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AURIX? TC4x虛擬化技術助力下一代汽車EE架構設計

1. 前言

在近代急速發(fā)展的汽車技術因素下，不斷引伸出不同場景下對汽車功能的使用需求。當中產(chǎn)生了對汽車通訊功能要求上的大幅度提升，因此功能更先進和更強大的車載以太網(wǎng)已經(jīng)漸漸地變成了車身通訊必不可缺的成員之一。

文章會從了解現(xiàn)今對車載網(wǎng)絡（In-Vehicle Network）的應用需求開始，看看車載以太網(wǎng)是怎樣通過自身強大的網(wǎng)絡功能，滿足日新月異的汽車通訊功能要求，獲得不同汽車生產(chǎn)和開發(fā)商的信任和使用，同時最后也會分享英飛凌最新的AURIX^TM TC4x系列微控制器是如何滿足客戶對高速以太網(wǎng)絡和時間敏感網(wǎng)絡的各方面需求。

2. 車載以太網(wǎng)概覽

2.1 車載網(wǎng)絡的應用需求

談到新一代汽車發(fā)展，多數(shù)人都會直覺地把注意力放到新舊能源車的競爭上，兩邊勢力都在不斷改進產(chǎn)品來吸引消費者，這帶來了多種汽車技術的不斷改良和突破，其中汽車在智能化和電子化這兩方面的改進就更為急速。

汽車智能化最具體的功能就是自動駕駛、智能底盤、智能座艙等；而電子化更加是在汽車不同功能提升下的參與或貢獻者，可以說電子化都參與到如自動駕駛系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)、座艙控制及娛樂系統(tǒng)等。

下面本文會從四個維度看看這些改進對車載網(wǎng)絡需求帶來了什么改變。

1

頻寬要求

自動駕駛應用帶來了大量數(shù)據(jù)資料如影像信息，激光雷達信息，毫米波雷達信息的傳輸要求。

娛樂系統(tǒng)對頻寬要求主要發(fā)生在大量的影像類資源經(jīng)網(wǎng)絡傳到不同的ECU上。

2

實時性和可靠性要求

自動駕駛在計算時，必需要按時接受外在環(huán)境的數(shù)據(jù)資料；在控制時，操控要求也需要按時到達目標。

可靠性如網(wǎng)絡設計上是否支持故障處理和冗余處理。

3

成本要求

車身上的電子化激活了大量電子裝置的使用，這些不僅帶來了對ECU存放空間問題外，還在車身上產(chǎn)生大量的連線，線材重量和放置空間都帶來很大的成本。

4

網(wǎng)絡安全要求

自動駕駛的使用和汽車電子化帶來裝置發(fā)展出具備從網(wǎng)絡接收命令和執(zhí)行行動，如果網(wǎng)絡傳輸被惡意攻擊或控制便會出現(xiàn)很嚴重的安全問題。

2.1.1

頻寬要求

就頻寬要求上的影響性看，其中兩個比重較多的應用可算是自動駕駛和娛樂系統(tǒng)。自動駕駛的核心當然是高效的計算能力，但用作計算的數(shù)據(jù)資料如影像信息、激光雷達信息、毫米波雷達信息及各種車身傳感器等，這些都需要大量數(shù)據(jù)傳輸，因而大大增加了對頻寬的要求。這些影像信息或激光雷達信息如果需要以原始數(shù)據(jù)方式傳送到自動駕駛芯片進行處理的話，那些應用頻寬都是以Gbps為單位，而高分辨率的毫米波雷達也都需有超過1Gbps的要求，但其他的傳感器對頻寬要求就相對較少，一般都不會超1Gbps了。而作為執(zhí)行結果的動力控制和底盤控制的數(shù)據(jù)傳輸，相比下就沒有直接對頻寬有太高要求。

娛樂系統(tǒng)也可能會對頻寬有所要求，如果系統(tǒng)需要把大量的影像類資源經(jīng)網(wǎng)絡傳到不同的ECU上，這樣便會對頻寬有大量要求了。

2.1.2

 實時性和可靠性要求

自動駕駛的實現(xiàn)上也會對網(wǎng)絡的實時性和可靠性也有十分嚴格要求，如在計算時，外在環(huán)境的數(shù)據(jù)資料必需要按時傳到自動駕駛芯片；而在控制時，操控要求也需要按時到達目標。這些通訊都不能被延遲超過設計要求，所以能否估計或控制會出現(xiàn)的傳輸延遲是十份重要的。另外，可靠性也是重要的一環(huán)，如網(wǎng)絡設計上是否支持故障處理和冗余處理等。

2.1.3

網(wǎng)絡安全要求

隨著自動駕駛的使用和汽車電子化，車身上很多裝置都會連接到不同網(wǎng)絡，這些裝置都可以具備從網(wǎng)絡接收命令和執(zhí)行行動。如果網(wǎng)絡傳輸被惡意攻擊或控制便會出現(xiàn)很嚴重的安全問題，所以網(wǎng)絡安全也開始成為車載網(wǎng)絡的基本要求了。

