Microchip Technology Inc.
Avtor: Richard Herbert, vodja trženja izdelkov za avtomobilsko omrežje
Razvoj osnovnih naprednih sistemov za pomoč vozniku (ADAS) je zdaj običajen, vendar je treba za omogočanje izboljšanih funkcij – tudi takih, o katerih se nam še ne sanja – na različnih stopnjah kompleksnosti vozila, vozilo opremiti z zmogljivimi integriranimi procesorji in jih povezati s standardnim komunikacijskim vmesnikom, da se lahko obdelani podatki delijo kot bogati podatkovni nizi za druge funkcije v vozilu.
Tako bi lahko posamezne funkcije vozila delovale usklajeno, na primer tako, da bi bili podatki o zaznavanju nevarnosti iz kamer in radarjev na voljo sprednjim žarometom, ki bi osvetlili značilnosti ceste, polmer ovinka ali pešca, ki stopa na cesto. PCIe® omogoča izmenjavo podatkov med številnimi SoC-i, da se razširijo na več funkcij vozila, medtem ko programski model, ki ga uporablja, omogoča nemoteno širjenje zmogljivosti med generacijami PCIe, generacijami SoC-jev in nazadnje generacijami avtomobilskih platform. Želja po zagotovitvi prihodnosti današnjih platform za več let spodbuja uporabo tehnologij PCIe.
Zgodovina PCIe
Zgodovina PCI sega več generacij nazaj do vzporednega računalniškega vmesniškega vodila, ki se je uporabljalo v številnih strežnikih, vgrajenih in domačih osebnih računalnikih kot periferni vmesnik. Opredeljen in standardiziran je bil znotraj skupine PCI SIG (Special Interest Group). PCIe je omogočal povezavo številnih naprav z enim SoC. Na začetku so bile to predvsem naprave Intel ali AMD x86, ki so se povezovale z omrežjem, hitrimi perifernimi napravami ali grafičnim krmilnikom. Razvil se je iz 32-bitnih v 64-bitna podatkovna vodila, ki so delovala pri frekvencah od 32 MHz do 64 MHz, sčasoma pa je postal serijski. PCIe je omogočal hitre podatkovne povezave prek diferencialne povezave, ene za prenos in ene za sprejem. Par diferencialnih povezav se običajno imenuje „ steza“. Steze so lahko združene v vrata, odvisno od priključene periferne naprave ali SoC, širina pa je lahko od ene steze na vrata do 16 ali 32 stez na vrata.
Prednosti Ethernet omrežja
V primeru osebnega računalnika je hierarhija povezljivosti preprosta, saj je na voljo en zmogljiv SoC, na katerega je priključenih več hitrih perifernih naprav. Enako je bilo tudi pri strežnikih, vendar je bila z razvojem strežnikov prednost dveh SoC-jev v neposredni bližini, ki sta si delila periferne naprave – dostop do pomnilnika, hitrega pomnilnika in včasih tudi podatkov. To je temelj PCIe stikal. PCIe stikalo bo omogočilo neodvisen, ločen dostop SoC (označen kot korenski kompleks) v sistemu z več SoC do skupnega nabora perifernih naprav, znanih kot končne točke. Vsak SoC misli, da ima neodvisen dostop do teh perifernih naprav zaradi funkcije, znane kot ne transparentna premostitev (NTB). SoC, ki v tej vrsti sistema uporablja PCIe stikalo, izkorišča zelo visoko hitrost in zelo majhno zakasnitev podatkovne povezljivosti, običajno na kratki razdalji.
Primerjajmo to z Ethernetom, ki temelji na standardu, ki ga je razvil IEEE, in je v celoti združljiv za nazaj.Ethernet je namenjen doseganju naprav, ki so med seboj oddaljene več metrov, prek hrbteničnih povezav, ki so danes 100 Mb/s ali 1000 Mb/s, v prihodnosti pa se bodo povečale na 10 Gb/s. Poleg tega je bil Ethernet razvit v okviru združenja Open Alliance, da bi se dodale posebne avtomobilske funkcije, kot so indikatorji kakovosti signala in način budnosti/spanca.
Komutacija, ki temelji na nadzoru dostopa do medijev (MAC) na drugem sloju, omogoča, da paket preide iz katere koli točke prek fizičnih vmesnikov z različnimi hitrostmi Etherneta na stikalnih napravah do katere koli druge točke v vozilu. Homogenost vseprisotnega Ethernet omrežja je njegova prednost in je široko podprta med industrijskimi uporabniki.
Ethernet, ki deluje pri razmeroma visokih hitrostih in na daljših razdaljah ter hkrati podpira izboljšave standarda, se razlikuje od PCIe, ki deluje na krajših razdaljah z zelo visokimi hitrostmi prenosa podatkov. Vendar pa ne smemo domnevati, da eden nadomešča drugega, temveč da imata oba zaradi vseh teh razlogov trdne temelje v vozilih.
