By Paul McLellan, Cadence
車載網路是乙太網 (Ethernet) 的(de)最新應用(yòng)領域，但鑒於乙太網已經存在了(le)將近 50 年，讓我們先來回顧一下(xià)其發展歷史。
乙太網的(de)發展歷史
乙太網於 1971 年問世，當時被稱為 AlohaNet，是世上第一個無線分(fēn)組資料網路。從它的(de)名稱中可(kě)以猜到，它誕生於夏威夷。夏威夷大(dà)學主要的(de)分(fēn)時電腦系統位於歐胡島校區，但在其他(tā)島嶼上也(yě)有這所大(dà)學的(de)校區。該系統以衛星為基礎，其中一個細節值得(de)注意：這套系統使用(yòng)了(le)共用(yòng)的(de)無線通(tōng)道。如果系統想發送信號，需等到通(tōng)道空閒時，才能將信號發送給衛星。它還會偵聽衛星下(xià)行鏈路。由於延遲，通(tōng)道很有可(kě)能隻在啟動傳輸時才可(kě)使用(yòng)，資料包還會與來自另一個傳輸者的(de)另一個資料包發生衝突。第一級重傳將發現這種情況，並在等待片刻後再次嘗試傳輸。有一個常見的(de)網路通(tōng)訊協定可(kě)用(yòng)於處理(lǐ)端到端確認、以其他(tā)方式損壞的(de)資料包等等。
Xerox PARC 研究中心的(de) Robert Metcalfe 和(hé) David Boggs 在 20 世紀 70 年代初設計出了(le)最初的(de)乙太網，其中一些是基於 AlohaNet設計的(de)；Robert 在攻讀博士學位期間對 AlohaNet 有所涉獵。儘管以“乙太”命名，乙太網並不是像 AlohaNet 那樣在空氣中傳播，而是透過同軸電纜傳輸資料。但二者擁有一些相同的(de)功能：在通(tōng)道空閒時進行傳輸、偵聽衝突，並自動重傳。當時，PARC 研究中心的(de)所有 Alto 電腦都與最初的(de)乙太網聯網，傳輸速率為 3Mb/s。
第一個商用(yòng)乙太網是 1980 年推出的(de) DIX 乙太網，傳輸速率為 10Mb/s。DIX 是 DEC-Intel-Xerox 的(de)首字母縮寫，代表了(le)創建該標準的(de)三家公司：一家製造電腦並需要局域網技術的(de)公司；一家製造晶片以降低成本的(de)半導體公司；以及一家首先提出該想法的(de)公司 (也(yě)是當時唯一一家擁有此類網路運營經驗的(de)公司) 。網路的(de)「類型」為 CSMA/CD，這是「載波監聽多(duō)路訪問衝突檢測」的(de)首字母縮寫。這個 10Mb/s 乙太網也(yě)透過單個共用(yòng)的(de)同軸電纜傳輸資料。不久後，這變成了(le) IEEE 802.3 標準。
逐漸地，所有其他(tā)網路技術 (例如 Apollo 的(de)權杖環網、劍橋環網等等) 都被乙太網取代。在 20 世紀 90 年代，共用(yòng)的(de)同軸電纜被點對點雙絞線 (標準電話線) 所取代，利用(yòng)交換機和(hé)路由器將流量傳送到目的(de)地。近 50 年後的(de)今天，乙太網幾乎徹底打敗了(le)其他(tā)的(de)有線 (或光(guāng)纖) 網路技術。雲資料中透過乙太網將伺服器連接到機架式路由器，而機架式路由器也(yě)是透過乙太網在資料中心內進行連接。資料中心也(yě)透過乙太網相互連接。
車載網路
然而，在汽車上還存在其他(tā)的(de)有線標準，特別是 CAN 匯流排 (CAN 是指控制器局域網的(de)英文縮寫) 。如果車內的(de)資料傳輸量很小，比如座椅調整、後視鏡調整、收音(yīn)機調頻，倒車雷達等等，那麼 CAN 匯流排完全可(kě)以勝任。可(kě)是，向 ADAS (高(gāo)級駕駛員輔助系統) 和(hé)自動駕駛的(de)轉變改變了(le)一切。現在，典型的(de)汽車架構擁有功能強大(dà)的(de)中央電腦，並與攝像機、雷達和(hé)雷射雷達的(de)信號源相連接。這需要大(dà)量頻寬，超出了(le) CAN 匯流排 (以及 LIN、FlexRay 等其他(tā)技術) 所能提供的(de)頻寬。當我們需要具有大(dà)量頻寬的(de)有線網路時，實際上隻能選擇乙太網，因為這樣才可(kě)以利用(yòng)晶片、軟體、測試設備、網路監控等組成的(de)整個生態系統。
乙太網的(de)另一個優點是它在非屏蔽雙絞線上運行。這意味著可(kě)以顯著降低線束的(de)重量和(hé)複雜性。據說，有些線束可(kě)以達到 50 公斤。這個重量可(kě)不輕，會影(yǐng)響續航裏程，更別說高(gāo)昂的(de)生產成本了(le)。可(kě)以說，汽車是靠線束才成為一個整體，如果線束出了(le)問題，汽車通(tōng)常就會報廢——購買新車比修理(lǐ)舊車更劃算(suàn)。
