聯(lián)網(wǎng)汽車中的PCIe應(yīng)用

電子產(chǎn)品正在征服我們的生活——我們的家庭、辦公室和汽車越來越依賴電子元件來提供我們所期待的服務(wù)和體驗(yàn)。自 1947 年推出半導(dǎo)體以來，采用速度呈指數(shù)級增長，我們真正生活在一個計(jì)算機(jī)化的世界中。

電子革命在汽車行業(yè)尤為引人注目。1930 年代，汽車中的第一個電子元件與無線電系統(tǒng)有關(guān)，最終結(jié)合了更多元素來優(yōu)化汽車，例如交流發(fā)電機(jī)、制動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)管理等。

2018 年，車輛現(xiàn)在是名副其實(shí)的帶輪數(shù)據(jù)中心。為了應(yīng)對當(dāng)今汽車中越來越多的設(shè)備、功能和服務(wù)，最先進(jìn)的車型通常配備 100 多個電子控制單元 （ECU）。這個數(shù)字將繼續(xù)增長，以實(shí)現(xiàn)完全連接的自動駕駛汽車。

這些 ECU 連接許多攝像頭、傳感器、雷達(dá)、激光雷達(dá)和顯示器，以滿足汽車的信息娛樂和 ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）需求。隨著我們向全自動駕駛汽車邁進(jìn)，車載電子和連接基礎(chǔ)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)變得極其復(fù)雜和昂貴。

車載連接的挑戰(zhàn)

今天的聯(lián)網(wǎng)汽車需要的不僅僅是高容量的 ECU。他們需要固態(tài)驅(qū)動器 （SSD）、微控制器 （MCU） 以及連接眾多設(shè)備和相關(guān)處理單元所需的線束。最終的問題是如何提供所有預(yù)期的功能，同時(shí)最大限度地利用各種處理器，同時(shí)減少電纜的體積和重量。

答案在于不同組件之間要使用的傳輸協(xié)議。盡管“聯(lián)網(wǎng)汽車”是一個相對較新的概念，但我們車內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)卻不是。事實(shí)上，幾十年來，我們的汽車已經(jīng)配備了能夠在車內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的連接技術(shù)。但是，其中大多數(shù)都集中在需要低帶寬的應(yīng)用程序上。MOST 和 CAN 總線等技術(shù)仍然在當(dāng)今的汽車中發(fā)揮作用，因?yàn)椴⒎敲總€系統(tǒng)都需要高速連接。

隨著車輛信息娛樂系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，并且隨著我們越來越接近自動駕駛汽車，我們越來越依賴 ADAS，這些技術(shù)無法提供這些更新、更先進(jìn)的應(yīng)用程序所需的高帶寬和可靠性。引入了其他技術(shù)，例如 SerDes（串行器-解串器）和汽車以太網(wǎng)，以滿足高帶寬傳輸?shù)奶囟ㄐ枨蟆?/p>

汽車以太網(wǎng)大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，近期有望達(dá)到 1 Gbit/s。SerDes 可以提供更高的帶寬，但依賴于更昂貴和笨重的電纜，并且其數(shù)據(jù)傳輸高度不對稱。但即使是這些更高的速率也不足以解決連接完全連接和自動駕駛汽車中的許多攝像頭、傳感器和顯示器所需的帶寬。

HDBaseT Automotive 是一種技術(shù)，可通過一根非屏蔽雙絞線 （UTP） 電纜實(shí)現(xiàn)不同本地接口的雙向多千兆傳輸和融合，從而減少電纜的體積和重量。即使在嘈雜的汽車環(huán)境中，HDBaseT Automotive 也能以接近零的延遲和 EMC 穩(wěn)健性傳輸時(shí)間敏感數(shù)據(jù)，例如音頻和超過 15 m。

PCIe 的區(qū)別

HDBaseT Automotive 帶來了另一個主要區(qū)別：在同一鏈路上擴(kuò)展 PCIe 接口。PCIe 或 Peripheral Component Interconnect Express 是一種計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡標(biāo)準(zhǔn)，用于在主板級別連接不同設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)交換。盡管今天在汽車中使用，但 PCIe 受到技術(shù)限制，它支持的最大距離僅為幾厘米。

這意味著設(shè)備和不同的 ECU 必須在物理上彼此相鄰放置，從而在已經(jīng)負(fù)擔(dān)過重的環(huán)境中限制了架構(gòu)的靈活性。它還導(dǎo)致 ECU 和 SSD 的激增，以克服傳輸信息娛樂和 ADAS 數(shù)據(jù)時(shí)的距離限制。

