1. 更高、更快、更遠(yuǎn)、更慢

在我們的日常生活、運(yùn)動(dòng)、技術(shù)發(fā)展中，一切都是為了讓事情變得更好、更快或更進(jìn)一步。很難記住發(fā)明比以前慢的東西被稱為創(chuàng)新，但這正是汽車以太網(wǎng)所發(fā)生的事情。

圖 1：以太網(wǎng)和 CAN 規(guī)范路線圖

第一個(gè) 100MBit/s 和 1000MBit/s 版本已成功開發(fā)并推向市場(chǎng)，其物理層允許自動(dòng)協(xié)商以簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成。在過去十年末，開發(fā)了僅支持 10MBit/s 的汽車以太網(wǎng)版本，其物理層與 100MBit/s 和 1GBit/s 版本不兼容；業(yè)績(jī)明顯下降。

OEM 要求退回到較舊的拓?fù)錁邮胶洼^低的速度，以縮小較低速度等級(jí)應(yīng)用在每個(gè)以太網(wǎng)端口成本方面的性能差距。CAN FD 當(dāng)時(shí)支持 2MBit/s，并隨著時(shí)間的推移提高到 5MBit/s。CAN 周圍的社區(qū)也看到了對(duì)更高帶寬和更長(zhǎng)有效載荷的需求，并開始開發(fā)一種改進(jìn)的 CAN 標(biāo)準(zhǔn)，稱為 CAN XL。

在第一部分中，我們將簡(jiǎn)要概述 CAN XL 和 10MBit/s 以太網(wǎng)，它們之間有什么區(qū)別。在第二部分中，我們描述了潛在的用例以及對(duì)硬件和軟件的影響。

2. 10MBit汽車協(xié)議

甚至 CAN XL 和 10BASE-T1S 也是在不同的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)中開發(fā)的，在業(yè)界的廣泛支持下，過程幾乎相同。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)方案

CAN XL 技術(shù)工作的基礎(chǔ)是在 CAN in Automation （CiA） 中完成的。在穩(wěn)定文件后，它被移交給 ISO 以創(chuàng)建一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這一過程仍在進(jìn)行中，預(yù)計(jì)將于 2023 年完成，并獲得批準(zhǔn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。CiA 將作為技術(shù)委員會(huì)和用戶聯(lián)盟繼續(xù)推動(dòng) CAN 標(biāo)準(zhǔn)。

以太網(wǎng)規(guī)范由 IEEE 擁有和維護(hù)。所有標(biāo)準(zhǔn)化工作都是在一個(gè)工作組內(nèi)完成的，該工作組創(chuàng)建了 2019 年草案，以納入 IEEE 802.3 主要標(biāo)準(zhǔn)。由于 IEEE 是一個(gè)獨(dú)立于行業(yè)的組織，OPEN 聯(lián)盟負(fù)責(zé)擴(kuò)展汽車要求的規(guī)范。對(duì)于 OPEN Alliance 規(guī)范的長(zhǎng)期維護(hù)，還涉及 ISO。

2.1 CAN XL – 更高的速度、更多的有效載荷和附加功能

盡管 CAN XL 為 CAN FD 提供了完全的向后兼容性，但幀格式已得到廣泛更新。在這篇文章中，我將介紹主要差異并概述新領(lǐng)域的意圖。在以后的文章中，我們將介紹更多細(xì)節(jié)，包括更新的位時(shí)序更改、位填充和錯(cuò)誤信號(hào)通知規(guī)則。

CAN XL 遵循 CAN FD 的概念，具有低速仲裁階段（最高 1MBit/s）和高速數(shù)據(jù)階段。CAN XL 數(shù)據(jù)階段位時(shí)間被指定為高達(dá) 10MBit/s。CAN XL 的另一個(gè)關(guān)鍵特性是有效載荷長(zhǎng)度可達(dá) 2048 字節(jié)。此外，CAN XL 完全向后兼容 CAN FD。

圖 3：CAN XL 幀格式

圖 3 顯示了 CAN XL 幀格式，命名了不同的字段區(qū)域，并指出了標(biāo)稱位時(shí)間的使用位置以及高速位時(shí)間的開始位置。簡(jiǎn)要說明了關(guān)鍵更改之后 - 如您所見，幾乎所有內(nèi)容都已更新。

優(yōu)先級(jí) ID——這個(gè) 11 位長(zhǎng)的字段是以前稱為“基本標(biāo)識(shí)符”的字段。CAN XL 在第一個(gè)仲裁字段中僅支持 11 位。