PCIe omogoča povezljivost z več napravami
Čeprav sem opisal dve situaciji, v katerih lahko SoC-i komunicirajo med seboj, jih v resnici povezuje pojav sistema ADAS tretje stopnje in višje. Pri varnostno kritičnih sistemih, ki v svoje procese odločanja pogosto vključujejo podatke iz kamer v živo, ni bistveno le, da so na voljo surovi video podatki v živo, ki niso stisnjeni, temveč se je treba izogibati tudi dodatnim zakasnitvam, ki jih vključuje pakiranje v Ethernetni ali kateri koli drug tip okvirja. V večini primerov so podatki kamere neposredno povezani z ustreznimi video vmesniki na SoC. Za delitev te delovne obremenitve ali zajemanja v realnem času ter soobdelave video tokov je lahko na voljo več SoC-ev. Na voljo so tudi pospeševalniki, ki posebej podpirajo delovne tokove in podatkovne nabore umetne inteligence in ML.
Zmanjšanje zakasnitve prenosa podatkov znotraj tega visokozmogljivega računalnika v vozilu, kjer se pogosto uporablja isti nabor podatkov, je idealno za uporabo PCIe vmesnika.
Naprava, ki omogoča to skupno izmenjavo podatkov med več korenskimi SoC sklopi in napravami, kot so SSD in omrežne vmesniške kartice, je PCIe stikalo, ki prav tako ponuja prej opisane NTB funkcije. Preprostejše možnosti povezovanja so lahko na voljo prek omrežnih struktur, vendar je prav programska in konfiguracijska določljivost, ki jo ponuja PCIe stikalo tista, ki omogoča popolno uporabo sistemskih virov. Souporaba virov je ključna lastnost sistema, ki jo želijo OEM proizvajalci aktivno uporabljati.
PCIe stikalo ponuja tudi izrazite prednosti pri načrtovanju včasih stroškovno optimiziranih in vedno varnostno kritičnih sistemov.
PCIe stikalo lahko omogoča modularno povezovanje SoC-ev, ki so morda delno nameščeni na koncu linije, nato pa jih prodajalec nadgradi z dodatnimi moduli. Čeprav bodo vsa vozila podpirala posodobitve in izboljšave po zraku, uporaba HPC odpira tudi tok donosov za OEM od naslednjih lastnikov istega vozila. Na primer, nove tokove donosov je mogoče ustvariti po prvem ali drugem lastniku s ponudbo znatnih nadgradenj zmogljivosti ali funkcij. Pojavi se „avto kot storitev“.
Kritičnega elementa varnosti ni mogoče zanemariti. Stikalo PCIe omogoča tudi skupno namestitev podobnih delovnih enot v istem vozilu, tako da eno okvaro obvladuje delovni sistem, da se prepreči težka okvara.
Kako PCIe zagotavlja razširljiv model programske opreme
Narava delovanja PCIe v vseh teh sistemih je zelo podobna. Vsi SoC-i uporabljajo skupne transakcije za prenos podatkov iz pomnilnika v naslovni prostor PCIe naprave nekje na stikalu. To se razlikuje med SoC-i in med generacijami PCIe in tako je že od časov prvotnega PCI.
Poleg tega je mogoče konfiguracijo PCIe stikala prilagoditi maksimalni konfiguraciji, tudi če se na koncu linije izvede delno prilagajanje podmnožice modulov ali virov. Primer je lahko namestitev enega SoC, ki pa omogoča nadgradnjo na tri. Vgradnja enega SSD-ja, ki pa omogoča kasnejšo vgradnjo dodatnega. In celo možnost, da se sistemu pozneje doda nadomestno PCIe stikalo.
Na strani PCIe stikala lahko omogočimo racionalizacijo prihodnjega razvoja sistema. Programska oprema SoC za podporo PCIe lahko ostane statična, razvijalski viri OEM-ov pa se lahko osredotočijo na funkcije uporabnikov, ki jih bodo podpirali v vgrajenem SoC modulu. PCIe stikalo bo edini element v sistemu, ki se bo ukvarjal z zmogljivostjo in nadgradnjami sistema, pri čemer bo uporabljal funkcije, ki jih podpira samo stikalo in jih ni treba podpirati v SoC-ih.
Primeri nadgradljivosti lahko vključujejo vključitev virtualnega korenskega kompleksa, ki stikalu omogoča prepoznavanje dodatnih SoC v življenjski dobi platforme, omogoča zamenjavo možnosti SoC in celo izboljšave za varno avtorizacijo dostopa SoC do skupnih virov na zaščiten način po preverjanju pristnosti.
