端到端車載以太網物理層拓撲架構

車載以太網技術的應用在OSI模型中主要涉及物理層與數據鏈路層兩部分。其中物理層定義了數據傳送與接收所需信號、狀態等信息，同時在應用過程中向數據鏈路層相關設備提供標準接口。而數據鏈路層通過MAC（Media Access Control）芯片向系統提供尋址機構、數據幀構建、為網絡層提供標準的數據接口等功能。在端到端的數據傳輸過程中，應用車載以太網技術涉及到的物理層硬件通常包括：控制單元中的以太網物理層芯片（Physical Layer Chip，PHY）、線束總成以及傳感器等，其拓撲架構如下示意：

圖1?端到端車載以太網物理層拓撲架構示意

數據在此物理層架構中的傳輸過程是，PHY芯片通過線纜接收到對端傳輸過來的模擬信號，并經過解調和A/D轉換后發送至數據鏈路層。其中，PHY芯片作為以太網技術應用中的基礎芯片之一，它是一個復雜的數/模轉換系統，經它傳入線束端的數據為模擬信號，而從其傳入MAC端的數據則是轉換后的數字信號。但為了確保數據傳輸過程的安全有效，其在設計中通常包含有高性能的SerDes、ADC/DAC等設計，同時也包含有如濾波算法和信號恢復等DSP設計，同時該芯片可通過模/數電路對模擬信號與數字信號進行處理，以實現降噪、抗干擾、均衡、時鐘恢復等功能。

圖2 PHY芯片功能

而作為數據傳輸重要載體的線束，目前在以太網技術的應用中，主要是采用基于Broad R-Reach 技術的100BASE-T1非屏蔽雙絞線（UTP），此線束可實現100Mbit/s及更高的寬帶性能。相比于傳統的總線，單UTP在整車上的應用不僅為系統帶來了更高的傳輸速率，同時可減輕約30%的線纜總重量，并降低了約80%的連接成本。

在數據傳輸的過程中PHY芯片與MAC芯片根據應用領域的不同存在多種架構形式，其一是以傳統消費類領域為主要應用的以太網技術，在此領域的應用中對CPU的性能通常并無過高要求，在采用較低性能的CPU時，將MAC與PHY芯片進行集成，可讓設備整體的成本做到更低，其架構示意如下：

圖3?消費類領域以太網架構

隨著車載以太網技術的興起，基于MAC的全數字電路與PHY的數?；旌想娐返牟町悾瑫r車載CPU的性能要求更高，可通過更高的制造工藝將MAC與CPU進行集成，在減少占用面積的同時總成本相對也好控制。因此在此領域的應用中通常將MAC芯片集成于MCU或CPU內，而PHY芯片則多采用獨立存在的形式，此方式也是當前技術狀態下車載領域應用中的主流方式，其架構示意如下：

圖4?車載領域主流以太網架構

在芯片技術進一步得以發展的前提下，具有更高性能的芯片被推出，此階段下原本獨立的PHY芯片亦被集成于CPU中，但由于此方案受到成本及制造技術限制，在整車應用中并未形成規模，該方案架構示意如下：

圖5?高集成以太網架構

綜合上述所介紹的多方案中，我們以主流車載以太網芯片方案為例，其端到端的應用拓撲架構如下示意：

圖6?端到端以太網技術拓撲架構

此過程中，當控制單元端收到由外部設備所發送的數據時，PHY芯片會將模擬信號轉換為數字信號，再并經過解碼得到有效數據，接著再經由相關接口傳輸到MAC。當控制單元向外發送數據時，MAC將通過MII/RGMII/SGMII等接口向PHY芯片傳送數據，在PHY芯片收到數據后，會把并行數據轉化為串行流數據，并按照物理層的編碼規則進行數據編碼，進而將數據再轉換為模擬信號后將其傳輸出去。

在端到端的以太網應用中，由于節點少且數據較為固定，因此通過標準的車載以太網技術可滿足應用需求。但伴隨著EEA的發展，整車高性能ECU/傳感器等節點常處于變動狀態，基于此背景，端到端的以太網架構已無法滿足整車應用需求，而代之以星型網絡拓撲架構的車載以太網是整車常見的方案。

在此架構下，由于節點數量的增加與應用，數據量也隨之激增，在此數據多流并發的情況下，系統需協調計算資源、數據資源以及其他相關資源來確保所有的時間關鍵任務都不會錯過它們各自的截止時間。在面對此復雜調度問題上，采用傳統的車載以太網技術會存在網絡性能無法滿足其確定性和實時性的要求。

以某應用為例，當多節點存在大量突發數據時，數據將在交換機中列隊等待，此時網絡將會出現擁堵，導致延時，進而影響數據傳輸的質量，而數據傳輸的不完整將會造成車輛運行中存在未知的安全風險。

圖7?大量數據并發影響數據質量

為解決此跨ECU、跨域情況下的服務協調問題，進而保證不同域之間的通信確定性，當前在基于星型網絡架構的車載以太網中，常通過時間敏感網絡（TSN）等確定性調度技術的應用去實現精準的數據流量調度。該技術是在非確定性的以太網中實現確定性的最小時間延時的協議族，它不僅符合標準的車載以太網架構，同時還可保證多業務流量的共網高質量傳輸。在物理硬件上，通過TSN交換機的使用，可在保持現有以太網交換芯片多數邏輯的情況下，增加時間同步和輸出接口整型邏輯去實現TSN交換功能。