汽车网关如何成为车载网络集成的先锋

中心议题：
    *  如何设计汽车网关
    *  采用可编程逻辑器件解决车载网关面临的带宽挑战
    *  网关需要解决的问题

为了将不同的数据总线集成在一起，网关必须提供带宽和反应时间。

对电子系统设计工程师而言，汽车工业正在进入一个令人鼓舞而充满挑战的时期，诸如信息娱乐、遥感测试、安全和控制等应用需要若干种联网标准。为了给大多数应用选择用户需要且功能强劲的合适总线，设计工程师面临繁重的任务。

汽车电子市场与数据通信、电信和消费电子并没有什么不同，可选择的联网协议很多，各有优缺点。一种协议不可能满足所有汽车应用的需求。

汽车网络通常可以分为三类：

车身控制：要求具有高带宽、高可靠性和数据完整性;

信息娱乐：要求高带宽及对音视频的实时处理能力;

安全：传统的液压和传感器正在被线控驾驶和刹车方法所取代。

为了储存来自这些网络的数据并进行处理，需要采用网关实现网络的互连并处理来自车载嵌入式网络的数据。典型的网关由若干汽车网络接口(CAN、MOST和Flexray)及嵌入式微控制器和外围功能组成。

CAN(控制区域网)由于成本低、传输可靠性高而特别适用于车身控制。典型的汽车包含若干CAN网络功能，例如引擎管理、仪表控制和车身控制。其最大数据率为1Mbps，所以其带宽不支持视音频数据的传输。然而，CAN非常便宜、容错能力强，因而是重要的网络协议。根据ABI Research的“车载网络研究报告”(2004年第四季度)预测，到2010年大约将安装5.28亿个汽车CAN节点。

MOST(多媒体传输协议)满足了视频和音频功能的需求，它在塑料光纤上以24Mbps的速率支持同步和异步数据传输。DVD播放机、顶置播放器、GPS器件和显示器等装置都需要采用MOST收发器。MOST联盟已经定义了MOST互连标准及软件应用接口标准。MOST是一种富有弹性且高度可靠的网络标准。

目前，刹车和方向盘都采用液压机械方法来控制，将来的汽车要取代液压机械，采用基于FlexRay的控制器来实现线控，包括线控刹车和线控方向盘。这种基于导线的网络速度快、容错能力强。FlexRay以大约10Mbps的速率支持同步和异步数据传输，它确保数据稳定传输、容错和对消息的反应时间，并以双通道模式提供冗余措施。

以太网

除了上述车载网络标准之外，典型的网关包括若干其它接口。以太网就是一种适用于诊断和作为服务接口的、应用广泛的网络标准。其硬件成本低、应用软件随处可得。因为该接口被用于诊断，因而不具备容错和抗噪声能力。要处理来自CAN、MOST和Flexray网络的数据，需要嵌入式处理器。该处理器对数据进行分拆、聚合并完成类型转换。以太网接口要一个嵌入式处理器来运行TCPIP栈。片外存储器可以存储程序代码。为了储存来自嵌入式网络的临时数据，可能需要增加额外的存储器。

设计因素

系统设计工程师设计汽车网关的时候，可能需要作出许多决策，其中包括：

哪些网络需要桥接?

采用什么桥拓扑?

需要DMA(直接存储器访问)吗?

数据缓冲区要多大?
 

内部数据交换需要采用什么总线?

该总线宽度应该是多少?

需要采用什么仲裁机制?

需要多少处理能力?

上述问题取决于你所设计的系统和应用。然而，也有一些必须处理的共性问题。显然，CAN、MOST和Flexray是不同的协议，它们的有效载荷、数据率和对实时处理的需求都不一样，网关必须能够有效地处理所有来自这些接口的进出数据。

采用可编程逻辑器件解决车载网关面临的带宽挑战

必须选择通用系统总线来传输网关内的数据，该总线通常就是以不同频率工作在汽车网络中的一种同步总线。该系统一般都与嵌入式处理器的时钟频率和带宽匹配，从而使数据在处理器和网络接口之间有效地传输。系统总线线必须满足所有接口对带宽的需求，合计每个网络协议的累计最大带宽就是一个基本的近似值。

