用於汽車ADAS應用的乙太網時間敏感網路

作者：John Swanson，Synopsys公司高級產品營銷經理

汽車電子系統的新時代已經減少了事故和死亡事件。進一步改進用於安全關鍵型汽車應用的先進駕駛輔助系統（ADAS）將是下一個浪潮，這需要大量的數據傳輸和後續處理。系統正變得越來越複雜，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應用結合到了一起，使得預測延時和帶寬保證越來越重要。例如，高清攝像頭捕獲高質量圖像並提供更多細節，以幫助檢測並響應不同的情況；高性能雷達和激光雷達（LIDAR）確定周圍物體的範圍和角度。這些應用都需要來自汽車不同部件的大量數據進行處理和決策。由於數據量巨大，實現高性能網路連接已經成為一項挑戰，汽車SoC設計人員正在通過乙太網克服之。但是，這些系統需要的不僅僅是性能，它們還需要可預測的延遲以及有保證的帶寬。

時間敏感網路（TSN）IEEE工作組發布了一套TSN標準，並在繼續制定新的規範，以滿足主動ADAS應用中的乙太網需求，這些應用往往需要實時網路。主動ADAS應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。本文介紹了汽車SoC的乙太網TSN標準，並簡要解釋了設計人員如何藉助於通過車規認證的乙太網IP來實現TSN。

時間敏感網路的演變

隨著實時網路變得不可或缺，尤其是對於諸如ADAS等安全關鍵性網路變得日益重要，帶有TSN的乙太網成為理想的網路選擇。為了支持ADAS，多個系統必須經常保持同步，這將需要在網路上部署大量數據。例如，緊急制動系統必須考慮制動距離和人員反應時間。當檢測到障礙物時，防撞系統應當通知駕駛員並且激活制動系統。檢測系統與制動系統之間的通信變得非常關鍵，因為在制動過程中出現延遲可能會導致災難事件發生。

TSN的發展始於音頻視頻橋接（AVB）的引入。AVB旨在用於汽車信息娛樂和車載網路系統等音頻視頻應用。在AVB網路中，來自收音機的音頻、來自信息娛樂系統的視頻、來自汽車指揮中心的數據以及來自正在運行的診斷系統的文件傳輸，都將通過一個共同的網路進行流式傳輸和橋接。這種聯網方面的延遲並不存在關鍵性的時間約束，但諸如自動制動系統等安全關鍵性的ADAS應用數據卻面臨這方面的約束。而且，ADAS應用所需要的數據量可能更大。由於這些原因，IEEE委員會擴展了最初定義為AVB的功能和特性，並將相關工作組重新命名為TSN。 此IEEE工作組已經制定了多個TSN標準，如表1所示。

表1：TSN工作組已經制定了多項標準

時間感知整型器（shaper）

汽車網路在設計應當具備可預見的、有保證的延遲；這種類型的網路被稱為工程網路。時間感知整形器用在工程網路中執行調度工作，以便使得關鍵流量隊列不會被阻塞。這是通過一個時間門來實現的，該時間門能夠讓時間關鍵型數據不受阻礙地流動和處理，同時阻塞非時間關鍵型數據，如圖1所示。IEEE 802.1Qbv調度程序（scheduler）的邏輯決定了這些時間門必須打開和關閉的時間間隔。時間感知整形器在乙太網MAC中實現。

圖1：時間感知整形器實現調度功能

搶佔

搶佔也可用於減少時間關鍵型數據流的延遲。在乙太網網路中，搶佔允許時間關鍵型數據幀中斷非時間關鍵型數據幀的傳輸。一旦時間關鍵型數據幀到達了其目的地，非時間關鍵型數據幀就恢復其傳輸。任何碎片化的數據幀都必須重新組裝後才能繼續傳輸。見圖2。

圖2：搶佔能夠減少時間關鍵型數據流的延遲

我們以緊急制動系統為例。假設兩個乙太網MAC傳輸著時間關鍵型數據幀（綠色）和非時間關鍵型數據幀（橙色）。具有搶佔功能的MAC能夠讓綠色幀先於橙色幀通過，從而實時抵達其目的地。系統隨後進行制動，也是實時進行，而不管網路上的其他數據幀狀態如何。時間關鍵型數據幀搶先於非時間關鍵型數據幀，這能夠顯著改善延遲現象，但更重要的是，它提供了可預測的延遲。

循環排隊和轉發

無論網路拓撲如何，循環排隊和轉發都能夠支持已知的延遲。它的主要作用是讓整個網橋中的網路延遲更加一致。參見圖3。根據IEEE P802.1Qch標準，「循環排隊和轉發修正版」「規定了一種傳輸選擇演算法，該演算法有助於輕鬆計算出通過某個橋接網路的確定性延遲，而不管網路拓撲如何。這是對現有技術的一種改進，它能夠更簡單地確定網路延遲，減少傳輸抖動（jitter），並簡化跨橋接LAN提供確定性服務。」

