汽车网络的艺术（系列 2）：PCIe 走向汽车

文摘 2024-11-10 07:00 上海

PCIe 进入汽车行业

我相信每个对技术和计算机科学感兴趣的人都至少打开过一次个人电脑，看看里面到底是什么。除了带有 CPU、散热器和风扇的大 PCB 之外，您可能已经认出了通常垂直位于外壳后部的扩展插槽。这些是 PCI Express® (PCIe®) 扩展插槽，采用最流行的外形尺寸，符合 CEM（机电卡）规范。还有其他外形尺寸可供选择，尺寸不同，可用于不同目的。例如，有用于连接 SSD 或其他存储设备的 PCI Express M.2 或 U.2 连接器，或用于电缆连接的 OCuLink 插头。对于您的家用电脑和超级计算机来说，PCIe 是最传统的 I/O 连接，用于扩展需要可靠高速数据传输的功能。PCIe 是同样成功的 PCI 和 PCI-X 标准的后继者。PCIe 与其前身之间的主要区别之一是，数据传输现在是以串行方式进行的，而以前是以并行方式进行的。并行总线同步的限制导致上个世纪末许多并行接口消失并改为串行传输机制。这种转变的一个例子是打印机非常流行的 Centronics 接口 (IEEE 1284)。

图 1. PCIe 带宽演变，数据来源：PCI SIG

PCIe 可以被视为最成功和最成熟的 I/O 互连，它不仅提供高速带宽，还提供可靠的传输机制。自 2003 年首次发布以来，平均带宽每 3 年翻一番，始终保持向后兼容性。现在，PCIe 第 6 代 (PCIe gen 6) 已经开发完成。在这里解释这个新版本中的功能和发展是不合适的。如果您对此感兴趣，我建议您观看 PCI-SIG Board 的 Debendra Das Sharma 制作的视频，其中介绍了主要的创新。

带宽是 PCIe 流行的一个因素。PCIe 具有所谓的“内置可靠传输机制”，这意味着硬件保证传输的数据包确实到达了它们应该去的地方。这与以太网提供的“发射后不管”原则不同。如果您对传输的端到端保障感兴趣，则必须使用软件驱动的传输协议，这会增加延迟并需要 CPU 性能。内置的数据包和事务错误检测和纠正机制进一步提高了数据传输的可靠性。因此，PCIe 在硬件层面上负责保证数据包的交付和必要时的重新传输。

PCIe 的另一个资产是现有的生态系统。市场上有无数的 PCIe 设备。从 Wi-Fi 芯片到 4G 和 5G 调制解调器、显卡和存储设备，所有需要高速数据传输的东西。结合软件、包分析器、工具和合规程序，PCIe 使开发人员可以轻松使用这项技术，甚至轻松构建复杂的系统。

PCIe 不断发展，并得到了 PCI 特别兴趣小组 (PCI-SIG) 的业界支持，该小组负责开发和维护各个工作组的规范。2021 年初成立的汽车工作组是 PCI-SIG 家族的最新成员。

为什么 PCIe 对汽车有吸引力？

图 2. 汽车用例

“随着驾驶辅助系统和自动驾驶的出现，我们现在看到汽车需要曾经是超级计算机领域的计算能力”，PCI-SIG 副总裁 Richard Solomon 说道。即使在没有这些新功能的车型中，PCIe 也已经用于高端信息娱乐系统、导航数据存储或作为 4G 或 GNSS 调制解调器的连接解决方案。

与汽车行业使用的其他通信协议相比，PCIe 使用了完全不同的通信范式。以太网、CAN 和 LIN 使用典型的发送方/接收方面向包的方法，其中发送方 CPU 将信息打包到传输协议中，接收方解包。PCIe 中基于 DMA 的访问方法允许处理器直接远程访问数据，而无需远程处理器交互。

PCI-SIG 已确定 PCIe 可能与汽车行业相关的 4 个用例。下面列出的用例都属于 PCIe 现有的关键领域。需要弄清楚的是，PCIe 在汽车操作环境中的表现如何。

用例 1：扩展计算处理

此用例是一种非常传统的 PCIe 用例，其中 PCIe 用于 ECU 内部的芯片间通信。应用领域可能包括高分辨率显示处理、图像识别和神经网络应用。PCIe 允许构建模块化处理架构，并提供可扩展性和虚拟化功能。无需更改整个应用程序，即可通过向 PCIe 接口添加额外通道来提高数据交换速率。借助此功能，无需进行大量处理器交互即可实现高传输速率。虚拟化支持和 SRIOV 和 ATS 等扩展功能为开发人员提供了涵盖安全和保障方面的工具。

用例 2：基于 PCIe 的存储

此外，这已经属于当前 PCIe 应用程序的领域。由于数据记录的监管要求，需要可靠的高速数据存储。汽车环境中运行的存储技术已经存在，并且 PCIe 提供了一种易于使用且开发周期短的解决方案。存储数据时，必须考虑处理、传输和存储的保护和保密性规定。

