車載以太網(wǎng)（上）
[導(dǎo)讀]我們之前已經(jīng)分享了LIN、CAN、CANFD、FlexRay總線。在開始閱讀之前，如果你對已介紹的總線技術(shù)還不了解的話，可以先閱讀以下文章快速溫習(xí)一下，等補(bǔ)完車載以太網(wǎng)和MOST，汽車總線技術(shù)樓主基本分享結(jié)束了。說一說LIN總線CAN總線基礎(chǔ)（一）CAN總線基礎(chǔ)（下）CANFD介...
我們之前已經(jīng)分享了LIN、CAN、CAN FD、FlexRay總線。在開始閱讀之前，如果你對已介紹的總線技術(shù)還不了解的話，可以先閱讀以下文章快速溫習(xí)一下，等補(bǔ)完車載以太網(wǎng)和MOST，汽車總線技術(shù)樓主基本分享結(jié)束了。說一說LIN總線CAN總線基礎(chǔ)（一）CAN總線基礎(chǔ)（下）CAN FD 介紹FlexRay?介紹
背景
車載以太網(wǎng)的出現(xiàn)背景樓主就不多做贅述了，其實(shí)主要是因汽車E/E架構(gòu)和功能的復(fù)雜度提升而帶來的對車輛數(shù)據(jù)傳輸帶寬提高和通訊方式改變（基于服務(wù)的通訊-SOA）的需求。就目前汽車總線的應(yīng)用情況，成本低、可靠性高、應(yīng)用普遍的有Lin、CAN通訊，CAN FD也是最近幾年才逐漸得到應(yīng)用，而FlexRay、車載Ethernet等基于成本因素，目前主要在高端車型中使用。其中樓主之前介紹的FlexRay后續(xù)得到普遍應(yīng)用的可能性樓主認(rèn)為不是很大，首先成本方面與車載以太網(wǎng)差不多而通訊速率又遠(yuǎn)低于它，而伴隨著未來智能化、網(wǎng)聯(lián)化的趨勢，車載Ethernet在未來得到推廣的可能性要比FlexRay高很多。需要注意的是CAN FD在市場推廣實(shí)施還沒有幾年，第三代CAN總線-CAN XL也即將登場，CAN XL傳輸速率將達(dá)到10Mbit/s，可填補(bǔ)CAN FD和百兆車載以太網(wǎng)（100BASE-T1）之間的鴻溝，從這點(diǎn)也可以看出車載通訊的快速發(fā)展及對通訊帶寬的越來越高的要求，同時也可從另一方面說明FlexRay的尷尬。當(dāng)然所有總線的應(yīng)用都是分所在的域和場景的，例如對于安全要求很高的場合，采用了基于時間觸發(fā)機(jī)制的FlexRay因?qū)崟r性和確定性更高則更合適。標(biāo)準(zhǔn)
在車載網(wǎng)絡(luò)方面，玩家是很多的，也推出了各自的標(biāo)準(zhǔn)，如下：其中OPEN Alliance和電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）制定的標(biāo)準(zhǔn)是車載以太網(wǎng)領(lǐng)域比重最大和應(yīng)用最廣泛的，例如我們熟知的100BASE-T1和1000BASE-T1。自1980年以來，IEEE一直負(fù)責(zé)以太網(wǎng)的維護(hù)、開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化。盡管各個公司都可提供專有的以太網(wǎng)解決方案，但大多數(shù)時候公司都會交給IEEE進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以確保更廣泛的應(yīng)用。802工作組則專門負(fù)責(zé)以太網(wǎng)，因此，所有與以太網(wǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都以802開頭（例如，IEEE 802.1，IEEE 802.2，IEEE 802.3等）。OPEN Alliance SIG是由汽車制造商和供應(yīng)商組成的聯(lián)盟，目的是促進(jìn)以太網(wǎng)在汽車工業(yè)中的進(jìn)一步發(fā)展。OPEN Alliance SIG與IEEE合作，將汽車以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換為通用標(biāo)準(zhǔn)。就目前的車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)方面，主流標(biāo)準(zhǔn)的是如下幾個，目前主要是第二個100BASE-T1：用單對雙絞線實(shí)現(xiàn)100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，走的靠前的OEM則使用更快的千兆以太網(wǎng)。
車載以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分層和拓?fù)?/span>
OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型（OSI=Open Systems Interconnection）是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中一個很重要的模型。OSI是一個開放性的通信系統(tǒng)互連參考模型，其含義就是建議所有公司使用這個規(guī)范來控制網(wǎng)絡(luò)。只有統(tǒng)一通信規(guī)范時，才能實(shí)現(xiàn)真正的互聯(lián)化。OSI 七層模型及通信互聯(lián)的傳輸過程，如下圖所示：OSI 七層網(wǎng)絡(luò)模型是一個理想的網(wǎng)絡(luò)參考模型，TCP/IP模型是已經(jīng)被實(shí)際廣泛應(yīng)用于因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分層模型。TCP/IP 模型沒有對 OSI 的 5~7 層做嚴(yán)格區(qū)分，統(tǒng)稱為應(yīng)用層。車載以太網(wǎng)是基于 TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)分層模型，并由 OPEN 和 AUTOSAR 等聯(lián)盟對以太網(wǎng)相關(guān)協(xié)議進(jìn)行了規(guī)范和補(bǔ)充。以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有點(diǎn)對點(diǎn)形式、類似于CAN或LIN的總線形式、鏈?zhǔn)胶托切偷刃问剑?/span>也有由上面幾種形式的組合形式：當(dāng)然現(xiàn)在多個節(jié)點(diǎn)的車載以太網(wǎng)的互聯(lián)互通需要交換機(jī)Switch，Switch的作用如下：
