用于汽车ADAS应用的以太网时间敏感网络

作者:John Swanson,Synopsys公司高级产品营销经理

汽车电子系统的新时代已经减少了事故和死亡事件。进一步改进用于安全关键型汽车应用的先进驾驶辅助系统(ADAS)将是下一个浪潮,这需要大量的数据传输和后续处理。系统正变得越来越复杂,因为它们把来自紧急制动、碰撞避免、车道偏离警告、完全自动驾驶等方面的ADAS应用结合到了一起,使得预测延时和带宽保证越来越重要。例如,高清摄像头捕获高质量图像并提供更多细节,以帮助检测并响应不同的情况;高性能雷达和激光雷达(LIDAR)确定周围物体的范围和角度。这些应用都需要来自汽车不同部件的大量数据进行处理和决策。由于数据量巨大,实现高性能网络连接已经成为一项挑战,汽车SoC设计人员正在通过以太网克服之。但是,这些系统需要的不仅仅是性能,它们还需要可预测的延迟以及有保证的带宽。

时间敏感网络(TSN)IEEE工作组发布了一套TSN标准,并在继续制定新的规范,以满足主动ADAS应用中的以太网需求,这些应用往往需要实时网络。主动ADAS应用能够控制车辆对诸如避免与行人、物体或其他汽车相撞等情况做出反应。本文介绍了汽车SoC的以太网TSN标准,并简要解释了设计人员如何借助于通过车规认证的以太网IP来实现TSN。

时间敏感网络的演变
随着实时网络变得不可或缺,尤其是对于诸如ADAS等安全关键性网络变得日益重要,带有TSN的以太网成为理想的网络选择。为了支持ADAS,多个系统必须经常保持同步,这将需要在网络上部署大量数据。例如,紧急制动系统必须考虑制动距离和人员反应时间。当检测到障碍物时,防撞系统应当通知驾驶员并且激活制动系统。检测系统与制动系统之间的通信变得非常关键,因为在制动过程中出现延迟可能会导致灾难事件发生。

TSN的发展始于音频视频桥接(AVB)的引入。AVB旨在用于汽车信息娱乐和车载网络系统等音频视频应用。在AVB网络中,来自收音机的音频、来自信息娱乐系统的视频、来自汽车指挥中心的数据以及来自正在运行的诊断系统的文件传输,都将通过一个共同的网络进行流式传输和桥接。这种联网方面的延迟并不存在关键性的时间约束,但诸如自动制动系统等安全关键性的ADAS应用数据却面临这方面的约束。而且,ADAS应用所需要的数据量可能更大。由于这些原因,IEEE委员会扩展了最初定义为AVB的功能和特性,并将相关工作组重新命名为TSN。 此IEEE工作组已经制定了多个TSN标准,如表1所示。

表1:TSN工作组已经制定了多项标准

表1:TSN工作组已经制定了多项标准

时间感知整型器(shaper)
汽车网络在设计应当具备可预见的、有保证的延迟;这种类型的网络被称为工程网络。时间感知整形器用在工程网络中执行调度工作,以便使得关键流量队列不会被阻塞。这是通过一个时间门来实现的,该时间门能够让时间关键型数据不受阻碍地流动和处理,同时阻塞非时间关键型数据,如图1所示。IEEE 802.1Qbv调度程序(scheduler)的逻辑决定了这些时间门必须打开和关闭的时间间隔。时间感知整形器在以太网MAC中实现。

图1:时间感知整形器实现调度功能

图1:时间感知整形器实现调度功能

抢占
抢占也可用于减少时间关键型数据流的延迟。在以太网网络中,抢占允许时间关键型数据帧中断非时间关键型数据帧的传输。一旦时间关键型数据帧到达了其目的地,非时间关键型数据帧就恢复其传输。任何碎片化的数据帧都必须重新组装后才能继续传输。见图2。

图2:抢占能够减少时间关键型数据流的延迟

图2:抢占能够减少时间关键型数据流的延迟

我们以紧急制动系统为例。假设两个以太网MAC传输着时间关键型数据帧(绿色)和非时间关键型数据帧(橙色)。具有抢占功能的MAC能够让绿色帧先于橙色帧通过,从而实时抵达其目的地。系统随后进行制动,也是实时进行,而不管网络上的其他数据帧状态如何。时间关键型数据帧抢先于非时间关键型数据帧,这能够显著改善延迟现象,但更重要的是,它提供了可预测的延迟。

循环排队和转发
无论网络拓扑如何,循环排队和转发都能够支持已知的延迟。它的主要作用是让整个网桥中的网络延迟更加一致。参见图3。根据IEEE P802.1Qch标准,“循环排队和转发修正版”“规定了一种传输选择算法,该算法有助于轻松计算出通过某个桥接网络的确定性延迟,而不管网络拓扑如何。这是对现有技术的一种改进,它能够更简单地确定网络延迟,减少传输抖动(jitter),并简化跨桥接LAN提供确定性服务。”

