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MOST結合乙太網路實現IP通訊

上網時間: 2015年03月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:汽車電子  MOST  汽車連網  ADAS  LIN 

Henry Muyshondt,微芯科技汽車資訊系統部資深行銷經理

汽車電子系統是生產過程中最複雜的系統之一,其中包括許多子系統,即許多不同的局域(domain)。隨著汽車功能的不斷增加,這些局域彼此之間必須通訊,有時需要在多個局域之間協調。

例如,先進駕駛輔助系統(ADAS)必須處理來自多個攝影機和其他感測器的資訊,處理後還必須透過資訊娛樂系統中的螢幕和音訊播放裝置呈現給使用者。如果汽車要執行特定的自動化作業,ADAS中的資料還必須能夠無縫地傳輸到車身控制、煞車控制、轉向控制以及引擎控制等局域。

如果存在某一網路可以作為不同系統之間的通訊主幹,則不同局域之間的所有互動均可實現。一輛汽車由多個子系統組成,這些子系統彼此之間可以通訊,但對於各自所採用的資料傳輸的要求卻迥然不同。例如,用於升、降車窗的簡單按鈕對於資料通訊的要求極低,而且對成本極為敏感。因此,要追蹤車窗升降情況,您不會執行完整的TCP/IP協議堆疊,甚至不會使用區域網路(CAN)控制器。

相反地,大多數的汽車會採用低成本的區域互連網路(LIN)串列匯流排,利用一根纜線進行通訊。CAN還能為汽車提供多種實用功能,雖然它比LIN複雜,但在各種汽車微控制器(MCU)中都可輕鬆建置。CAN採用基於訊息的協議並已經過最佳化,適用於傳送較少量的資訊,許多診斷功能以及車身和引擎控制通訊均可透過CAN實現。

隨著所需傳輸的資料量不斷增加,必須部署速度更快、更複雜的網路。由於必須在不同局域之間傳輸的資料量要求,這種網路的處理能力必須明顯高於先前所述的各種網路,所用的頻寬也要高出幾個數量級。

在1990年代末,汽車產業開發了MOST技術來滿足音訊和視訊通訊的需求。這種網路從一開始便設計為針對各種裝置發送連續傳輸的時間敏感型資料,主要目的在於簡化汽車資訊和娛樂系統。根據負責此標準的汽車製造商及其供應商聯盟MOST Cooperation表示,目前內建MOST網路的車型有175種以上。為了建置這項技術,目前已部署超過1.5億台裝置了,甚至在有些高階汽車中,每輛汽車所部署的裝置就多達15台。

由於汽車必須與外在世界連接,網際網路協議(IP)就變得更重要。IT領域中的大多數通訊都採用基於乙太網路和IP封包的各種協議,許多應用也有賴於這項標準來處理傳入和送出汽車的資訊,因而使資訊到達世界各地。此外,IP還可作為一種在汽車內不同局域之間發送資訊的標準方法。

儘管不同的技術之間經常被認為存在競爭,只有一種技術得以佔優勢,但MOST和乙太網路二者分別具有各自的優點,彼此之間也存在許多協同作用。

乙太網路:封包傳輸

乙太網路透過一個簡單的實體層來實現長距離的資訊封包傳送,其傳送路徑並可隨著不同位置之間的鏈路改變而重新路由。每個封包都包括尋址與控制資訊,使系統能夠透過資料封包進行尋址與重新改變路徑實現傳輸。

圖1:典型車用乙太網路架構圖。
圖1:典型車用乙太網路架構圖。
(來源:Microchip)

無論是透過診斷介面還是蜂巢式數據機,與汽車外部系統進行任何的資料交換,都可能加進個別的封包中,這些封包中內含來源位址和目標位址,以及用於控制資料如何從A點傳到B點的其他資訊。由於外部連接並不可靠,因此必須採用這種方法。這種傳輸類型對於電子郵件、網頁瀏覽以及非時間關鍵型或非時間敏感型的資料傳輸等應用非常有利。

此外,乙太網路的廣泛應用還促使採用IP封包的各種應用大量湧現。這些封包是IP通訊的基礎,無論是IEEE 802.3有線乙太網路實體層通訊,或者是IEEE 802.11 WLAN或蜂巢式通訊等。

然而,採用CSMA/CD架構的乙太網路存在一個問題:無法預測碰撞錯誤。因此,當存取多款裝置時,必須先退出後再重新嘗試連接,浪費更多等待時間以及增加更多所需的頻寬。同時,這一系統存在不確定性與延遲,導致對於音訊、視訊以及採用連續資料串流的應用造成中斷的可能性。

MOST:串流傳輸

MOST在這一類的資料傳輸、串流與同步更明顯有利。MOST控制通道可設定資料在傳輸架構中的串流方向以及資料渲染處理的位置。透過設定MOST控制通道,系統可直接收發A/V資料,並只針對實際的音訊或視訊資料進行傳輸,大幅節省了資訊尋址與計時的成本。

MOST網路的優勢在於能直接將資料路由到期望採用乙太網路格式的各種應用,同時,當為輸出裝置發送音訊或視訊串流等連續傳輸的資訊串流時,無需利用到主處理器。尤其是針對車載資訊娛樂以及駕駛輔助系統通常需要的資料串流傳輸而言,MOST特別具有高效率。