Drugi primer je priljubljen mehanizem podatkovnih centrov, ki več SoC-em omogoča dostop do polprevodniških pogonov, pri čemer je dostop vsakega SoC-a neodvisen, zaščiten in upravljan z mehanizmom, imenovanim SR-IOV (Single Root IO Virtualisation). To se običajno izvaja z zapletenim skladom programske opreme na SoC, vendar lahko to organiziramo z enim samim gonilnikom v stikalu. To je spet še en primer, kjer je zapletenost razvoja programske opreme poenostavljena, singularizirana in še vedno dostopna s standardiziranim gonilnikom PCIe v SoC.
Različni načini razširitve zmogljivosti PCIe
Kot smo že omenili, so lahko SoC-i nameščeni kot zamenljive enote na osnovno ploščo, ki vsebuje PCIe stikalo. Sistem je lahko na začetku v celoti zapolnjen ali pa je zapolnjen s prihodnjimi razširitvami. Povezljivost PCIe je mogoče razširiti tudi z dodajanjem dodatnih osnovnih plošč ali ohišij in njihovim medsebojnim povezovanjem na nek način.
Povezljivost PCIe je običajno dosežena prek sledi tiskanega vezja zadnje plošče in spajkanih konektorjev na kratkih razdaljah. Kaj pa, če je treba omogočiti drugo ohišje? V mnogih primerih je lažje to dodati kot popolnoma drugo enoto in ne kot nadgradnjo že vgrajene enote. Drugo ohišje lahko omogoča funkcije naslednje generacije, pomislite na nadgradnjo ravni 4 v tovarniško opremljeno vozilo ravni 2. Lahko pa doda nadgradnjo zmogljivosti z večjo zanesljivostjo (pomislite na delavca/stanovanje v pripravljenosti in preklop v primeru odpovedi).
Lažje je zagotoviti ločen prostor v vozilu in vanj napeljati kabelski snop, kot pa odstraniti naprave in dostopati do že vgrajene enote. Povezljivost s priključki in kabli je zdaj zahteva. In čeprav lahko to vedno storimo za več metrov v domeni Etherneta, bi to storili na račun podatkovne pasovne širine. Izvajanje tega z visoko hitrostjo prek kratkega kabla je lahko odgovor na te sanje o nadgradnji.
Microchip razvija referenčno ploščo PCIe za avtomobile, ki je opremljena z industrijskimi standardnimi priključki H-MTD in uporablja kabelske sklope, ki niso namenjeni avtomobilskim podatkovnim centrom. S tem smo ocenili uporabo sestavnih delov, ki so na voljo na prodajnih policah, pri omogočanju razširjenega dosega
PCIe prek kabla in pomagali našim strankam razumeti zahteve glede EMC skladnosti v teh sistemih. Pri testiranju v resničnem svetu je bil dosežen večmetrski doseg z uporabo povezav PCIe Gen3 in Gen4.
FuSa v sistemu PCIe z visoko zmogljivimi SoC-i
Številni napredni SoC-i iz razreda, ki se uporabljajo za avtonomno in polavtonomno vožnjo, podpirajo višje ravni funkcionalne varnosti (FuSa), na primer raven ASIL D. Za raven D je potrebnih več jeder v zaklenjenem koraku, kar je v razredu številnih SoC-jev, ki so po zmogljivosti dovolj napredni za zagotavljanje funkcije ADAS, stroškovno previsoko.
Za doseganje ocene sistema na ravni C ali višji je potrebna funkcionalna dekompozicija in delitev s komponentami na ravni ASIL B. PCIe ponuja številne zaščite, ki omogočajo to certificiranje sistema, in sicer v povezavah na ravni fizičnega in virtualnega vsebnika ter z notranjimi podatkovnimi potmi.
Ta notranja zaščita poti, funkcionalna razčlenitev, delitev in možnost rezervnih ali rezervnih enot v sistemu, kot smo opisali prej, je tisto, kar lahko zagotovimo sodobnim proizvajalcem originalne opreme na tem varnostno kritičnem področju pomoči vozniku na ravni 3 in kar si želi vsak proizvajalec.
Ko se vse sestavi v zaključek
Čeprav se kot končni cilj morda vidi avtonomna vožnja četrte stopnje, želi OEM sprejeti platformni pristop, ki omogoča dodajanje funkcij in storitev na modelih, ki se začnejo z ADAS druge ali tretje stopnje. To sili k razmišljanju o razširljivosti in širitvi, ne pa k vnaprejšnji zagotovitvi za prihodnje najzahtevnejše delovne obremenitve.
Ponujanje skalabilnosti SoC, razširjena souporaba virov skozi čas in dodajanje dodatnih ohišij, ki vsebujejo PCIe stikala, omogoča, da je osnovna platforma skupna med modeli in platformami v več modelskih letih. Potrošnik bo uporabljal „avtomobil kot storitev“, ki temelji na programsko opredeljenem vozilu, ki uporablja podatkovni center na kolesih. Vse to je mogoče doseči že danes.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
