車載以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用在OSI模型中主要涉及物理層與數(shù)據(jù)鏈路層兩部分。其中物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需信號、狀態(tài)等信息，同時在應(yīng)用過程中向數(shù)據(jù)鏈路層相關(guān)設(shè)備提供標準接口。而數(shù)據(jù)鏈路層通過MAC（Media Access Control）芯片向系統(tǒng)提供尋址機構(gòu)、數(shù)據(jù)幀構(gòu)建、為網(wǎng)絡(luò)層提供標準的數(shù)據(jù)接口等功能。在端到端的數(shù)據(jù)傳輸過程中，應(yīng)用車載以太網(wǎng)技術(shù)涉及到的物理層硬件通常包括：控制單元中的以太網(wǎng)物理層芯片（Physical Layer Chip，PHY）、線束總成以及傳感器等，其拓撲架構(gòu)如下示意：

圖1?端到端車載以太網(wǎng)物理層拓撲架構(gòu)示意

數(shù)據(jù)在此物理層架構(gòu)中的傳輸過程是，PHY芯片通過線纜接收到對端傳輸過來的模擬信號，并經(jīng)過解調(diào)和A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送至數(shù)據(jù)鏈路層。其中，PHY芯片作為以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中的基礎(chǔ)芯片之一，它是一個復(fù)雜的數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，經(jīng)它傳入線束端的數(shù)據(jù)為模擬信號，而從其傳入MAC端的數(shù)據(jù)則是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。但為了確保數(shù)據(jù)傳輸過程的安全有效，其在設(shè)計中通常包含有高性能的SerDes、ADC/DAC等設(shè)計，同時也包含有如濾波算法和信號恢復(fù)等DSP設(shè)計，同時該芯片可通過模/數(shù)電路對模擬信號與數(shù)字信號進行處理，以實現(xiàn)降噪、抗干擾、均衡、時鐘恢復(fù)等功能。

圖2 PHY芯片功能

而作為數(shù)據(jù)傳輸重要載體的線束，目前在以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用中，主要是采用基于Broad R-Reach 技術(shù)的100BASE-T1非屏蔽雙絞線（UTP），此線束可實現(xiàn)100Mbit/s及更高的寬帶性能。相比于傳統(tǒng)的總線，單UTP在整車上的應(yīng)用不僅為系統(tǒng)帶來了更高的傳輸速率，同時可減輕約30%的線纜總重量，并降低了約80%的連接成本。

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中PHY芯片與MAC芯片根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同存在多種架構(gòu)形式，其一是以傳統(tǒng)消費類領(lǐng)域為主要應(yīng)用的以太網(wǎng)技術(shù)，在此領(lǐng)域的應(yīng)用中對CPU的性能通常并無過高要求，在采用較低性能的CPU時，將MAC與PHY芯片進行集成，可讓設(shè)備整體的成本做到更低，其架構(gòu)示意如下：

圖3?消費類領(lǐng)域以太網(wǎng)架構(gòu)

隨著車載以太網(wǎng)技術(shù)的興起，基于MAC的全數(shù)字電路與PHY的數(shù)?；旌想娐返牟町?，同時車載CPU的性能要求更高，可通過更高的制造工藝將MAC與CPU進行集成，在減少占用面積的同時總成本相對也好控制。因此在此領(lǐng)域的應(yīng)用中通常將MAC芯片集成于MCU或CPU內(nèi)，而PHY芯片則多采用獨立存在的形式，此方式也是當前技術(shù)狀態(tài)下車載領(lǐng)域應(yīng)用中的主流方式，其架構(gòu)示意如下：

圖4?車載領(lǐng)域主流以太網(wǎng)架構(gòu)

在芯片技術(shù)進一步得以發(fā)展的前提下，具有更高性能的芯片被推出，此階段下原本獨立的PHY芯片亦被集成于CPU中，但由于此方案受到成本及制造技術(shù)限制，在整車應(yīng)用中并未形成規(guī)模，該方案架構(gòu)示意如下：