車載以太網(wǎng)的物理連接
從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC（Media Access Control）控制器和物理層接口PHY（Physical Layer，PHY）兩大部分構(gòu)成，如下圖所示：MAC及PHY工作在OSI七層模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如下PHY和MAC之間是如何傳送數(shù)據(jù)和相互溝通的呢？MAC與PHY之間通過兩個接口連接，分別為SMI接口和MII接口。MII（Media Independent Interface）即媒體獨(dú)立接口，MII接口是MAC與PHY連接的標(biāo)準(zhǔn)接口，以太網(wǎng)MAC通過該接口發(fā)出數(shù)據(jù)幀經(jīng)過PHY后傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，同時其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)先經(jīng)過PHY后再由MAC接收。MII是IEEE-802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，MII接口提供了MAC與PHY之間、PHY與STA(Station Management)之間的互聯(lián)技術(shù)，該接口支持10Mb/s與100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粚挒?/span>4位。"媒體獨(dú)立"表明在不對MAC硬件重新設(shè)計(jì)或替換的情況下，任何類型的PHY設(shè)備都可以正常工作。802.3協(xié)議最多支持32個PHY，但有一定的限制：要符合協(xié)議要求的connector特性。SMI叫串行管理接口，以太網(wǎng)MAC通過該接口可以訪問PHY的寄存器，通過對這些寄存器操作可對PHY進(jìn)行控制和管理。SMI接口包括MDIO（控制和管理PHY以獲取PHY的狀態(tài)）和MDC（為MDIO提供時鐘）。MDC由MAC提供，MDIO是一根雙向的數(shù)據(jù)線。用來傳送MAC層的控制信息和物理層的狀態(tài)信息。MDIO數(shù)據(jù)與MDC時鐘同步，在MDC上升沿有效。由此可見，MAC?和PHY，一個是數(shù)據(jù)鏈路層，一個是物理層；兩者通過MII傳送數(shù)據(jù)。?因此Ethernet的接口實(shí)質(zhì)是MAC通過MII總線控制PHY的過程。MII接口后續(xù)又衍生了很多其他版本，如RMII、GMII、SGMII、RGMII等。這里簡要介紹其中的MII和RMII，如下圖所示。MII共使用了16根線。其中CRS與COL只在半雙工模式有效，而車載以太網(wǎng)固定工作在全雙工模式下，故應(yīng)用在汽車環(huán)境需要14根線。RMII是精簡版的MII，數(shù)據(jù)發(fā)送接收均為兩根，相比MII減少了4根，另外它整合或減去了一些線，最終RMII只有8根線RMII的接口如下：在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，以上三部分并不一定獨(dú)立分開的。由于，PHY整合了大量模擬硬件，而MAC是典型的全數(shù)字器件。考慮到芯片面積及模擬/數(shù)字混合架構(gòu)的原因，通常，將MAC集成進(jìn)微控制器而將PHY留在片外。更靈活、密度更高的芯片技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)MAC和PHY的單芯片整合，可分為下列幾種類型:CPU集成MAC與PHY，目前來說并不多見：CPU集成MAC，PHY采用獨(dú)立芯片，這種在車載以太網(wǎng)上是主流方式，因嵌入式芯片廠商一般都將MAC集成在MCU內(nèi)部，而PHY芯片則由OEM或控制器供應(yīng)商自己選擇：CPU不集成MAC與PHY，MAC與PHY采用集成芯片。這種在消費(fèi)用以太網(wǎng)上比較比較常見，如電腦的網(wǎng)卡有這種方式的。在以太網(wǎng)連接線束上，車載以太網(wǎng)與消費(fèi)用以太網(wǎng)也是不同的，首先消費(fèi)用以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)主要采用10BASE-2、10/100BASE-TX和1000BASE-T，其中1000BASE-T是使用RJ45接口，需要四對雙絞線共8根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而10/100BASE-TX則是只使用四對雙絞線其中的兩對共4根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如下是100BASE-TX的示意圖（使用了兩對雙絞線）。