分析特斯拉AP3.0(FSD版)域控制器(下)车载以太交换器

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上图为英伟达PX2架构,与特斯拉高度近似,FSD可以看成看做Parker与GPU合二为一,省去了非常昂贵的PCIe交换机。以太网的PHY即物理层是模拟混合芯片,通常都与运算芯片分开,像FSD这种大规模数字运算芯片不大可能集成,应该和AP2.5一样还是88EA1512。

MCU估计还是沿用英飞凌的TC297t。这是目前接口最丰富,也达到ASIL-D级MCU的唯一选择。88EA6321还是处于核心位置,连接两个FSD,同时可能还有GPS和以太网诊断,PX2则有两路激光雷达输入,特斯拉没有激光雷达,毫米波雷达用博世的,只有CAN输出,如果是以太原始数据输出,那么需要FFT快速傅里叶变换,这通常是DSP处理的,板子上没有看到此类器件,且博世毫米波雷达也不提供以太网输出。也就是说特斯拉没有用传感器融合,完全靠视觉系统。

以太网交换器主要工作内容L2层数据转发,目的MAC地址为广播地址(0xffffffff)的包,在vlan内广播出去;目的MAC地址为组播地址的包,进行组播流程的处理;对于单播包,查找L2 TABLE,如果没有找到,就在vlan内进行洪泛;如果找到,检查表项中的L3bit是否设置,如果设置了L3 bit,就进行L3流程的转发;否则就转发到L2 TABLE表项中的端口。Marvell的新产品增加了L3静态路由的支持,可以手动配置网络。


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上图为88E6321的内部框架图,这是一个针对汽车EAVB的7口以太交换机,有两个
IEEE10/100/1000BASE-T/TX/T接口(对应传统的RJ45即我们常说的水晶头),两个RGMII/xMII接口或一个GMII接口,2个SGMII / Serdes接口,1个RGMII/xMII接口,MII即MediumIndependent Interface,RMII为ReducedMII,SMII为Serial MII,GMII是Giga MII。MII(Media Independent Interface)即媒体独立接口,MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。10/100/1000BASE-T/TX/T指传输线缆。Port2、5、6可以配置为MAC模式或者PHY模式,均支持RGMII/RMII/MII,2、6Port还支持GMII。Port3、4支持10、100、1000M自适应以太网接口。Port0、1支持100M、1000M光口(SFP)。

88E6321自2014年底推出,博世也用其做过网关演示。国内也有不少有使用。

EAVB(Ethernet+Audio+VideoBridging)不是严格意义上的汽车以太网标准,它是IEEE的802.1任务组于2005开始制定的用于车载实时音视频的传输协议集。但是EAVB一直没推广开,原因在于汽车领域内传输音视频流最典型的应用是后座娱乐系统,这种系统不太考虑延迟,那就是哄小孩的。而其他应用大多是纯视频,EAVB需要硬件压缩然后再解压,这就大幅度增加成本。纯视频可以采用低成本传输方式,比如GMSL、MIPI或FPDLINK。在2012年11月,将EAVB小组改名为TSN,就是时间敏感网络。这才是严格意义上的汽车以太网标准。TSN不是一个标准,而是一系列标准,也可看做多个工具的工具盒。


AVB 核心标准包括:


- IEEE802.1AS:精准时钟定时和同步(gPTP);

- IEEE802.1Qat:流预留协议(SRP);

- IEEE802.1Qav:时间敏感流的转发和排队(FQTSS);

- IEEE802.1BA:音频视频桥接系统,定义 AVB 配置文件。


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TSN核心工具


TSN相对EAVB来说最强的地方在于对L4的支持,即802.1CB协议。这也是L4级无人驾驶必须用TSN的主要原因,也只有TSN能让整个系统达到功能安全的最高等级ASIL D级。同样,与自适应AUTOSAR的捆绑程度也比较高。此外, 与传统的IP/VLAN路由相比,TSN有几大优势:没有CPU运算能力和带宽瓶颈限制,和其他ECU没有交叉依赖,有更快的并行启动,交换和MCU有独立的Reboot,高度的灵活性。特斯拉的两片FSD是加强算力,而非是一片做冗余系统。


