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制。事實(shí)上，不同的汽車制造商也對(duì)到底需要應(yīng)用AVB到什么程度（如果需要的話）持有不同意見(jiàn)。

另一種所謂MOST（面向媒體的系統(tǒng)傳輸——參見(jiàn)）的系統(tǒng)在市場(chǎng)上的應(yīng)用也日趨廣泛。目前已有200多款車型裝備了超過(guò)2 億個(gè)MOST器件。該技術(shù)最適用于在車輛內(nèi)部連續(xù)傳輸信息流。它不像以太網(wǎng)一樣指望主處理器檢查每一個(gè)數(shù)據(jù)包并分配其有效負(fù)荷，而是會(huì)自動(dòng)將信息發(fā)送到合適的接口，因此就減輕了各個(gè)處理器的處理負(fù)荷。尤其當(dāng)已知這樣的優(yōu)先級(jí)時(shí)，所有數(shù)據(jù)從一個(gè)確定的數(shù)據(jù)源傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)確定的接收端，MOST技術(shù)的作用更為高效。此外，它還擁有內(nèi)置的功能，可以遠(yuǎn)程控制簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)，從而消除了對(duì)簡(jiǎn)單終端設(shè)備進(jìn)行編程和額外處理能力的需求。

以太網(wǎng)和MOST技術(shù)是汽車行業(yè)目前采用的速度最快的兩種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。雖然它們常常被描述為互斥的關(guān)系，但事實(shí)證明，這兩種技術(shù)實(shí)際上可以共存和同時(shí)部署以便各自執(zhí)行最適合自身的任務(wù)。

圖1展示了以太網(wǎng)物理層收發(fā)數(shù)據(jù)的過(guò)程。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)媒體訪問(wèn)控制器（MAC）做了定義，MAC負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)流、對(duì)其進(jìn)行序列化并傳送到物理層互聯(lián)設(shè)備上，無(wú)論是100BASE-TX、100BASE-T1或其他任意一種物理層。對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)而言，它是何種數(shù)據(jù)并不重要。數(shù)據(jù)的含義由運(yùn)行高層協(xié)議的處理器來(lái)決定。這大大簡(jiǎn)化了硬件的實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)也增加了解決如何處理相關(guān)細(xì)節(jié)以便成功傳輸信息至更高軟件層這一問(wèn)題的難度。確定性和延遲性視系統(tǒng)負(fù)荷情況可能會(huì)受到損害。因此，主處理器必須接收每個(gè)以太網(wǎng)幀和對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解封，并負(fù)責(zé)分配有效負(fù)荷給合適的設(shè)備來(lái)處理。對(duì)于突發(fā)的小流量而言這種負(fù)荷不值一提，典型的比如說(shuō)系統(tǒng)間的通信信息流動(dòng)這種情況。這些機(jī)制都很好理解，不需要學(xué)習(xí)特殊的技能。而且，這些機(jī)制在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中十分普遍。

圖 1：以太網(wǎng)物理層的數(shù)據(jù)流

如圖1所示，這個(gè)簡(jiǎn)單的媒體獨(dú)立接口（MII）是以太網(wǎng)系統(tǒng)訪問(wèn)以太網(wǎng)收發(fā)器的標(biāo)準(zhǔn)方式。雖然仍有部分MII類型并未完全獲得各處理器的支持，但是它們大多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。網(wǎng)絡(luò)控制由主CPU中運(yùn)行的軟件協(xié)議棧來(lái)執(zhí)行，而定制軟件協(xié)議棧則負(fù)責(zé)信息傳輸。

在需要連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)流時(shí)，情況就變得更為復(fù)雜，因?yàn)檫@時(shí)主處理器必須對(duì)輸入數(shù)據(jù)包作出持續(xù)響應(yīng)。在傳輸速率達(dá)到8 kHz時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。需要解壓每一個(gè)數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)組裝至以條連續(xù)數(shù)據(jù)流，然后發(fā)送至諸如音頻放大器中的模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器等設(shè)備；或者，將多條數(shù)據(jù)流混合在一起發(fā)送給DSP。在源端，音頻數(shù)據(jù)需要在傳輸之前進(jìn)行打包。收發(fā)器的成本很低，但是卻需要主處理器具備額外的處理能力，最后往往導(dǎo)致需要性能更高、因而也更昂貴的器件。針對(duì)這些類型的應(yīng)用，MOST技術(shù)提供了更簡(jiǎn)化的接口。MOST技術(shù)采用智能網(wǎng)絡(luò)接口控制器（INIC）來(lái)代替簡(jiǎn)單的串行收發(fā)器。這些器件備有典型的內(nèi)置媒體接口，因而可以在僅僅需要，比如，傳輸音頻流到A/D或D/A轉(zhuǎn)換器的I2S端口時(shí)，作為協(xié)處理器來(lái)消除高級(jí)車載處理器的負(fù)荷。圖2很好地詮釋了這一概念。

圖 2：MOST?網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流

使用MOST技術(shù)可以將多功能接口和所有數(shù)據(jù)信道連接起來(lái)。在MOST網(wǎng)絡(luò)中，分組通信及附帶的定制軟件協(xié)議?？梢灾幌薅ㄔ跐M足適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)通信需求。數(shù)據(jù)不僅可以在處理器和網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳輸，還可以自動(dòng)傳輸?shù)教囟ǖ慕涌?，而處理器則無(wú)需干預(yù)每一個(gè)數(shù)據(jù)包。單個(gè)物理層被用作聚合多個(gè)不同類型的信道。而這一物理層可以由塑料光纖（POF）、非屏蔽或屏蔽雙絞線（UTP或STP）、同軸電纜和其他材料制成。

在MOST網(wǎng)絡(luò)框架內(nèi)會(huì)保留帶寬給各個(gè)信道或需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流。通過(guò)控制信道對(duì)源端設(shè)備和宿端設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置一旦完成數(shù)據(jù)就可以自動(dòng)輸入到一個(gè)特定的位置或從中移除。既不存在需要應(yīng)付開(kāi)銷的問(wèn)題，也可將媒體流輕松傳輸?shù)饺我庖粋€(gè)將處理該內(nèi)容的設(shè)備。而主處理器沒(méi)有任何負(fù)荷。事實(shí)上，某些應(yīng)用根本無(wú)需使用處理器。例如，后座耳機(jī)放大器就只由一個(gè)INIC和一個(gè)帶有功率級(jí)的D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。所有控制均可以遠(yuǎn)程進(jìn)行。而針對(duì)那些同時(shí)需要數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)流的應(yīng)用，MOST150標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)專用的MOST以太網(wǎng)分組（MEP）信道，大大簡(jiǎn)化了在系統(tǒng)中集成以太網(wǎng)和MOST兩種技術(shù)的難度。

其實(shí)，最簡(jiǎn)單的答案就是不要嘗試強(qiáng)行將同一個(gè)系統(tǒng)用于所有用途。相反，我們要選擇最適合現(xiàn)有工作的工具，創(chuàng)建出性價(jià)比最佳的系統(tǒng)解決方案。在計(jì)算整體系統(tǒng)成本時(shí)，應(yīng)將是否會(huì)影響所需處理能力作為考量。