圖3：無論網路拓撲如何，循環排隊和轉發都能夠支持已知的延遲

根據數據流進行過濾和管制

根據數據流進行過濾和管制（policing）能夠讓網橋或端點組件檢測出網路中的組件是否遵守商定的規則。例如，假如某個節點被分配了一定數量的帶寬，當由於組件故障或惡意行為而致使該帶寬被超過時，就可以採取措施來保護該網路。該標準包括執行幀計數、過濾、管制等功能的程序。管制和過濾功能特別有價值，可用於檢測並在隨後消除破壞性的傳輸，從而提高網路的健壯性和安全性。

幀複製和消除

幀複製和消除能夠支持無縫數據冗餘。它能夠檢測並減輕由於循環冗餘校驗（CRC）錯誤、斷線以及連接鬆動所引起的問題。時間關鍵型數據幀被進行擴展以包括一個序列號，並在每個幀遵循網路中的一條單獨路徑的情況下進行複製。在網路中的任何網橋或合併點上，當這些單獨的路徑再次匯合到一起時，將從數據流中消除重複的幀，從而允許應用程序無序地接收數據幀。見圖4。

圖4：幀複製和消除能夠檢測並減輕由於CRC錯誤、斷線和連接鬆動所引起的問題

例如，當自適應巡航控制項向控制系統發送信號以保持特定速度並與前方車輛保持一定距離時，就可以在網路中創建多個單獨的路徑，以使這一信號與來自其他應用程序的信號都能夠無縫地傳輸。一旦信號合併到一起，重複的幀就被剔除，從而實現不間斷的信號傳輸。IEEE定義了三種方式來實現幀複製和消除，其中發送器（talker）發送信號，而偵聽器（listener）接收信號：

發送器複製，偵聽器刪除重複

網橋複製，偵聽器刪除重複

網橋複製，網橋刪除重複

增強型通用精確計時協議

增強型通用精確計時協議通過以下兩種方式同步網路中的時鐘，從而支持時鐘冗餘：一種方式是採用單一大主控（grand master），另一種方式是採用多個大主控。該系統有一個用來同步時鐘的主控（master），還有一個用來參考網路根時間的大主控。在單一大主控模式中，時鐘時間信息被傳輸到網路中某個網段上的偵聽器，然後傳送到同一網路中的其他網段。只有大主控知道準確的時鐘時間。在採用多個大主控的模式中，時鐘時間以不同的方向在整個網路中傳輸，這樣一來，在出現中斷的情況下，準確的時鐘時間在整個網路中仍然是已知的。

圖5a：單一大主控利用單獨的路徑發送2個副本

圖5b：多個大主控使用單獨的路徑發送2個副本

上述TSN規範以及諸如IEEE P802.1Qcc和P802.1Qcr等其他規範經過不斷發展已經能夠滿足汽車設計人員對ADAS應用的實時聯網的持續需求。乙太網最開始是用於診斷和軟體更新，音頻視頻橋接（AVB）。目前，TSN已經成為高端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。

結論

對安全至關重要的技術從安全氣囊、電子穩定性、主動巡航控制發展到ADAS，這一過程中一直既需要帶寬，也需要可預測的延遲。這一發展過程推動了高性能汽車半導體的使用，以支持ADAS應用。雖然目前有很多選擇來連接這些系統，但乙太網已經成為汽車SoC首選的有線連接技術。這是由於乙太網能夠支持所需要的數據速率範圍，並提供了經過驗證的可靠性和互操作性，而且增加了TSN。TSN對於具有嚴格時間約束的應用至關重要，而搭載TSN的乙太網經過不斷發展已經能夠滿足機動車對可預測延遲及有保證帶寬的要求。IEEE TSN工作組已經制定了多套新的TSN規範，以便擴展其在先前的音頻視頻橋（AVB）接規範中所具有的能力，這些擴展包括：多種時間感知整形器、搶佔、循環排隊和轉發、根據數據流進行過濾和管制、幀複製和消除，以及增強型通用精確計時協議。

與消費電子產品不同的是，汽車電子產品及其SoC和IP組件必須符合一系列嚴格的汽車標準：ISO 26262功能安全性，AEC-Q100可靠性，以及質量管理。ISO 26262認證規定並記錄了目標「汽車安全完整性等級」（ASIL）的所有過程、開發工作、標準和安全計劃。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必須經過測試，以達到非常低的缺陷密度，其往往以「每百萬產品中的不良數」（dppm）來衡量。

為了實現TSN並加速SoC級別的ISO 26262認證，設計人員可以集成通過了汽車認證的IP，例如Synopsys公司的DesignWare 乙太網服務質量Ethernet Quality-of-Service(QoS)IP。此IP通過了ASIL B Ready ISO 26262認證以及汽車安全套件能夠支持高達2.5G的乙太網速度、實時網路、原始IEEE音頻視頻橋接規範（AVB），以及最新的的TSN協議。

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