2.1.4

成本要求

隨著對車身上的不斷電子化，車身上增加了大量電子裝置，這些裝置都有可能分布到車上不同的位置。除了裝置本身占用的空間問題外，還在車身上產(chǎn)生大量的連線，如何設計使用這些連線，包括網(wǎng)絡通訊，控制訊號及電源線等，這些都使工程師對汽車架構改進更新帶來了很大的推動力?，F(xiàn)在比較認同的發(fā)展方向是區(qū)域汽車架構（Zonal architectures），簡單來說就是把裝置從之前以功能劃分到不同的域控制器（Domain controller）的域汽車架構（Domain architectures），改變?yōu)榈桨蜒b置以實際地域劃分到不同地區(qū)上的區(qū)域控制器（Zone gateway／controller）。多個區(qū)域控制器和中央控制器（Central controller）之間再互相連接，這樣裝置只需要連接到最近區(qū)域控制器上，連線的線材可以大大減少，從而減少線材、載重和空間上的不同成本。另外，不同的功能也可以整合到區(qū)域控制器，有機會減少ECU的總使用數(shù)量。

區(qū)域汽車架構的發(fā)展對汽車網(wǎng)絡和軟件架構都帶來了改革，車載網(wǎng)絡有可能從異質網(wǎng)絡（Heterogeneous network）走向同質網(wǎng)絡（Homogeneous network），軟件架構也會住面向服務架構（SOA）方向發(fā)展。

2.2 不停改進的車載以太網(wǎng)技術

車載以太網(wǎng)提供了多樣的協(xié)議和設備標準，適用于車載網(wǎng)絡的各種應用。在接下來的部分中，我們將探討車載以太網(wǎng)在各種層面上是怎樣有效地對應車載網(wǎng)絡的種種特別要求和解決應用上的各種痛點。

2.2.1

全方位的網(wǎng)絡介質對應方案

車載以太網(wǎng)支持多種物理層標準，以下是列出一些有關的主要標準：

傳輸 100 Mbps（適用于 100BASE-T1 PHY 的 IEEE 802.3bw-2015）

傳輸 1 Gbps（適用于 1000BASE-T1 PHY 的 IEEE 802.3bp-2016）

傳輸 10 Mbps（適用于 10BASE-T1S PHY 的 IEEE 802.3cg-2019）

傳輸2.5G、5G和10Gbps（適用于 2.5G/5G/10GBASE-T1 PHY的IEEE 802.3ch-2020)

這些標準滿足對網(wǎng)絡頻寬的不同要求，能有效地對應不同車載網(wǎng)絡對高低頻寬的使用要求，從而提供了達成同質網(wǎng)絡的可行方案。這樣可以減少因為使用異質網(wǎng)絡區(qū)時，域控制器在進行數(shù)據(jù)轉發(fā)時需要進行的額外轉輸格式處理，而造成的傳輸延誤和占用硬件資源問題。

還有的是這些標準都是使用單雙絞線，這樣也可以減少空間及重量所產(chǎn)生出來的成品問題。

2.2.2

AVB 和TSN 的支持

實時的傳輸要求在最早的以太網(wǎng)路設計上并非主要考慮，但因為之后出現(xiàn)不同使用上的需要，以太網(wǎng)絡也不斷地出現(xiàn)了一些新的標準，當中的AVB和TSN 協(xié)議就被廣泛應用在車載網(wǎng)絡上。

2.2.2.1 AVB 協(xié)議

為應付實時的影視音訊要求（如視像鏡頭、娛樂影音等），傳輸?shù)难舆t有了一定程度上的要求。IEEE 802.1 工作小組便針對這些問題開展了工作，訂立了IEEE 802.1Q網(wǎng)絡協(xié)議及AVB 協(xié)議，主要適用于車載網(wǎng)絡協(xié)議如下：

IEEE 802.1Qav-2009 

（Queuing and Forwarding for AVB Bridges）

定義規(guī)則以確保優(yōu)先級流將在預留中指定的延遲內通過網(wǎng)絡。

IEEE 802.1Qat-20210 

（Stream Reservation）

預留協(xié)議用于通知路徑中的各個網(wǎng)絡節(jié)點預留支持特定流所需的資源。

IEEE 802.1AS-2011 

（Timing and Synchronization for 

Time-Sensitive Application）

協(xié)議提供在網(wǎng)絡中實現(xiàn)通用的時間概念，使終端站和交換機能夠相互同步本地網(wǎng)絡時鐘。

2.2.2.2 TSN 協(xié)議

雖然AVB協(xié)議提供了音頻/視頻使用的解決方案，但它并不適合時間關鍵和安全關鍵的控制流量。為此，從2012年開始，開始了TSN工作小組，以取代之前的AVB工作小組，主要適用于車載網(wǎng)絡協(xié)議如下：

