汽車網關成為車載網絡集成的先鋒

為了將不同的數(shù)據總線集成在一起，網關必須提供帶寬和反應時間。

　　對電子系統(tǒng)設計工程師而言，汽車工業(yè)正在進入一個令人鼓舞而充滿挑戰(zhàn)的時期，諸如信息娛樂、遙感測試、安全和控制等應用需要若干種聯(lián)網標準。為了給大多數(shù)應用選擇用戶需要且功能強勁的合適總線，設計工程師面臨繁重的任務。

　　汽車電子市場與數(shù)據通信、電信和消費電子并沒有什么不同，可選擇的聯(lián)網協(xié)議很多，各有優(yōu)缺點。一種協(xié)議不可能滿足所有汽車應用的需求。

　　汽車網絡通常可以分為三類：

　　車身控制：要求具有高帶寬、高可靠性和數(shù)據完整性;

　　信息娛樂：要求高帶寬及對音視頻的實時處理能力;

　　安全：傳統(tǒng)的液壓和傳感器正在被線控駕駛和剎車方法所取代。

　　為了儲存來自這些網絡的數(shù)據并進行處理，需要采用網關實現(xiàn)網絡的互連并處理來自車載嵌入式網絡的數(shù)據。典型的網關由若干汽車網絡接口(CAN、MOST和Flexray)及嵌入式微控制器和外圍功能組成。

　　CAN(控制區(qū)域網)由于成本低、傳輸可靠性高而特別適用于車身控制。典型的汽車包含若干CAN網絡功能，例如引擎管理、儀表控制和車身控制。其最大數(shù)據率為1Mbps，所以其帶寬不支持視音頻數(shù)據的傳輸。然而，CAN非常便宜、容錯能力強，因而是重要的網絡協(xié)議。根據ABI Research的“車載網絡研究報告”(2004年第四季度)預測，到2010年大約將安裝5.28億個汽車CAN節(jié)點。

　　MOST(多媒體傳輸協(xié)議)滿足了視頻和音頻功能的需求，它在塑料光纖上以24Mbps的速率支持同步和異步數(shù)據傳輸。DVD播放機、頂置播放器、GPS器件和顯示器等裝置都需要采用MOST收發(fā)器。MOST聯(lián)盟已經定義了MOST互連標準及軟件應用接口標準。MOST是一種富有彈性且高度可靠的網絡標準。

　　目前，剎車和方向盤都采用液壓機械方法來控制，將來的汽車要取代液壓機械，采用基于FlexRay的控制器來實現(xiàn)線控，包括線控剎車和線控方向盤。這種基于導線的網絡速度快、容錯能力強。FlexRay以大約10Mbps的速率支持同步和異步數(shù)據傳輸，它確保數(shù)據穩(wěn)定傳輸、容錯和對消息的反應時間，并以雙通道模式提供冗余措施。

　　以太網

　　除了上述車載網絡標準之外，典型的網關包括若干其它接口。以太網就是一種適用于診斷和作為服務接口的、應用廣泛的網絡標準。其硬件成本低、應用軟件隨處可得。因為該接口被用于診斷，因而不具備容錯和抗噪聲能力。要處理來自CAN、MOST和Flexray網絡的數(shù)據，需要嵌入式處理器。該處理器對數(shù)據進行分拆、聚合并完成類型轉換。以太網接口要一個嵌入式處理器來運行TCPIP棧。片外存儲器可以存儲程序代碼。為了儲存來自嵌入式網絡的臨時數(shù)據，可能需要增加額外的存儲器。

　　設計因素

　　系統(tǒng)設計工程師設計汽車網關的時候，可能需要作出許多決策，其中包括：

　　哪些網絡需要橋接?

　　采用什么橋拓撲?

　　需要DMA(直接存儲器訪問)嗎?

　　數(shù)據緩沖區(qū)要多大?

　　內部數(shù)據交換需要采用什么總線?

　　該總線寬度應該是多少?

　　需要采用什么仲裁機制?

　　需要多少處理能力?

　　上述問題取決于你所設計的系統(tǒng)和應用。然而，也有一些必須處理的共性問題。顯然，CAN、MOST和Flexray是不同的協(xié)議，它們的有效載荷、數(shù)據率和對實時處理的需求都不一樣，網關必須能夠有效地處理所有來自這些接口的進出數(shù)據。

　　采用可編程邏輯器件解決車載網關面臨的帶寬挑戰(zhàn)

　　必須選擇通用系統(tǒng)總線來傳輸網關內的數(shù)據，該總線通常就是以不同頻率工作在汽車網絡中的一種同步總線。該系統(tǒng)一般都與嵌入式處理器的時鐘頻率和帶寬匹配，從而使數(shù)據在處理器和網絡接口之間有效地傳輸。系統(tǒng)總線線必須滿足所有接口對帶寬的需求，合計每個網絡協(xié)議的累計最大帶寬就是一個基本的近似值。

