Den automotive sektor gennemlever et dramatisk skift i de computerarkitekturer, som køretøjerne bruger. Det skift har store konsekvenser for de netværksteknikker, som OEM-virksomheder bruger for at koordinere de mange forskellige funktioner, der kræver softwarestyring
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 1 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originalen her)
Af Goran Filimonovic, Toshiba Electronics Europe GmbH
De fleste producenter anvender stadigt mere avancerede mikroprocessorer til de AI-funktioner, der skal føre til større sikkerhed og bedre køreoplevelser – og også til styringer, der skal forbedre energiudnyttelsen i køretøjer.
Disse ændringer er ved at føre til et skift væk fra de konventionelle designs, hvor en elektronisk styring er tilegnet hver enkelt diskret funktion. Køretøjsproducenter er ved at bevæge sig væk fra de zoneopdelte arkitekturer for i stedet at få fordel af højtydende multikerne SoC’er. I disse arkitekturer er køretøjet opdelt i adskillige zoner, som identificeres gennem deres placering snarere end deres funktion. Applikationer lige fra styring af bilen til infotainment-services vil blive distribueret mellem processorer i hver af disse zoner.
For at sikre pålidelighed og sikkerhed af de data, der flyttes rundt i køretøjet, er al kommunikation styret af zoneopdelte gateways. Disse gateways sikrer, at pakker med lav prioritet – som e-mails sendt til køretøjets passagerer – ikke begrænser udbredelsen af vitale real-time data, der skal bruges til opbremsning eller kørebanestyring. Derfor er de automotive netværk, som bruges i zoneopdelte arkitekturer gået i retning af Ethernet-standarden, der styrker netværkets real-time behaviour.
Toshibas egne tests viser, hvor betydningsfulde forbedringer man kan udføre med Time-Sensitive Networking (TSN) i automotive systemer sammenlignet med traditionelle Ethernet-løsninger. For at demonstrere et realistisk testmiljø har Toshibas ingeniører konstrueret et netværk, der emulerer behaviour for en node konnekteret gennem Ethernet til WiFi-controllere, der bruges til implementering af et trådløst hotspot i et køretøj. Kode implementeret på værts-SoC’er har været designet til at emulere de typiske automotive applikationer: en zoneopdelt gateway, audio-video streaming, trådløs hotspot-support samt overførsel af masselagrede data. Disse tests har vist, hvordan video sendt med brug af AVB-protokollen – som anvender TSN-funktionerne – forbliver synkroniseret og jævn med de bedst mulige protokoller – men hvor der opstår længere delays, i takt med at indholdet på disse netværk bliver stadigt mere omfattende.
TSN for bedre real-time behaviour
For at forbedre real-time behaviour for netværket giver TSN-udbygningen af Ethernet en række optioner, der øger QoS (Quality of Service), og som gør forskellige real-time arkitekturer mulige. Kernen i TSN ligger i IEEE 802.1AS, der også er kendt som en ”generalized Precision Time Protocol” (gPTP).
Ved at tilføje en mekanisme, der sikrer, at alle noder i et Ethernet-netværk kan være fælles om timingen inden for en given fejlmargin, danner gPTP basis for en række protokoller, der styrker den tidsmæssige korrekte pakkelevering i netværket. Frem for at stille krav om højpræcise clocks i hver kommunikerende node lader gPTP endpoint-produkterne være enige om en fælles lokal timing, hvilket så sker inden for en præcision på mikrosekunder.
Protokollen løser de problemer, som controllere i de automotive miljøer står overfor i forhold til forskelle i spænding, temperatur og andre forhold, der kan få individuelle clocks til at drifte væk fra hinanden. Ved at opretholde enigheden mellem noderne sikrer gPTP, at alle controllere i netværket kan være fælles om en konsistent tidslinje.
Med en fælles tidslinje kan netværks-controllerne supportere tidsfølsom trafikdannelse og scheduling af pakker. Idéen bag trafikdannelsen er at forhindre pakker med latency-begrænsninger i at blive påvirket af pakker, som leveres ud fra en ”bedst-tilpasset”-praksis (best effort). Noderne er enige og understreger tidsgrænserne for pakkeleveringen ud fra en kendt end-to-end transmissions-latency. Tidsfølsomme pakker – som stammer fra dedikerede output-buffere fra en afsendende node – bliver transmitteret under en reserveret tidsslot og har derfor gavn af de styrkede garanterede leveringstider.