HDBaseT Automotive 解決了這個問題。通過將原生 PCIe 接口擴(kuò)展到電路板邊界之外的 15m，HDBaseT 為汽車制造商在 ECU 的放置位置、如何將 CPU 連接到 CPU 以及提供冗余方面提供了更大的靈活性。它還可以高效地將電信單元 （TCU） 連接到主機(jī)和網(wǎng)關(guān)，并且無需額外的存儲設(shè)備。例如，通過擴(kuò)展 PCIe，一個中央 SSD 可以連接到分布在車輛周圍的多個 ECU。

Valens 的 HDBaseT 汽車 PCIe 橋允許 ECU 之間的快速通信，節(jié)省電力和空間，具有增強(qiáng)的穩(wěn)健性、冗余和安全性。PCIe 還支持新架構(gòu)，例如環(huán)形拓?fù)?，具有用?ECU 到 ECU 連接的內(nèi)置冗余，或用于資源優(yōu)化的傳感器集群。

PCIe 只是另一種可以通過 HDBaseT 鏈路進(jìn)行隧道傳輸?shù)脑涌?。HDBaseT 還支持視頻（DSI、DP/eDP、oLDI、CSI2）、音頻（I 2 S、TDM）、數(shù)據(jù)（以太網(wǎng)、PCIe、USB）、控制（I 2 C、I3C、UART）的不同接口的傳輸， 和電源 （PoDL） 通過同一根電纜。通過在同一鏈路上匯聚多個接口，HDBaseT Automotive 可以消除額外的電纜并優(yōu)化車載連接基礎(chǔ)設(shè)施。歸根結(jié)底，HDBaseT 是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，旨在支持聯(lián)網(wǎng)汽車的高速骨干網(wǎng)。

通過擴(kuò)展 PCIe，HDBaseT Automotive 能夠：

分布式計(jì)算能力，在 ECU 布局上具有更大的靈活性

節(jié)省設(shè)備。一個中央 SSD 可以連接到車內(nèi)分布的所有 ECU，一個調(diào)制解調(diào)器可以代替一個 TCU，因?yàn)樗梢赃B接到一個集中的高計(jì)算平臺 （HCP） 以進(jìn)行資源優(yōu)化

ECU之間的快速通信，節(jié)省電力和空間

增強(qiáng)的穩(wěn)健性、冗余和安全性

汽車用例

擴(kuò)展 PCIe 信號的能力可用于車輛中的不同場景。例如：

共享存儲。無需在每個 HCP 旁邊放置 SSD，因?yàn)橹醒?SSD 可以提供所有汽車計(jì)算需求所需的所有內(nèi)容。

遠(yuǎn)程 TCU 連接。智能天線必須連接到 TCU，以處理從云端接收的數(shù)據(jù)。如今，TCU 必須放置在智能天線附近或旁邊。通過 PCIe 擴(kuò)展，TCU 的放置位置更加靈活。

分布式架構(gòu)的連接性。隨著汽車變得越來越復(fù)雜，連接不同 ECU 的能力帶來了一些優(yōu)勢，包括冗余和可靠性。

ADAS 傳感器集群環(huán)。聯(lián)網(wǎng)汽車中所需的傳感器數(shù)量不斷增加，可以連接到中央 ECU，從而減少不必要的設(shè)備，并優(yōu)化汽車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

帶有 PCIe 開關(guān)的傳感器/數(shù)據(jù)環(huán)。HDBaseT Automotive 連接不同的 ECU 和傳感器集線器，通過環(huán)形拓?fù)鋷砉逃械娜哂嗪拓?fù)載平衡。

PCIe 虛擬化

PCIe 虛擬化支持在多個設(shè)備之間共享資源，優(yōu)化汽車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并支持其他用例。通過擴(kuò)展 PCIe，HDBaseT Automotive 支持多個虛擬機(jī)和物理機(jī)之間的設(shè)備共享，同時(shí)提供故障轉(zhuǎn)移機(jī)制以提高可靠性。此外，在具有不同主機(jī)、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜汽車生態(tài)系統(tǒng)中，PCIe 允許端到端虛擬化。

虛擬化是在現(xiàn)有平臺上持續(xù)部署服務(wù)的關(guān)鍵。需要以更高的頻率更新軟件以啟用最新的應(yīng)用程序。在汽車發(fā)貨之前開發(fā)所有軟件已不再可行，因此要求汽車中的電子設(shè)備具有面向未來的能力，以支持即將推出的軟件系統(tǒng)，從應(yīng)用程序到操作系統(tǒng)。使用 PCIe 虛擬化，該過程更簡單、更直接。

審核編輯：郭婷