用例 3：数据主干

从关键字来看，这也是常见的 PCIe 用例，但环境条件不同。在当前基于 PC 的用例中，两个 PCIe 设备之间的距离与车辆中的 ECU 相比相当小。PCIe 标准未指定最大电缆长度。当今可用的电缆通常支持两个 PCIe 接口之间的连接，距离为 5 到 7 米，无需重定时器（信号调节器设备）。听起来很长，但仍然不能总是满足车辆内部所需的距离。所有这些都表明，这种通信通道最初并不是为恶劣的汽车环境而设计的。添加重定时器可以增加距离，但也会增加整体系统成本，这是汽车行业非常关键的因素。有专有的物理层解决方案可用于更远的距离，如 HDBaseT。在这一点上，PCIe 与其他现有的网络解决方案竞争。

用例 4：连接

例如，此用例涵盖网关 ECU 和远程信息处理控制单元 (TCU) 之间的连接。根据架构，这可以是芯片间连接或长距离连接。从需求角度来看，此用例是第 1 种用例和第 3 种用例的混合。

PCIe 为汽车行业提供了什么？

PCI-SIG 希望为汽车行业提供额外的工具（不一定是新工具），以解决与车辆中要处理的数据呈指数级增长相关的即将到来的挑战。

除了速度、生态系统和多供应商可用性等技术方面，PCIe 还制定了合规性测试和认证程序。标准化解决方案是汽车行业最受欢迎的技术，因为它们保证了互操作性和来自行业中多个参与者的支持，同时还以某种方式保证了产品的长期可用性和该技术的进一步发展。

技术的成熟度和可持续性是该行业的关键。PCIe 已经存在近 20 年，并打算在未来几十年继续存在。成立专门研究汽车行业未来需求的工作组是奠定 PCIe 技术在车辆中应用稳定基础的正确步骤。另一方面，技术发展速度很快，通常比任何标准化活动都快。不应试图标准化已经使用的内容和行业最佳实践，而应将重点放在未来的用例和应用领域上。

PCIe 是否已为汽车做好准备？

PCIe 已在车辆中使用，因此这个问题的第一个答案是“是”。

PCIe 是否已准备好满足可靠性要求、温度范围、噪音和电缆长度等预期的未来用例？答案是“为了找出答案，PCI-SIG 中的汽车工作组应运而生”。

由英特尔和 Nvidia 领导的汽车工作组将具有不同背景的公司和人员聚集在一起。有优秀的 PCIe 专家、具有汽车背景的成员、网络架构师、物理层专家和计时专家，他们试图弄清楚 PCIe 在未来可能如何使用，以及在汽车行业使用 PCIe 可能出现哪些挑战和问题。

有几个领域需要调查。首先，该领域的环境条件不同。汽车行业有非常严格的要求和测试程序来检查噪音和 EMI。这些需要在 PCIe 认证和资格认证过程中采用。而且产品需要通过 AEQ-100 等汽车标准认证，才能广泛使用。有很多产品可以满足 3 级或 2 级标准；1 级（最高 125 °C）设备的选项数量变得很少。安全性是一项关键要求，尤其是对于暴露在封闭系统之外的通信接口，例如汽车中的线束。从 PCIe 第 5 代开始，PCIe 的扩展（工程变更通知 - ECN）可用，以确保事务层数据包的机密性、完整性和重放保护机制。虽然此 ECN 是基于当前行业最佳实践开发的，但需要从汽车角度进行审查和论证。

功能安全是另一个需要深入研究的方面。PCIe 已经提供了一套安全机制，从各种 CRC、重放机制到具有各种报告机制的事务检查。产品在开发时就已经考虑到了安全性，并且适用于不同的安全级别。系统级分析将显示 PCIe 提供的机制是否足够，这在很大程度上取决于用例。

还缺少什么？

我认为，目前缺少的是汽车制造商创新驱动力的积极参与。从历史上看，我们知道让他们参与这些标准化活动总是很困难。目前正在考虑一些创新解决方案，以允许他们提供意见，而无需复杂的知识产权法规和反垄断谈判。

瑞萨电子的贡献

瑞萨电子自成立之初就是 PCI-SIG 的成员，并积极参与标准开发，这体现在瑞萨电子为工业和汽车领域提供的产品中。产品范围涵盖时钟发生器、重定时器和集成交换机、根复合体和端点功能的处理器。

当汽车工作组宣布成立时，我们很快决定加入，目的是继续为客户提供支持，推动新时代的标准化发展。该工作组成立于 2021 年 3 月，截至目前，尚未就 PCIe 标准需要进行哪些增强做出切实的结论。我们致力于 PCIe 以及客户对汽车行业新应用所要求的创新变革。必要的增强将反映在我们的 PCIe 产品系列中。

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