圖5?高集成以太網(wǎng)架構(gòu)

綜合上述所介紹的多方案中，我們以主流車載以太網(wǎng)芯片方案為例，其端到端的應(yīng)用拓撲架構(gòu)如下示意：

圖6?端到端以太網(wǎng)技術(shù)拓撲架構(gòu)

此過程中，當控制單元端收到由外部設(shè)備所發(fā)送的數(shù)據(jù)時，PHY芯片會將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再并經(jīng)過解碼得到有效數(shù)據(jù)，接著再經(jīng)由相關(guān)接口傳輸?shù)組AC。當控制單元向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，MAC將通過MII/RGMII/SGMII等接口向PHY芯片傳送數(shù)據(jù)，在PHY芯片收到數(shù)據(jù)后，會把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù)，并按照物理層的編碼規(guī)則進行數(shù)據(jù)編碼，進而將數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換為模擬信號后將其傳輸出去。

在端到端的以太網(wǎng)應(yīng)用中，由于節(jié)點少且數(shù)據(jù)較為固定，因此通過標準的車載以太網(wǎng)技術(shù)可滿足應(yīng)用需求。但伴隨著EEA的發(fā)展，整車高性能ECU/傳感器等節(jié)點常處于變動狀態(tài)，基于此背景，端到端的以太網(wǎng)架構(gòu)已無法滿足整車應(yīng)用需求，而代之以星型網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)的車載以太網(wǎng)是整車常見的方案。

在此架構(gòu)下，由于節(jié)點數(shù)量的增加與應(yīng)用，數(shù)據(jù)量也隨之激增，在此數(shù)據(jù)多流并發(fā)的情況下，系統(tǒng)需協(xié)調(diào)計算資源、數(shù)據(jù)資源以及其他相關(guān)資源來確保所有的時間關(guān)鍵任務(wù)都不會錯過它們各自的截止時間。在面對此復(fù)雜調(diào)度問題上，采用傳統(tǒng)的車載以太網(wǎng)技術(shù)會存在網(wǎng)絡(luò)性能無法滿足其確定性和實時性的要求。

以某應(yīng)用為例，當多節(jié)點存在大量突發(fā)數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)將在交換機中列隊等待，此時網(wǎng)絡(luò)將會出現(xiàn)擁堵，導(dǎo)致延時，進而影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌暾麑斐绍囕v運行中存在未知的安全風險。

圖7?大量數(shù)據(jù)并發(fā)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量

為解決此跨ECU、跨域情況下的服務(wù)協(xié)調(diào)問題，進而保證不同域之間的通信確定性，當前在基于星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的車載以太網(wǎng)中，常通過時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）等確定性調(diào)度技術(shù)的應(yīng)用去實現(xiàn)精準的數(shù)據(jù)流量調(diào)度。該技術(shù)是在非確定性的以太網(wǎng)中實現(xiàn)確定性的最小時間延時的協(xié)議族，它不僅符合標準的車載以太網(wǎng)架構(gòu)，同時還可保證多業(yè)務(wù)流量的共網(wǎng)高質(zhì)量傳輸。在物理硬件上，通過TSN交換機的使用，可在保持現(xiàn)有以太網(wǎng)交換芯片多數(shù)邏輯的情況下，增加時間同步和輸出接口整型邏輯去實現(xiàn)TSN交換功能。

圖8 TSN關(guān)鍵技術(shù)

在汽車智能化、功能豐富化的趨勢下，采用以太網(wǎng)為車載主干網(wǎng)絡(luò)將是大勢所趨，在此背景下，以太網(wǎng)相關(guān)硬件的發(fā)展將會迎來利好，而基于如TSN等技術(shù)的下一代以太網(wǎng)技術(shù)將依托于技術(shù)、成本、可靠性等方面的優(yōu)勢在車載應(yīng)用中成為關(guān)鍵技術(shù)之一。

審核編輯：黃飛

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