图3:无论网络拓扑如何,循环排队和转发都能够支持已知的延迟

图3:无论网络拓扑如何,循环排队和转发都能够支持已知的延迟

根据数据流进行过滤和管制
根据数据流进行过滤和管制(policing)能够让网桥或端点组件检测出网络中的组件是否遵守商定的规则。例如,假如某个节点被分配了一定数量的带宽,当由于组件故障或恶意行为而致使该带宽被超过时,就可以采取措施来保护该网络。该标准包括执行帧计数、过滤、管制等功能的程序。管制和过滤功能特别有价值,可用于检测并在随后消除破坏性的传输,从而提高网络的健壮性和安全性。

帧复制和消除
帧复制和消除能够支持无缝数据冗余。它能够检测并减轻由于循环冗余校验(CRC)错误、断线以及连接松动所引起的问题。时间关键型数据帧被进行扩展以包括一个序列号,并在每个帧遵循网络中的一条单独路径的情况下进行复制。在网络中的任何网桥或合并点上,当这些单独的路径再次汇合到一起时,将从数据流中消除重复的帧,从而允许应用程序无序地接收数据帧。见图4。

图4:帧复制和消除能够检测并减轻由于CRC错误、断线和连接松动所引起的问题

图4:帧复制和消除能够检测并减轻由于CRC错误、断线和连接松动所引起的问题

例如,当自适应巡航控件向控制系统发送信号以保持特定速度并与前方车辆保持一定距离时,就可以在网络中创建多个单独的路径,以使这一信号与来自其他应用程序的信号都能够无缝地传输。一旦信号合并到一起,重复的帧就被剔除,从而实现不间断的信号传输。IEEE定义了三种方式来实现帧复制和消除,其中发送器(talker)发送信号,而侦听器(listener)接收信号:

  • 发送器复制,侦听器删除重复
  • 网桥复制,侦听器删除重复
  • 网桥复制,网桥删除重复
  • 增强型通用精确计时协议
    增强型通用精确计时协议通过以下两种方式同步网络中的时钟,从而支持时钟冗余:一种方式是采用单一大主控(grand master),另一种方式是采用多个大主控。该系统有一个用来同步时钟的主控(master),还有一个用来参考网络根时间的大主控。在单一大主控模式中,时钟时间信息被传输到网络中某个网段上的侦听器,然后传送到同一网络中的其他网段。只有大主控知道准确的时钟时间。在采用多个大主控的模式中,时钟时间以不同的方向在整个网络中传输,这样一来,在出现中断的情况下,准确的时钟时间在整个网络中仍然是已知的。

    图5a:单一大主控利用单独的路径发送2个副本

    图5a:单一大主控利用单独的路径发送2个副本

    图5b:多个大主控使用单独的路径发送2个副本

    图5b:多个大主控使用单独的路径发送2个副本

    上述TSN规范以及诸如IEEE P802.1Qcc和P802.1Qcr等其他规范经过不断发展已经能够满足汽车设计人员对ADAS应用的实时联网的持续需求。以太网最开始是用于诊断和软件更新,音频视频桥接(AVB)。目前,TSN已经成为高端ADAS SoC必不可少的特性,这对SoC的组件提出了包含新的集成IP等更多的需求。

    结论
    对安全至关重要的技术从安全气囊、电子稳定性、主动巡航控制发展到ADAS,这一过程中一直既需要带宽,也需要可预测的延迟。这一发展过程推动了高性能汽车半导体的使用,以支持ADAS应用。虽然目前有很多选择来连接这些系统,但以太网已经成为汽车SoC首选的有线连接技术。这是由于以太网能够支持所需要的数据速率范围,并提供了经过验证的可靠性和互操作性,而且增加了TSN。TSN对于具有严格时间约束的应用至关重要,而搭载TSN的以太网经过不断发展已经能够满足机动车对可预测延迟及有保证带宽的要求。IEEE TSN工作组已经制定了多套新的TSN规范,以便扩展其在先前的音频视频桥(AVB)接规范中所具有的能力,这些扩展包括:多种时间感知整形器、抢占、循环排队和转发、根据数据流进行过滤和管制、帧复制和消除,以及增强型通用精确计时协议。

    与消费电子产品不同的是,汽车电子产品及其SoC和IP组件必须符合一系列严格的汽车标准:ISO 26262功能安全性,AEC-Q100可靠性,以及质量管理。ISO 26262认证规定并记录了目标“汽车安全完整性等级”(ASIL)的所有过程、开发工作、标准和安全计划。四种不同的ASIL -- 即A、B、C和D -- 确定功能安全性的最低等级(A)和最高等级(D)。SoC和IP必须经过测试,以达到非常低的缺陷密度,其往往以“每百万产品中的不良数”(dppm)来衡量。

    为了实现TSN并加速SoC级别的ISO 26262认证,设计人员可以集成通过了汽车认证的IP,例如Synopsys公司的DesignWare 以太网服务质量Ethernet Quality-of-Service(QoS)IP。此IP通过了ASIL B Ready ISO 26262认证以及汽车安全套件能够支持高达2.5G的以太网速度、实时网络、原始IEEE音频视频桥接规范(AVB),以及最新的的TSN协议。

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