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众所周知,L4级无人驾驶需要一个冗余处理器,但是主处理系统和冗余处理系统之间的通讯机制如何建立?这就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是两套系统间的冗余,芯片之间的冗余还是多采用PCIE交换机的多主机fail-operational机制,两者有相似之处。


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对于非常重要的数据,802.1CB会多发送一个数据备份,这个备份会沿着最远离主数据路径交集的路径传输。如果两个数据都接收到,在接收端把冗余帧消除,如果只接受到一帧数据,那么就进入后备模式。在ISO/IEC 62439-3中已经定义了PRP和HSR两种冗余,这种属于全局冗余,成本较高,802.1CB只针对关键帧做冗余,降低了成本。802.1CB标准的制定主要依靠思科和博通。


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802.1CB也可以缩写为FRER。


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FRER不仅能提供双失效冗余,也可以提供多失效冗余。


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802.1CB也有简单的失效原因分析机制:


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上图为88Q5050内部框架图,只是增加了3路,并且还有两路是Mbps级,升级不多。

目前已经量产的最顶级车载以太网交换芯片是博通的BCM53162,可以对应4路2.5GbE,售价高达650美元(Mouser报价,100片起,万片起的话,价格估计降到250-300美元)左右。NXP则有两款价格很低的车载以太网交换芯片,台湾的瑞昱也有一款车载以太网交换芯片,性价比很高。


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上图为BCM53162应用图


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上图为BCM53162内部框架图


博通对BCM53162似乎没有下力气推广,2019年3月就推出了BCM8956X和BCM8988X,但具体参数未对外披露。


88Q5050总带宽偏低,在2019年9月,Marvell又推出了88Q5072和88Q6113,自然也满足TSN标准。目前Marvell的旗舰是88Q6113。


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88Q6113放弃低带宽的100/1000Base-T接口,大量增加SGMII。


NXP的车载以太网交换芯片以高性价比著称,目前NXP有两款车载以太网交换芯片,一片是2016年中期推出的SJA1105TEL,另一片是刚刚在2020年1月推出的SJA1110。SJA1105是针对EAVB网络,SJA1105TEL则增加了对TSN的支持,为了降低成本,SJA1105内部没有Phy,需要外置Phy,NXP推荐TJA1101/TJA1102/TJA1110。端口也比较少,只有5口。


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上图为SJA1105的四种典型应用方式


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上图为NXP的自动驾驶开发原型蓝盒子Bluebox的内部框架,使用多达3个SJA1105交换。LS2是NXP的Layerscape系列高性能处理器,LS2084和LS2088都拥有8个A72核,LX2160A则针对车载市场,拥有16个A72核,超越特斯拉的FSD。图中的TJA1145是CAN-FD PHY,主要对应高分辨率毫米波雷达。AQR107是Aquntia公司(已经被Marvell收购)的10Gbps的以太Phy,主要对应V2X。


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上图为SJA1110内部框架图,特别强调了功能安全,能让整个ECU达到ASIL-D级。也增加了一个100Base-T1的Phy,T1是IEEE针对100Mb/s汽车以太网的规范,也可以将其称为IEEE802.3bw,基本可等同于Broad-R-Reach Phy。还有一个100Base-TX,可等同于RJ45接口。也支持多G的SGMII。


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SJA1110的主要应用,特别提出量产级Autosar驱动,兼容TTTech的MotionWise中间件。温度等级达到了AEC Q-1级而不是通常的2级。特斯拉的FSD很可能是3级。

台湾瑞昱则有一款RTL9047AA-VC车载以太网交换,主要针对24V的重载车或带有拖车的360全景加ADAS系统的网关而设计的。


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瑞昱特别考虑降低系统的整体成本,内部是有5个100Base PHY,支援4组内转LDO for MAC port E0、E1、AVDD12和DVDD12,节省LDOcost及PCB空间。使用API code可不须外挂FLASH。


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RTL9047AA的典型应用


特斯拉的交换器端口有两三个都没用,将来加上V2X或热成像传感器也很容易。特斯拉的设计中规中矩,并无多少创新之处,只不过传统车厂比较谨慎(传统车厂恐难以接收EAVB做自动驾驶的核心交换),步子小了点,才显得特斯拉比较先进。



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