上图为英伟达 PX2 架构,与特斯拉高度近似,FSD 可以看成看做 Parker 与 GPU 合二为一,省去了非常昂贵的 PCIe 交换机。

 

以太网的 PHY 即物理层是模拟混合芯片,通常都与运算芯片分开,像 FSD 这种大规模数字运算芯片不大可能集成,应该和 AP2.5 一样还是 88EA1512。 MCU 估计还是沿用英飞凌的 TC297t。这是目前接口最丰富,也达到 ASIL-D 级 MCU 的唯一选择。88EA6321 还是处于核心位置,连接两个 FSD,同时可能还有 GPS 和以太网诊断,PX2 则有两路激光雷达输入,特斯拉没有激光雷达,毫米波雷达用博世的,只有 CAN 输出,如果是以太原始数据输出,那么需要 FFT 快速傅里叶变换,这通常是 DSP 处理的,板子上没有看到此类器件,且博世毫米波雷达也不提供以太网输出。也就是说特斯拉没有用传感器融合,完全靠视觉系统。

 

 以太网交换器主要工作内容 L2 层数据转发,目的 MAC 地址为广播地址(0xffffffff)的包,在 vlan 内广播出去;目的 MAC 地址为组播地址的包,进行组播流程的处理;对于单播包,查找 L2 TABLE,如果没有找到,就在 vlan 内进行洪泛;如果找到,检查表项中的 L3bit 是否设置,如果设置了 L3 bit,就进行 L3 流程的转发;否则就转发到 L2 TABLE 表项中的端口。Marvell 的新产品增加了 L3 静态路由的支持,可以手动配置网络。

 

 

上图为 88E6321 的内部框架图,这是一个针对汽车 EAVB 的 7 口以太交换机,有两个 IEEE10/100/1000BASE-T/TX/T 接口(对应传统的 RJ45 即我们常说的水晶头),两个 RGMII/xMII 接口或一个 GMII 接口,2 个 SGMII / Serdes 接口,1 个 RGMII/xMII 接口,MII 即 MediumIndependent Interface,RMII 为 ReducedMII,SMII 为 Serial MII,GMII 是 Giga MII。MII(Media Independent Interface)即媒体独立接口,MII 接口是 MAC 与 PHY 连接的标准接口。

 

它是 IEEE-802.3 定义的以太网行业标准。10/100/1000BASE-T/TX/T 指传输线缆。Port2、5、6 可以配置为 MAC 模式或者 PHY 模式,均支持 RGMII/RMII/MII,2、6Port 还支持 GMII。Port3、4 支持 10、100、1000M 自适应以太网接口。Port0、1 支持 100M、1000M 光口(SFP)。 88E6321 自 2014 年底推出,博世也用其做过网关演示。国内也有不少有使用。 EAVB(Ethernet+Audio+VideoBridging)不是严格意义上的汽车以太网标准,它是 IEEE 的 802.1 任务组于 2005 开始制定的用于车载实时音视频的传输协议集。

 

但是 EAVB 一直没推广开,原因在于汽车领域内传输音视频流最典型的应用是后座娱乐系统,这种系统不太考虑延迟,那就是哄小孩的。而其他应用大多是纯视频,EAVB 需要硬件压缩然后再解压,这就大幅度增加成本。

 

纯视频可以采用低成本传输方式,比如 GMSL、MIPI 或 FPDLINK。在 2012 年 11 月,将 EAVB 小组改名为 TSN,就是时间敏感网络。这才是严格意义上的汽车以太网标准。TSN 不是一个标准,而是一系列标准,也可看做多个工具的工具盒。

 

AVB 核心标准包括:

 

 

- IEEE802.1AS:精准时钟定时和同步(gPTP);

- IEEE802.1Qat:流预留协议(SRP);

- IEEE802.1Qav:时间敏感流的转发和排队(FQTSS);

- IEEE802.1BA:音频视频桥接系统,定义 AVB 配置文件。

 


TSN 核心工具


TSN 相对 EAVB 来说最强的地方在于对 L4 的支持,即 802.1CB 协议。这也是 L4 级无人驾驶必须用 TSN 的主要原因,也只有 TSN 能让整个系统达到功能安全的最高等级 ASIL D 级。同样,与自适应 AUTOSAR 的捆绑程度也比较高。此外, 与传统的 IP/VLAN 路由相比,TSN 有几大优势:没有 CPU 运算能力和带宽瓶颈限制,和其他 ECU 没有交叉依赖,有更快的并行启动,交换和 MCU 有独立的 Reboot,高度的灵活性。特斯拉的两片 FSD 是加强算力,而非是一片做冗余系统。

 