例如一个网络有四个CAN节点(4 Mb/s)、一个MOST (24 Mb/s)、一个FlexRay (10 Mb/s)和一个以太网(100 Mb/s)，因而总带宽为138 Mb/s。它可以由运行在10MHz的16位总线构成。然而，总带宽并不能满足全部要求。每一个系统总线周期都有其用途。寻址和编码周期消耗了可用的带宽。目标器件诸如存储器控制器或网络接口在采集必要数据时有时会插入等待状态。两种情况都需要额外增加带宽--或者提高速度或者增加系统总线的宽度。

另外一个重要的考虑是有效载荷和延迟时间。CAN节点以8位数据包传输信息。以太网最多可以传输1,500字节的数据包。每一次传输都有开销。寻址和编码周期消耗了最大可用带宽。极端情况下，大系统传输容量取决于总线的最大有效带宽。然而，把CAN网络与其8字节有效载荷接口是不合适的。数据缓冲需要把足够的CAN数据包填充到系统数据包之中。第二个需要考虑的问题是，对于1 Mb/s的输入CAN速率的系统数据包，缓冲足够的数据可能会招致CAN数据出现很大的延迟。另一种极端情况要配置系统的传输容量，以便传输1到4个字节的极低有效载荷。在此，过高的带宽对于寻址和编码来说会浪费开销周期。

MOST和Flexray都是面向重要的实时应用。例如，来自MOST网络上CD播放机的音频流就是以固定速率传输的。音频和视频要求实时传输。系统总线必须确保来自诸如CD播放机之类的网络数据不出现明显的延迟。没有人愿意看到音频播放机上出现间隔或回声。造成延迟的原因是缓冲数据太多--数据缓冲量太大且大小不当的系统传输影响了延迟和实时性能。选择系统总线速度和数据包的大小将确定网关中每一个接口所需要的缓冲量。必须确定缓冲量的大小以维持带宽并满足挂在车载网络上的设备对实时要求传输性能的要求。

在理想的架构中，嵌入式处理器大部分仅仅用于处理。然而，处理器周期却被诸如中断响应和数据搬移之类的功能所消耗。为了让处理器以最高效率运行，数据搬移操作可由专用硬件元件来担当。DMA控制器就是用于在网关接口(例如MOST接口)和存储器或其它接口之间传输数据的嵌入式硬件模块。对处理器进行配置之后，DMA控制器在后台传输数据，而嵌入式处理器则处理应用数据。

网关设计工程师在此有几种设计选择，最重要就是是否需要DMA控制器。这取决于嵌入式处理器架构。对于执行数据传输应用来说，或许处理器有足够的空闲周期。与此类似，为了最小化数据传输所需要的周期，要计算处理器的每一个周期，还要考虑传输容量和DMA传输的类型。

如你所见，车载网关的架构需要考虑若干性能因素。至少网关需要满足所挂的接口对带宽和延迟时间的要求，解决方案必须具有用户可定制性、成本低廉并具有鲁棒性以维持竞争力。

网关需要解决的问题

针对应用的标准零件(ASSP)可以满足上述需求，但是，主要问题在于它们的功能和特性都是不可改变的。系统设计工程师如果采用ASSP就几乎没有机会将其产品与竞争对手的产品区别开。在设计周期中如果考虑增加功能或根据标准的变化作出调整的话，设计变动就会很大。用户定制ASIC设计通常需要18-24个月且一次性流片成本高达几百万美元。

另一方面，在日益演变的车载网络中采用可编程器件诸如门阵列(FPGA)就具有明显的优势。FPGA使系统设计工程师可以根据其应用设计独特的功能集，且可以调整设计以支持变化的标准和功能集的需求。设计工程师可以根据应用需要嵌入尽可能多的处理器和DMA控制器。系统总线带宽和缓冲量也可以根据应用调整到理想值。这种用户定制容许设计工程师选择理想的成本和性能点。

此外，可编程逻辑解决方案可以在现场被重新配置并为用户提供了对新应用进行更新换代的渠道。基于可编程器件的产品上市时间快。一些FPGA制造商及伙伴公司为汽车应用提供知识产权(IP)核。通过修改RTL参数，用户可以针对特定的应用定制这些IP核。这就可以根据问题空间来优化成本。系统设计工程师也可以采用定制逻辑增大可用的IP核，从而将其产品与竞争对手的产品区分开。

不断演变的标准和数据量大的应用诸如导航和视频显示需要采用越来越多的IP内容来缩短设计周期，基于可编程逻辑器件的车载网关和经过验证的IP核具有成本效益，其解决方案的灵活性很高。