Strenge regler for tidskritisk trafikstyring
IEEE 802.1Qbv stiller krav om stram scheduling for tidskritisk trafik. Den scheduler, som IEEE 802.1Qbv anvender, allokerer periodiske cyklusser for at gøre plads til tidsstykker af en kendt længde, hver med sit allokerede prioritetsniveau. En applikation, der arbejder ud fra en korresponderende prioritet, får eksklusiv brug af netværket i den længde, som tidsstykket giver. Best-effort trafik går i kø for adgang til perioder, hvor der ikke bliver transmitteret pakker af højere prioritet. I princippet reducerer IEEE 802.1Qbv variansen i delay på stien for den trafik, der har behov for garanteret timing.
De extensions, som følger med IEEE 802.1Qbu og IEEE 802.3br i forhold til real-time behaviour, som implementerer en nodes evne til at udføre en interrupt i afsendelsen af en lang pakke med lav prioritet for i stedet at afsende én eller flere tidskritiske pakker, før den oprindelige datatransmission genoptages. Protokollerne adskiller sig i den måde, de målretter sig mod de forskellige lag i Ethernet-stacken. Hvor IEEE 803.2br er en standard for det fysiske lag (PHY), opererer 802.1Qbu på MAC-laget (Media Access Control) og bruges til styring af frame pre-emption i henhold til netværket og trafikprioriteringsregler.
Systemdesignere behøver ikke at opdele trafikken til best-effort og stram scheduling. Den kreditbaserede trafikdanner, som er introduceret i IEEE 802.1Qav-standarden, kan bruges til at sende pakker, som behøver en bedre håndtering af tidsfølsomme data, men hvor hardtiming-garantier ikke er påkrævede. Noder kan bruge dette kreditbaserede system til eksempelvis at levere videoframes, hvor en end-to-end latency ikke er kritisk og derfor får en lavere prioritet end missionskritiske sensordata, som anvender IEEE 802.1Qbv’s prioritetsbaserede tidsstykker.
De ekstra TSN-egenskaber må ikke mangle
De forhold, som automotivt orienterede OEM-virksomheder står overfor, når de skal designe netværk til zoneopdelte arkitekturer i køretøjer, handler ofte om, at til trods for at SoC’er kan supportere standard Ethernet-netværk, så har komponenterne ikke de ekstra egenskaber, som TSN giver. Desuden – selv om det er vigtigt, at zoneopdelte gateways supporterer TSN – vil mange andre endpoints også have strenge krav til real-time, som ikke er supporteret af forbindelse til en gateway gennem et non-TSN interface. Et eksempel er audiokomponenter som mikrofoncontrollere og sensorhubs, der eventuelt har konventionel Ethernet-support, men som også skal kunne arbejde med kreditbaserede- eller tidskritiske tidsslots i netværket.
TSN-egenskaberne kan leveres gennem brug af dedikerede real-time Ethernet-interfaces som Toshibas TC9562 og TC9563. Begge er højt integrerede Ethernet-controllere med fuld support af gPTP, IEEE 802.1Qav, IEEE 802.1Qbv og andre elementer, der er nødvendige for en pålidelig real-time kommunikation, hvor en høj båndbredde er et nøglekrav. TC9562 giver support af 1Gbps Ethernet, hvilket egner sig til endpoints, der har brug for den højere båndbredde. TC9563 udvider netværksegenskaberne til to porte, der begge er i stand til at supportere 10Gbps.
Ud over dobbelte Ethernet-interfaces indeholder TC9563 også en Arm Cortex-M3-processor, som har evnen til at monitere og styre software. Det kan bruges til monitering af fejl og tilstande i netværket med det mål at forbedre den overordnede pålidelighed. Til support af lokalt tilhørende clusters af avancerede sensorer og computermoduler har TC9562 et PCIe Gen 2.0 interface, mens TC9563 indeholder en PCIe-switch med support af én upstream- og to downstream Gen 3.0-porte.
Funktioner, der behøver ydelsen i højtydende SoC’er til at arbejde med AI-udvidet styring og high-end multimedia, er kun mulige, hvis applikationerne kan stole på, at pakker bliver afleveret inden for de programmerede tidsvinduer. TSN-forbedringerne af Ethernet understøtter netop denne behaviour. Denne implementering i komponenter som Toshibas TC9562 og TC9563 sikrer, at OEM’er og systemintegratorer har adgang til den TSN-support, de har brug for, hvis de skal inkludere disse avancerede design i køretøjer.
Billedtekster:
1: I zoneopdelte arkitekturer bliver størstedelen af beregningerne udført i centrale computere eller High-Performance Controllers (HPC’er), der indbyrdes er forbundet gennem multigigabit automotive Ethernet-netværk til zonedefinerede Electronic Control Units (ECU’er).
2: Netværksdesign anvendt til test af TSN-egenskaber.