众所周知,L4 级无人驾驶需要一个冗余处理器,但是主处理系统和冗余处理系统之间的通讯机制如何建立?这就是 802.1CB 的用武之地了。802.1CB 是两套系统间的冗余,芯片之间的冗余还是多采用 PCIE 交换机的多主机 fail-operational 机制,两者有相似之处。

 

 


对于非常重要的数据,802.1CB 会多发送一个数据备份,这个备份会沿着最远离主数据路径交集的路径传输。如果两个数据都接收到,在接收端把冗余帧消除,如果只接受到一帧数据,那么就进入后备模式。在 ISO/IEC 62439-3 中已经定义了 PRP 和 HSR 两种冗余,这种属于全局冗余,成本较高,802.1CB 只针对关键帧做冗余,降低了成本。802.1CB 标准的制定主要依靠思科和博通

 

 


802.1CB 也可以缩写为 FRER

 

 


FRER 不仅能提供双失效冗余,也可以提供多失效冗余。

 

 


802.1CB 也有简单的失效原因分析机制:

 

 

 

 


上图为 88Q5050 内部框架图,只是增加了 3 路,并且还有两路是 Mbps 级,升级不多。 目前已经量产的最顶级车载以太网交换芯片是博通的 BCM53162,可以对应 4 路 2.5GbE,售价高达 650 美元(Mouser 报价,100 片起,万片起的话,价格估计降到 250-300 美元)左右。NXP 则有两款价格很低的车载以太网交换芯片,台湾的瑞昱也有一款车载以太网交换芯片,性价比很高。

 

 

上图为 BCM53162 应用图

 

上图为 BCM53162 内部框架图


博通对 BCM53162 似乎没有下力气推广,2019 年 3 月就推出了 BCM8956X 和 BCM8988X,但具体参数未对外披露。


88Q5050 总带宽偏低,在 2019 年 9 月,Marvell 又推出了 88Q5072 和 88Q6113,自然也满足 TSN 标准。目前 Marvell 的旗舰是 88Q6113。

 

 

 

88Q6113 放弃低带宽的 100/1000Base-T 接口,大量增加 SGMII。


NXP 的车载以太网交换芯片以高性价比著称,目前 NXP 有两款车载以太网交换芯片,一片是 2016 年中期推出的 SJA1105TEL,另一片是刚刚在 2020 年 1 月推出的 SJA1110。SJA1105 是针对 EAVB 网络,SJA1105TEL 则增加了对 TSN 的支持,为了降低成本,SJA1105 内部没有 Phy,需要外置 Phy,NXP 推荐 TJA1101/TJA1102/TJA1110。端口也比较少,只有 5 口。

 

上图为 SJA1105 的四种典型应用方式

 


上图为 NXP 的自动驾驶开发原型蓝盒子 Bluebox 的内部框架,使用多达 3 个 SJA1105 交换。LS2 是 NXP 的 Layerscape 系列高性能处理器,LS2084 和 LS2088 都拥有 8 个 A72 核,LX2160A 则针对车载市场,拥有 16 个 A72 核,超越特斯拉的 FSD。图中的 TJA1145 是 CAN-FD PHY,主要对应高分辨率毫米波雷达。AQR107 是 Aquntia 公司(已经被 Marvell 收购)的 10Gbps 的以太 Phy,主要对应 V2X。

 


上图为 SJA1110 内部框架图,特别强调了功能安全,能让整个 ECU 达到 ASIL-D 级。也增加了一个 100Base-T1 的 Phy,T1 是 IEEE 针对 100Mb/s 汽车以太网的规范,也可以将其称为 IEEE802.3bw,基本可等同于 Broad-R-Reach Phy。还有一个 100Base-TX,可等同于 RJ45 接口。也支持多 G 的 SGMII。

 

 


SJA1110 的主要应用,特别提出量产级 Autosar 驱动,兼容 TTTech 的 MotionWise 中间件。温度等级达到了 AEC Q-1 级而不是通常的 2 级。特斯拉的 FSD 很可能是 3 级。 台湾瑞昱则有一款 RTL9047AA-VC 车载以太网交换,主要针对 24V 的重载车或带有拖车的 360 全景加 ADAS 系统的网关而设计的。

 

 


瑞昱特别考虑降低系统的整体成本,内部是有 5 个 100Base PHY,支援 4 组内转 LDO for MAC port E0、E1、AVDD12 和 DVDD12,节省 LDOcost 及 PCB 空间。使用 API code 可不须外挂 FLASH。

 

 

 

RTL9047AA 的典型应用

 

特斯拉的交换器端口有两三个都没用,将来加上 V2X 或热成像传感器也很容易。特斯拉的设计中规中矩,并无多少创新之处,只不过传统车厂比较谨慎(传统车厂恐难以接收 EAVB 做自动驾驶的核心交换),步子小了点,才显得特斯拉比较先进。