PARC 初代 3Mb/s 乙太網 (以及梅特卡夫定律, Metcalfe’s Law) 的(de)發明(míng)者 Bob Metcalfe 在《車載乙太網：權威指南(nán)(Automotive Ethernet: The Definitive Guide)》的(de)前言中寫到：
正如我 40 年來一直在說的(de)那樣：「如果你需要網路連接，無論是哪方面的(de)網路連接，乙太網就是答(dá)案。」在這種情況下(xià)，我們可(kě)能會考慮兩個相關問題。「乙太網為什(shén)麼用(yòng)了(le)這麼久才進入汽車領域？乙太網在汽車領域的(de)應用(yòng)前景如何？」
今後的(de)汽車將配備車載乙太網。
車載乙太網
上圖顯示了(le)車載乙太網架構，設備分(fēn)佈在汽車周圍，透過車載乙太網與車載主機和(hé)交換機連接。除了(le)資料中心所需的(de)乙太網功能外，車載乙太網還需要支援時間敏感網路 (TSN) 和(hé) IEEE 1722 音(yīn)訊視頻橋接 (AVB) 傳輸協議。這些技術使車載網路可(kě)以提供有關延遲和(hé)同步的(de)服務品質 (QoS) 保證。
如何進行車載乙太網設計
乙太網介面包括三部分(fēn)：PHY、MAC 和(hé) 控制器。對於所有這三部分(fēn)，Cadence 都有可(kě)用(yòng)的(de)設計 IP (DIP)。
PHY 是將晶片連接到物(wù)理(lǐ)介質的(de)類比單元，就車載乙太網而言，這是雙絞銅線，也(yě)稱為 100Base-T1。
MAC 是媒體存取控制器，負責處理(lǐ)乙太網介面除 PHY 以外的(de)其他(tā)所有方面。Cadence 在千兆乙太網 MAC 方面的(de) IP 符合 IEEE 802.3 標準，而且具有高(gāo)度的(de)可(kě)定制功能，並支援整合的(de) 1000BASE-X PCS、帶有高(gāo)級 AXI 卸載功能和(hé)描述符緩存的(de)高(gāo)性能 DMA、QoS、IEEE 1588 和(hé) TSN/AVB 功能，支援任何應用(yòng)。它還支援許多(duō)其他(tā)功能，包括 VLAN、TCP/IP 卸載和(hé)遠端網路監控 (RMON)。
Cadence 10G/2.5G/1G 用(yòng)於汽車應用(yòng)的(de)多(duō)速乙太網控制器 IP 是高(gāo)度可(kě)定制的(de)軟控制器 IP，符合 IEEE 802.3 標準。為了(le)支援各種乙太網應用(yòng)，車用(yòng)控制器 IP 具有 1000BASE-X 和(hé) USXGMII PCS 整合模組，帶有高(gāo)級 AXI 卸載功能和(hé)描述符緩存的(de)高(gāo)性能 DMA、QoS 和(hé) IEEE 1588。時間敏感網路/音(yīn)訊視頻橋接 (TSN/AVB) 功能可(kě)實現關鍵資料的(de)統一乙太網通(tōng)信，不會在共用(yòng)網路中造成流量擁塞。另外，車用(yòng)控制器 IP 還支援許多(duō)其他(tā)功能，包括 IEEE 802.3az 高(gāo)能效乙太網 (EEE)、VLAN、TCP/IP 卸載和(hé)遠端網路監控 (RMON)。
要分(fēn)析構成網路的(de)線路，可(kě)使用(yòng) Sigrity™ SystemSI 車載乙太網通(tōng)道模擬。透過物(wù)理(lǐ)乙太網通(tōng)道分(fēn)析 ECU 到 ECU 的(de)通(tōng)信性能，從而自動進行晶片到晶片的(de)信號完整性分(fēn)析。這使我們可(kě)以測試 IP 的(de)不同組合、不同的(de)電纜長度、屏蔽與非屏蔽 的(de)效果對比，老化(huà)以及針對車載乙太網 100Base-T1 PHY 的(de)合規性檢查。
要分(fēn)析發送器和(hé)接收器，針對 100Base-T1 BroadR-Reach PHY 的(de)車載乙太網合規性檢查涉及到針對 IP 所提供的(de) IBIS 和(hé) AMI 模型。要更深入地瞭解如何完成此操作，請參閱文章(zhāng)：《了(le)解 DDR5 技術之前你需要知道什(shén)麼是 AMI 與 IBIS》。
使用(yòng) Sigrity SystemSI 模擬可(kě)以在無需製作實物(wù)樣闆的(de)情況下(xià)，對輸出下(xià)降、功率譜密度、抖動、時鐘頻率、失真和(hé)回波損耗進行特性分(fēn)析，如欲瞭解詳情，點擊觀看下(xià)方視頻：
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