結合MOST與乙太網路

最新一代的MOST技術——MOST150為其傳統的控制(同步和非同步通道)中添加了專用的MOST乙太網路封包通道(MEP),使其更適合單一封包或連續的音視訊傳輸協議,而無需迫使所有的資料套用一種特定格式。

該專用通道可採用一種標準的乙太網路封包,並經由MOST網路進行傳送,不必透過乙太網路管理堆疊中的更高層級進行特殊處理。MOST150 INIC甚至具有乙太網路型的MAC位址,因此可在適當位置擷取乙太網路封包,然後傳送到其他的標準乙太網裝置。

在此系統中也無需使用中心切換中樞以及其他硬體。音訊和視訊節目等資料串流可透過串流通道平行傳送,因而更有效率地利用可用頻寬。實際上,即使應用僅需要基於IP的傳輸,MOST150網路也會將100%的頻寬僅分配到乙太網路通道。因此,經過檢驗的汽車實體層現可應用於車內的乙太網路傳輸。利用MOST150,單一實體層即兼具封包和串流技術,為汽車帶來的全部優勢。

國際標準組織(ISO)針對網路通訊開發出開放系統互連(OSI)參考模式。圖2所示為OSI模式的乙太網路建置方案。

圖2:針對乙太網路的ISO開放系統互連參考模式。
圖2:針對乙太網路的ISO開放系統互連參考模式。
(來源:Microchip)

為了利用基於MOST150標準的相同模型,只需更改最低的兩層並以MOST技術取代即可。其後便可以平行執行其他MOST網路層。圖3顯示修改後的OSI模式建置方案。

圖3:修改後的OSI參考模式,包括MOST技術和乙太網路。
圖3:修改後的OSI參考模式,包括MOST技術和乙太網路。
(來源:Microchip)

如圖3所示,所有較高層級均保持不變。只需更改資料連接層和實體層,即可實現乙太網路通訊,而無需針對用戶的實際應用進行任何更改。MOST網路封包通道本身就具有協議堆疊,不但能與乙太網路協議堆疊平行執行,也可以獨立執行。

儘管業界存在許多適用於IP通訊的IT相關協議堆疊,汽車產業也開發出自有的通訊協議堆疊。其中包括許多汽車應用的特定功能,例如系統管理和控制功能,以及至CAN等其他汽車網路的閘道。這些汽車產業通訊協議堆疊並非針對執行於標準乙太網路而設計,但非常適合MOST網路。

結合乙太網路與MOST技術於一個資料連接層和實體層級,能夠加速所需開發的進度,這是因為不必再浪費無謂的重複開發即可管理汽車資訊和娛樂系統。在汽車中添加乙太網路與IP功能時,可以利用現有的整個汽車網路管理基礎架構。針對汽車開發和製造系統的完整工具鏈已經到位,只需稍加更改,便可為現有MOST網路功能(參考圖4)添加這些IP功能。

MOST技術串流通道並不需要透過不同的處理堆疊,資料即可傳送至網路中,如圖4所示。這十分有助於實現適用於ADAS功能所需的低延遲。端至端延遲只需要幾毫秒(包括壓縮與解壓縮)。

圖4:MOST串流通道無需不同處理堆疊,即可傳輸資料。
MOST串流通道無需不同處理堆疊,即可傳輸資料。
(來源:Microchip)

此外,控制資訊也必須透過具有低延遲的網路進行傳送。這些控制資訊還可用於設定上述的串流傳輸。

MOST INIC提供用於這些目的的控制通道。INIC的功能模組以及MOST NetBlock內建於硬體中,使網路可作為獨立實體,而不必分別等待各個裝置啟動以及提交應用功能模組。在每個裝置完成啟動程序後,這些應用功能模組即可告知網路各自所提供的功能。圖5顯示這一概念。

圖5:控制通道參考模型。
圖5:控制通道參考模型。
(來源:Microchip)

圖2-5中所顯示的堆疊都能在採用最新一代MOST150的汽車中共同作業。從技術角度來看,汽車究竟需要哪一種技術基礎架構其實並沒什麼好爭辯的。因為,無論是採用MOST還是乙太網路,其封包與串流傳輸都可以相容與彼此適應,讓設計者可針對各自應用需求利用最佳的解決方案。

結語

由汽車製造商組成的MOST聯盟(MOST Cooperation)一直密切關注目前可用的各種連網技術。該聯盟成員已經體認到不同網路所帶來的各種優勢,並且已經提出相應的解決方案,以便能充分發揮各種網路的優勢。MOST技術可多工幾種不同的資料傳輸機制。MOST150的MOST乙太網路通道開發目的在於希望能在汽車內外採用IP通訊,同時還能充份地利用MOST技術已經到位的高效同步資料串流傳輸機制。它包括汽車產業所需的所有軟體層,而無需再添加任何新的汽車網路管理協議堆疊。

MOST150讓設計人員得以充分利用MOST聯盟成員累積十餘年的汽車連網經驗,以及已經上路行駛的汽車及其數億節點。建置這些系統所需的晶片和實體基礎設施已經成功通過汽車應用檢驗了,而且,建置汽車連網系統所需的汽車相關規格也已經就緒。從汽車設計和開發到汽車製造和現場維修的汽車生產週期中,各個階段所需的工具鏈已經到位。憑藉著MOST技術,未來將完全朝向基於IP的系統發展,同時還可充分利用數十年來在汽車連網所累積的自動化相關經驗。





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