Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Fordonstillverkare använder i allt oftare AI-processorer för förbättrad säkerhet och körprestanda, och för att höja energieffektiviteten. Skiftet från en klassisk design med separata styrenheter till en zonbaserad arkitektur med högpresterande flerkärniga SoC:er är i full gång.

En sådan arkitektur delar upp fordonet i zoner som definieras av sin position snarare än sin funktion. Tillämpningar – allt från körstyrning till infotainmenttjänster – fördelas mellan processorer i respektive zon.

För att upprätthålla datapaketens tillförlitlighet och säkerhet, hanteras all kommunikation av zonbaserade nätportar. Dessa nätportar ordnar så att lågprioriterade paket – exempelvis e-postbilagor för leverans till passagerare – inte försenar realtidsdata för bromsning eller manövrering av bilen. Det är därför zonala-arkitekturer använder realtidsversioner av Ethernet.

Toshiba har gjort egna tester som visat att TSN (Time-Sensitive Networking) faktiskt gör skillnad i fordonssystem jämfört med den best-effort-strategi som Ethernet traditionellt använder.

För att skapa en realistisk demonstration implementerade Toshibas ingenjörer ett nätverk som emulerade en lagringsenhet ansluten via Ethernet till WiFi-styrenheter som implementerade en trådlös surfpunkt. På värd-Soc:erna kördes kod som emulerade typiska fordonstillämpningar: en zonal nätport, strömmande ljud och video, trådlös surfpunkt och överföring av stora datavolymer.

Testerna visade att video som skickas över AVB (Audio Video Bridging – som använder TSN) håller sig synkroniserad och avbrottsfri medan trafik som skickas över best-effortprotokoll kan uppleva större förseningar när trafiken på nätverket ökar.

För att förbättra nätets realtidsbeteende använder TSN ett antal knep som ökar tjänstekvaliteten (QoS, quality of service) och möjliggör realtid. TSN är baserat på IEEE 802.1AS, även känt som Generalized Precision Time Protocol (gPTP).

Genom att tillhandahålla en mekanism som ser till att noderna i Ethernet-nätverket kan komma överens om gemensam tid (med viss tolerans) skapar gPTP grunden för en mängd protokoll för att säkerställa att paket levereras inom utsatt tid.

Snarare än att kräva högprecisionsklocka i varje nod, låter gPTP slutpunktsenheter bestämma en gemensam lokal tid. Detta med en en precision på under en mikrosekund.

Protokollet hanterar utmaningar som styrenheter kan möta i en fordonsmiljö: skillnader i spänning, temperatur och andra förhållanden kan få klockorna att driva isär från varandra. Genom att upprätthålla enighet mellan noderna säkerställer gPTP att styrenheterna kan komma överens om en konsekvent tidslinje.

Med en gemensam tidslinje på plats kan styrenheterna stödja tidsmedveten trafikformning (traffic shaping) och paketschema­läggning. Trafikformning används för att förhindra att paket med krav på maximal latens störs av paket som kan nöja sig med best-effort.

Noder kommer överens om och upprätthåller tidsgränser för de paket där punkt-till-punkt-överföringslatensen är känd. Tids­känsliga paket läggs i dedikerade utgångsbuffrar och postas under den reserverade tidsluckan för att kunna ges starkare leveranstidsgarantier.

Protokollet IEEE 802.1Qbv upprätthåller strikta scheman för tidskänslig trafik. En schemaläggare i IEEE 802.1Qbv allokerar periodiska cykler anpassade till tidsperioder av fast längd, som var och en tilldelas en prioritetsnivå. En tillämpning på samma prioritetsnivå beviljas exklusiv access till nätverket under den tidsperiod som gäller.

Best-effort-trafikköer får access ­under perioder då inga högprioriterade paket behöver sändas. Det som IEEE 802.1Qbv i princip gör, är att den sänker variationen i tidsfördröjning för trafik som behöver leveransgarantier.

Ytterligare förbättringar av realtidshanteringen görs med hjälp av tilläggen IEEE 802.1Qbu och IEEE 802.3br. De tillåter noder att avbryta sändning av stora lågprioriterade paket och låta tidskritiska paket gå före, för att därefter gå tillbaka till den ursprungliga sändningen.

Protokollen adresserar varsitt skikt i Ethernet-stacken. IEEE 803.2br arbetar i det fysiska skiktet och 802.1Qbu i MAC-lagret (media-access control) där det hanterar preemption av Ethernetramar enligt olika nätverks- och trafikprioritetspolicyer.

Systemkonstruktörer behöver inte stämpla all trafik som antingen best-effort eller strikt schemalagd. Med IEEE 802.1Qav introducerades kreditbaserad trafikformning som används för att skicka paket som behöver bättre hantering av tidskänsliga data, men ändå inte kräver hårda tidsgarantier.

Noder kan använda detta kreditbaserade system exempelvis för att leverera video där punkt-till-punkt-latensen inte är kritisk och därför kan leva med lägre prioritet än verksamhetskritiska sensordata – som behöver använda prioritetsbaserade tidsluckor enligt IEEE 802.1Qbv.

Problemet som fordonstillverkare möter när de designar nätverk för zonarkitekturer är att SoC:n kanske stödjer standard-Ethernet samtidigt som den saknar stöd för de ­extra möjligheter som TSN erbjuder.

Dessutom: även om det är viktigt att zonala nätportar stödjer TSN, finns många andra slutpunkter med strikta realtidskrav som inte kan stödjas genom anslutning till en nätport via ett icke-TSN-gränssnitt. Till exempel kan ljudenheter som mikrofonstyrenheter och sensorhubbar ha konventionellt Ethernet-stöd men kommer att behöva kunna förhandla om kreditbaserade eller tidskritiska tidsluckor i nätverket.

TSN-funktioner kan tillhandahållas via dedikerade realtids-Ethernet-gränssnitt som Toshiba TC9562 och TC9563. Båda är högintegrerade Ethernet-styrkretsar med fullt stöd för gPTP, IEEE 802.1Qav, IEEE 802.1Qbv och andra element som behövs för tillförlitlig realtidskommunikation där hög bandbredd är ett nyckelkrav.

TC9562 stöder 1 Gbit Ethernet, vilket passar för ändpunkter som behöver hög bandbredd. TC9563 utökar nätverkskapaciteten till två portar som båda stödjer 10 Gbps.

Förutom de dubbla Ethernet-gränssnitten har TC9563 en Arm Cortex M3-processor som kan köra övervaknings- och styrprogramvara som upptäcker fel och håller reda på nätverkets tillstånd, för att förbättra övergripande tillförlitlighet.

För att stödja lokalt anslutna kluster av avancerade sensorer och beräkningsmoduler, har TC9562 ett PCIe Gen 2.0-gränssnitt och TC9563 har en PCIe-switch med stöd för 1 uppströms och 2 nedströms Gen 3.0-portar.

Tjänster som kräver beräkningskraften hos en högpresterande SoC för att leverera AI-förbättrad styrning och multimedia av toppkvalitet, är endast möjliga om applikationer kan lita på att paket levereras inom programmerade tidsfönster.

TSN-förbättringarna av Ethernet utgör grunden för detta beteende. Deras implementering i komponenter som Toshiba TC9562 och TC9563 säkerställer att OEM:er och systemintegratörer har tillgång till det TSN-stöd som behövs för att implementera dessa avancerade fordonskonstruktioner.