　　例如一個網絡有四個CAN節(jié)點(4 Mb/s)、一個MOST (24 Mb/s)、一個FlexRay (10 Mb/s)和一個以太網(100 Mb/s)，因而總帶寬為138 Mb/s。它可以由運行在10MHz的16位總線構成。然而，總帶寬并不能滿足全部要求。每一個系統(tǒng)總線周期都有其用途。尋址和編碼周期消耗了可用的帶寬。目標器件諸如存儲器控制器或網絡接口在采集必要數(shù)據時有時會插入等待狀態(tài)。兩種情況都需要額外增加帶寬--或者提高速度或者增加系統(tǒng)總線的寬度。

　　另外一個重要的考慮是有效載荷和延遲時間。CAN節(jié)點以8位數(shù)據包傳輸信息。以太網最多可以傳輸1,500字節(jié)的數(shù)據包。每一次傳輸都有開銷。尋址和編碼周期消耗了最大可用帶寬。極端情況下，大系統(tǒng)傳輸容量取決于總線的最大有效帶寬。然而，把CAN網絡與其8字節(jié)有效載荷接口是不合適的。數(shù)據緩沖需要把足夠的CAN數(shù)據包填充到系統(tǒng)數(shù)據包之中。第二個需要考慮的問題是，對于1 Mb/s的輸入CAN速率的系統(tǒng)數(shù)據包，緩沖足夠的數(shù)據可能會招致CAN數(shù)據出現(xiàn)很大的延遲。另一種極端情況要配置系統(tǒng)的傳輸容量，以便傳輸1到4個字節(jié)的極低有效載荷。在此，過高的帶寬對于尋址和編碼來說會浪費開銷周期。

　　MOST和Flexray都是面向重要的實時應用。例如，來自MOST網絡上CD播放機的音頻流就是以固定速率傳輸?shù)?。音頻和視頻要求實時傳輸。系統(tǒng)總線必須確保來自諸如CD播放機之類的網絡數(shù)據不出現(xiàn)明顯的延遲。沒有人愿意看到音頻播放機上出現(xiàn)間隔或回聲。造成延遲的原因是緩沖數(shù)據太多--數(shù)據緩沖量太大且大小不當?shù)南到y(tǒng)傳輸影響了延遲和實時性能。選擇系統(tǒng)總線速度和數(shù)據包的大小將確定網關中每一個接口所需要的緩沖量。必須確定緩沖量的大小以維持帶寬并滿足掛在車載網絡上的設備對實時要求傳輸性能的要求。

　　在理想的架構中，嵌入式處理器大部分僅僅用于處理。然而，處理器周期卻被諸如中斷響應和數(shù)據搬移之類的功能所消耗。為了讓處理器以最高效率運行，數(shù)據搬移操作可由專用硬件元件來擔當。DMA控制器就是用于在網關接口(例如MOST接口)和存儲器或其它接口之間傳輸數(shù)據的嵌入式硬件模塊。對處理器進行配置之后，DMA控制器在后臺傳輸數(shù)據，而嵌入式處理器則處理應用數(shù)據。

　　網關設計工程師在此有幾種設計選擇，最重要就是是否需要DMA控制器。這取決于嵌入式處理器架構。對于執(zhí)行數(shù)據傳輸應用來說，或許處理器有足夠的空閑周期。與此類似，為了最小化數(shù)據傳輸所需要的周期，要計算處理器的每一個周期，還要考慮傳輸容量和DMA傳輸?shù)念愋汀?/p>

　　如你所見，車載網關的架構需要考慮若干性能因素。至少網關需要滿足所掛的接口對帶寬和延遲時間的要求，解決方案必須具有用戶可定制性、成本低廉并具有魯棒性以維持競爭力。

　　網關需要解決的問題

　　針對應用的標準零件(ASSP)可以滿足上述需求，但是，主要問題在于它們的功能和特性都是不可改變的。系統(tǒng)設計工程師如果采用ASSP就幾乎沒有機會將其產品與競爭對手的產品區(qū)別開。在設計周期中如果考慮增加功能或根據標準的變化作出調整的話，設計變動就會很大。用戶定制ASIC設計通常需要18-24個月且一次性流片成本高達幾百萬美元。

　　另一方面，在日益演變的車載網絡中采用可編程器件諸如門陣列(FPGA)就具有明顯的優(yōu)勢。FPGA使系統(tǒng)設計工程師可以根據其應用設計獨特的功能集，且可以調整設計以支持變化的標準和功能集的需求。設計工程師可以根據應用需要嵌入盡可能多的處理器和DMA控制器。系統(tǒng)總線帶寬和緩沖量也可以根據應用調整到理想值。這種用戶定制容許設計工程師選擇理想的成本和性能點。

　　此外，可編程邏輯解決方案可以在現(xiàn)場被重新配置并為用戶提供了對新應用進行更新?lián)Q代的渠道?；诳删幊唐骷漠a品上市時間快。一些FPGA制造商及伙伴公司為汽車應用提供知識產權(IP)核。通過修改RTL參數(shù)，用戶可以針對特定的應用定制這些IP核。這就可以根據問題空間來優(yōu)化成本。系統(tǒng)設計工程師也可以采用定制邏輯增大可用的IP核，從而將其產品與競爭對手的產品區(qū)分開。

　　不斷演變的標準和數(shù)據量大的應用諸如導航和視頻顯示需要采用越來越多的IP內容來縮短設計周期，基于可編程邏輯器件的車載網關和經過驗證的IP核具有成本效益，其解決方案的靈活性很高。