IDE——僅僅因?yàn)椴恢С謽?biāo)識(shí)符擴(kuò)展，該位總是作為顯性位傳輸。

XLF ， resXL – 這兩位（XLF 為隱性，resXL 為顯性）編碼后一幀為 CAN XL 數(shù)據(jù)幀。

廣告– “仲裁到數(shù)據(jù)序列”是從標(biāo)稱數(shù)據(jù)位時(shí)間切換到 XL 數(shù)據(jù)位時(shí)間發(fā)生的點(diǎn)。與在單個(gè)位中完成更改的 CAN-FD 相比，CAN XL 中的轉(zhuǎn)換需要更長(zhǎng)的時(shí)間以增加此敏感過程的穩(wěn)健性，從而允許收發(fā)器更改為快速模式，其中 TX 節(jié)點(diǎn)可以在推/拉模式下運(yùn)行。

SDT—— “服務(wù)數(shù)據(jù)單元類型”是描述有效載荷類型的上層信息。該字段相當(dāng)于以太網(wǎng)協(xié)議中的 EtherType。SDT 由 CiA 611-1 定義。

SEC——該位指示幀是否在有效負(fù)載中包含簡(jiǎn)單或擴(kuò)展內(nèi)容，并且是從上層提供的。

DLC– 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼字段與之前版本的含義相同。使用這個(gè) 11 位長(zhǎng)的字段，指示從 1 字節(jié)到 2048 字節(jié)的數(shù)據(jù)字段。

SBC – 填充比特計(jì)數(shù)字段提供有關(guān)仲裁字段中動(dòng)態(tài)填充比特?cái)?shù)量的信息。在后面的文章中，我們將詳細(xì)介紹 stuff bit 規(guī)則。該值將由協(xié)議控制器計(jì)算。

PCRC – 前言 CRC 字段是根據(jù)迄今為止解釋的仲裁字段和控制字段中的大多數(shù)位計(jì)算得出的 CRC。目的是獲得對(duì)標(biāo)頭信息的額外保護(hù)。

VCID—— “虛擬 CAN 網(wǎng)絡(luò) ID”應(yīng)該支持 CAN 總線上的虛擬化，就像以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的 VLAN 概念一樣。

自動(dòng)對(duì)焦– 接受字段，也由上層提供，是用于幀分類的附加 32 位，可以看作是對(duì)降低的優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)符字段的補(bǔ)償。

數(shù)據(jù)字段——在該字段中，實(shí)際有效載荷由上層提供，其中字節(jié)編號(hào)從 0 到 DLC。

FCRC – 幀 CRC 是根據(jù)目前看到的所有動(dòng)態(tài)比特計(jì)算的

FCP – 格式檢查模式允許接收器確認(rèn)他仍然與發(fā)送器在比特流上同步，并宣布 CAN XL 數(shù)據(jù)階段結(jié)束。這是對(duì)該領(lǐng)域的一個(gè)非常簡(jiǎn)單的解釋。

DAS——在數(shù)據(jù)到仲裁序列中，比特率從 XL 數(shù)據(jù)比特時(shí)間切換到標(biāo)稱比特時(shí)間。

ACK/EOF – 幀以已知的確認(rèn)時(shí)隙和 EOF 序列結(jié)束，其格式?jīng)]有改變。

在媒體訪問方案上，與以前的 CAN 版本相比沒有變化，CAN XL 仍然遵循 CSMA/CR 原則。

2.2 10BASE-T1

在對(duì) CAN XL 說了很多話之后，讓我們看看 10MBit 汽車以太網(wǎng)，準(zhǔn)確地說，是 IEEE 802.3cg 中定義的 10 MBit/s 單對(duì)以太網(wǎng) （SPE）。10MBit SPE 的 MAC 層協(xié)議與其他以太網(wǎng)協(xié)議沒有區(qū)別，無需進(jìn)一步解釋。

圖 4：IEEE 802.3cg ［4］ 的范圍

相反，IEEE 定義了一個(gè)物理層，以滿足汽車行業(yè)在穩(wěn)健性、實(shí)施成本和布線方面的需求。結(jié)果是具有不同應(yīng)用目標(biāo)的兩個(gè)不同物理層。

10BASE-T1L – 這是 10MBit/s SPE 的“長(zhǎng)距離”變體，允許長(zhǎng)達(dá) 1000 米的電纜長(zhǎng)度。這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)變體超出了汽車應(yīng)用的范圍，但可用于卡車、火車和其他車輛技術(shù)。

10BASE-T1S – 這是“短距離”變體，電纜長(zhǎng)度可達(dá) 25 米，并允許使用 10 厘米短截線的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了避免共享總線拓?fù)渖系臎_突，該標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)可選的協(xié)調(diào)子層，稱為 PLCA（物理層沖突避免）。

PLCA ——PLCA 的目標(biāo)是在吞吐量、延遲和公平性方面改進(jìn)多點(diǎn)（總線）拓?fù)渖弦蕴W(wǎng) （CSMA/CD） 中現(xiàn)有的沖突檢測(cè)機(jī)制。重要的是要知道這種“仲裁”純粹發(fā)生在 PHY 級(jí)別，MAC 在以下描述的過程中不發(fā)揮任何作用。