在很早之前的10BASE-2則是同軸電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此消費(fèi)類以太網(wǎng)采用線束總結(jié)如下：而車載以太網(wǎng)一般都基本采用帶T1的標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE 100BASE-T1（以前稱為OABR）、IEEE 1000BASE-T1，這些都使用一對雙絞線共兩根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：其次在編碼方式上，1000BASE-T主要采用PAM5的編碼方式：而車載以太網(wǎng)100BASE-T1和1000BASE-T1主要采用PAM3的編碼方式。從上面可知，車載以太網(wǎng)主要采用基于一對雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00BASE-T1或1000BASE-T1標(biāo)準(zhǔn)，而我們電腦則使用RJ45接口采用基于4對雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?000BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)，因此當(dāng)我們用電腦測量控制器以太網(wǎng)時，有時需要轉(zhuǎn)換器，如下：
車載以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)
以太網(wǎng)幀的格式如下：以太幀有多種類型，不同類型的幀具有不同的格式和MTU值，但在同種物理媒體上都可同時存在。常見有兩種幀格式，第一種是上世紀(jì)80年代初提出的DIX v2格式，即Ethernet II幀格式。Ethernet II后來被IEEE802標(biāo)準(zhǔn)接納，并寫進(jìn)了IEEE802.3x-1997的3.2.6節(jié)。第二種是1983年提出的IEEE802.3格式。這兩種格式的主要區(qū)別在于，Ethernet II格式中包含一個Type字段，標(biāo)識以太幀處理完成之后將被發(fā)送到哪個上層協(xié)議進(jìn)行處理。IEEE802.3格式中，同樣的位置是長度字段。不同的Type字段值可以用來區(qū)別這兩種幀的類型，當(dāng)Type字段值小于等于1500（或者十六進(jìn)制的0x05DC）時，幀使用的是IEEE802.3格式。當(dāng)Type字段值大于等于1536（或者十六進(jìn)制的0x0600）時，幀使用的是Ethernet II格式。以太網(wǎng)中大多數(shù)的數(shù)據(jù)幀使用的是Ethernet ?II格式。以太幀中還包括源和目的MAC地址，分別代表發(fā)送者的MAC和接收者的MAC，此外還有幀校驗(yàn)序列字段，用于檢驗(yàn)傳輸過程中幀的完整性。汽車行業(yè)通常使用Ethernet ?II格式，該格式還可包含VLAN信息作為擴(kuò)展，因此，又分基本MAC幀（無VLAN）和標(biāo)記MAC幀（包括VLAN）兩種。MAC addresses: Ethernet II幀通常以接收者目標(biāo)地址開頭。 作用是指定要接收消息的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 與隨后的發(fā)送者源地址相反，除單播地址外，還可以使用多播或廣播地址。對于以太網(wǎng)幀，只能有一個發(fā)送方，但可以有多個接收方。
Ether type: 基本和標(biāo)記的MAC幀通過類型字段（以太類型）進(jìn)行區(qū)分。 這通常標(biāo)識有效載荷數(shù)據(jù)區(qū)域中包含的分組，并給出有關(guān)較高層中使用的協(xié)議（例如，IPv4）的信息。如果以太類型的值為0x8100，則將類型字段向后移四個字節(jié)，并在其原始位置插入一個VLAN標(biāo)簽。VLAN Tag：VLAN標(biāo)簽由協(xié)議標(biāo)識符（TPID）和控制信息（TCI）組成。 TPID包含原始類型字段的值，而TCI由優(yōu)先級（PCP），符合丟棄要求或規(guī)范的形式指示符（DEI或CFI）和標(biāo)識符（VID）組成。標(biāo)識符和優(yōu)先級主要用于汽車行業(yè)。標(biāo)識符區(qū)分不同應(yīng)用區(qū)域的相應(yīng)虛擬網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)先級允許通過交換機(jī)優(yōu)化運(yùn)行時間，以便優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)重要信息。
Payload：在類型字段之后，以太幀包含有效載荷數(shù)據(jù)區(qū)域。 有效負(fù)載的最小長度為不帶VLAN標(biāo)記的46字節(jié)或帶VLAN標(biāo)記的42字節(jié), 在汽車工業(yè)中，它最多可以包含1500個字節(jié)。CRC校驗(yàn)：CRC校驗(yàn)在以太幀的末尾發(fā)送。 校驗(yàn)中包含的值是使用標(biāo)準(zhǔn)化算法計(jì)算的，該算法在發(fā)送方和接收方中以相同的方式實(shí)現(xiàn)。該計(jì)算是在以太幀的所有字段中進(jìn)行的，因此可以確保整個消息的完整性。以太網(wǎng)Packet: 對于以太網(wǎng)II幀的傳輸，以太網(wǎng)控制器在開頭插入前同步碼和起始幀定界符（SFD）,用于指示傳輸開始。前同步碼，開始幀定界符和以太幀的組合稱為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。
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