IEEE 802.1Qbv-2015

（Enhancements for Scheduled Traffic）

增強預定流量控制,引入了傳輸門機制來支持預定流量，能要求幀傳輸按照預定義的時間表進行。

IEEE 802.1Qbu-2016

（Frame Preemption）

與IEEE 902.3br 結合，IEEE 802.1Qbu 實現(xiàn)幀搶占，把幀分為快速幀（實時幀time-critical）和可被搶占幀（即盡力而為幀best-effort）。實現(xiàn)幀搶占的優(yōu)點是減少實時幀的延遲，因為它們不需要等待整個盡力而為幀的傳輸，但可以在某個時刻搶占它。

IEEE 802.1Qci-2017

（Per-Stream Filtering and Policing）

該標示能通過阻止流或端口來進行錯誤檢測和緩解并遏制錯誤，以便錯誤不會在網(wǎng)絡上傳播，從而提高網(wǎng)絡可靠性。

IEEE 802.1QCB-2017 

（Frame Replication and Elimination for 

Reliability FRER）

通過利用幀識別功能，該標準在多個不相交的網(wǎng)絡路徑上提供幀復制和傳輸，以增加至少一個副本成功傳送到最終目的地的概率。

IEEE 802.1AS-2020

在IEEE 8021AS-2011中提供的切換過程不是很快，可能會導致某些節(jié)點的時間跳躍。新的IEEE 802.1AS-2020支持多個同步主時鐘和多條同步路徑，以實現(xiàn)無縫低延遲切換和故障模式下時間同步的快速恢復。

AVB和TSN協(xié)議都能有效滿足車載網(wǎng)絡對實時性和可靠性的使用要求。

2.2.3

加密的支持

安全性也是通信中關注的問題之一，IEEE 802.1工作組也在研究如何在TSN網(wǎng)絡中采用現(xiàn)有的IEEE安全機制。其中MACsec IEEE 802.1AE-2018 協(xié)議為車內ECU 交換的數(shù)據(jù)提供鏈路到鏈路加密和保護，并添加安全標記、完整性檢查值、數(shù)據(jù)包編號字段和加密。該協(xié)議定義了數(shù)據(jù)封裝、加密和認證的幀格式，應用IEEE Std 802.1X協(xié)議提供Peer-to-Peer方式密鑰建立機制，實體地保護整個或部分網(wǎng)絡的安全。

目前正在運行的P802.1AEdk 項目是IEEE Std 802.1AE-2018 標準的修訂版。該標準指定了MAC隱私保護封裝協(xié)議及其與MAC 安全協(xié)議（MACsec）的結合使用，以隱藏用戶數(shù)據(jù)幀的源MAC 地址和目標MAC地址，并減少可觀察到的幀大小和傳輸時序之間的任何相關性。

2.2.4

對網(wǎng)絡協(xié)議應用的強大支持

車載以太網(wǎng)標準是由知名標準機構提供的，是一項成熟的技術可滿足負載和集成的需求。使用以太網(wǎng)路也更直接有效地使用種類繁多，功能全面和安全可靠的網(wǎng)絡和應用協(xié)議。提供了很多應用的現(xiàn)有解決方案，從而減少從零開始的設計和開發(fā)時間。

3. 全面支持以太網(wǎng)路的AURIX^TM TC4x

AURIX^TM TC4x為具有安全和強大網(wǎng)絡功能的ECU定義了新一代控制器標準。

3.1 AURIX^TM 對以太網(wǎng)路的支持

AURIX^TM TC4x架構增強了安全性和連接性。

1

高速和時效性的Gigabit Ethernet GETH

（ETHMAC）

支持高達 2x5GBit以太網(wǎng)，包括橋接器，以太網(wǎng)端口支持IEEE 802.1 AVB和TSN協(xié)議的硬件要求。

2

廣泛性的Lite Ethernet（LETH）

支持 4x10/100MBit以太網(wǎng)速度，另外還支持了10Base-T1S標準，把以太網(wǎng)的應用范圍延伸到一些傳統(tǒng)ECU需要的低速數(shù)據(jù)通訊領域。

3

安全的Cyber Security Satellite（CSS）

用于安全CAN/以太網(wǎng)通信的Crypto和Hash引擎。

4. 總結

現(xiàn)在汽車發(fā)展正在從傳統(tǒng)的域汽車架構（Domain architectures）到區(qū)域汽車架構（Zonal architectures）以及硬件定義汽車（Hardware-defined cars）到軟件定義汽車（Software-defined cars）的過渡中，而使用更高程度的ADAS/AD的個人消費類汽車將會更加普及，車載以太網(wǎng)在車載網(wǎng)絡的滲透率對會不斷提升。

通過利用新一代AURIX^TM TC4x對以太網(wǎng)和安全網(wǎng)絡的各種功能，幫助汽車行業(yè)ECU開發(fā)人員，獲得對應新一代汽車平臺上的優(yōu)質解決方案，從而實現(xiàn)更快開發(fā)時間和更安全汽車平臺更新計劃。