圖 5：PLCA 循環(huán)示例 ［2］

在 PLCA 系統(tǒng)中，每個(gè) PHY 都分配有一個(gè)唯一的 PHY ID，范圍從 0 到 255。ID 為 0 的 PHY 是 PLCA 協(xié)調(diào)器。總線上的每個(gè) PHY 都知道 PHY 的數(shù)量。PLCA 使用循環(huán)方案，其中每一輪都由 PLCA 協(xié)調(diào)器發(fā)送一個(gè)信標(biāo)來觸發(fā)。PLCA 方案中的每個(gè)參與者，包括協(xié)調(diào)器，在 BEACON 之后按照 PHY ID 的順序都有一個(gè)傳輸機(jī)會(huì)。

傳輸機(jī)會(huì)只是一個(gè)機(jī)會(huì)。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有要傳輸?shù)臇|西，系統(tǒng)中的下一個(gè) PHY 會(huì)在超時(shí)時(shí)間之后獲得他的機(jī)會(huì)。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)傳輸掛起，它被允許在他的傳輸機(jī)會(huì)內(nèi)開始傳輸一個(gè)幀。如果系統(tǒng)配置允許，一個(gè)節(jié)點(diǎn)還可以傳輸多個(gè)幀，即所謂的突發(fā)。它們每條消息的有效負(fù)載長(zhǎng)度可以不同。

這種調(diào)度方案避免了總線沖突和重新傳輸，從而降低了可用帶寬并保證了系統(tǒng)內(nèi)傳輸機(jī)會(huì)的公平性。在此 PLCA 機(jī)制之上，可以在 MAC 層啟用其他整形功能，例如 Credit Base 整形或 Time Aware Shaping。

3. CAN XL 和 10BASE-T1S 之間的比較——獲勝者是……

贏家是用戶。兩種協(xié)議都提供允許應(yīng)用程序傳輸更長(zhǎng)有效載荷并在總線上實(shí)現(xiàn)接近 10Mbit/s 的傳輸速度的數(shù)據(jù)速率。甚至媒體訪問方案都不一樣，我們分兩種方式來比較。

3.1 數(shù)據(jù)報(bào)效率

兩種協(xié)議在數(shù)據(jù)報(bào)中都有報(bào)頭和報(bào)尾形式的開銷（例如尋址、協(xié)議字段、CRC）。在 CAN XL 中，效率進(jìn)一步受到仲裁階段和數(shù)據(jù)階段填充位和不同總線速度的影響。

圖 6：數(shù)據(jù)報(bào)效率比較

圖 6通過將開銷上的花費(fèi)與有效載荷位上花費(fèi)的時(shí)間相比較，繪制了數(shù)據(jù)報(bào)在有效載荷上的效率。

CAN XL 受到較慢的仲裁階段和更大的報(bào)頭和更多開銷位的影響。以 1MBit/s 而不是 500kBit/s 運(yùn)行仲裁階段可以顯著提高較短幀的數(shù)據(jù)報(bào)效率。有人可能會(huì)完美地爭(zhēng)辯說，在 CAN XL 中，協(xié)議類型和接受字段是用戶日期而不是開銷。這將使 CAN XL 更接近 10BASE-T1S 的曲線。

3.2 總線循環(huán)效率

如果我們觀察 PLCA 循環(huán)而不是單個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，情況正在發(fā)生變化。

圖 7：PLCA 循環(huán)示例

讓我們假設(shè)系統(tǒng)配置如圖 7 所示，并假設(shè)只有 PHY 9 有未決傳輸。在這種情況下，總線保持未使用狀態(tài)的時(shí)間是超時(shí)時(shí)間的 9 倍，在這種情況下我們假設(shè)為 24 位。此外，BEACON 所需的額外時(shí)間，效率變化如圖 8 所示。

圖 8：總線循環(huán)效率示例

在 CAN XL 中，等待任何傳輸機(jī)會(huì)不會(huì)降低總線效率，但仍需要考慮空閑時(shí)間和 EOF 序列。然而，在 512 字節(jié)有效載荷的典型操作條件下，兩種協(xié)議顯示出相同的效率。

四、結(jié)論與展望

這兩種協(xié)議都是為了處理新 E/E 架構(gòu)的要求而開發(fā)的，并在 10MBit/s 區(qū)域提供預(yù)期的性能。除了這里簡(jiǎn)要解釋的協(xié)議字段之外，在更高級(jí)別協(xié)議的可用性方面還有其他一些增強(qiáng)，例如，安全性或功率傳輸?shù)目紤]。

協(xié)議的效率取決于用例、系統(tǒng)配置和擴(kuò)展功能的使用。更喜歡哪種變體更像是一個(gè)哲學(xué)或戰(zhàn)略問題。從我們的角度來看，這兩種協(xié)議都有可能在不同應(yīng)用中的相同車載網(wǎng)絡(luò) （IVN） 中使用。

審核編輯：郭婷