车载以太网协议的架构

无论是软件定义汽车还是分布式汽车ECU或者自适应Autosar，车载以太网离不开智能汽车时代的基本技术。对于硬件工程师来说，车载以太网的物理和交换机是他们最关心的芯片，这也是利润率远远超过高计算能力芯片的领域，基本上被欧美企业垄断。

上图为以太网7层OSI我们经常提到模型和标准分布图TSN或EAVB，很少有人提到物理标准。因为绝大多数工程师不会处理物理。

很多人都在谈论域控制器、服务导向架构、分布式计算或软件定义汽车，但他们不知道关键的1G2020年，车载以太网物理芯片SOP，去年刚刚完成了多G带宽车载以太网物理标准，SOP大约需要一年或两三年。没有这个芯片，任何域控制器、服务导向架构、分布式计算或软件定义都是空中楼阁。

全面使用域控制器、服务导向架构、分布式计算或软件定义汽车需要以太网作为骨干网络，即多G以太网，第一个支持多G车载以太网物理芯片于2020年11月正式推出，大规模生产估计到2021年底或2022年初，也可能到2022年底。单域控制器的使用离不开1G车载以太网物理层芯片，1G2019年，车载以太网物理层芯片量产。

首先，为什么要独立制定车载以太网物理标准？沿用传统的以太网物理不是更好吗？

传统以太网与车载以太网最大的区别在于，传统以太网需要2-4对线，车载以太网只需要一对，而且是非屏蔽的。只有这一个可以降低70-80%的连接器成本和30%的重量。这是车载以太网诞生的主要原因。同时也是为了满足车内需求EMC电磁干扰。

常见的汽车传输界面特性清单。
车载以太网四个物理标准雄心勃勃，10Base-T1S试图取代传统CAN网络。Base-T1标准的物理层芯片是Marvell的88Q虽然2112年10月推出，但2019年才量产，英伟达旗舰盒等典型应用Pegasus。

最新的特斯拉HW3.0使用Marvell的88EA1512是20年前传统的以太网物理标准。2020年10月，Marvell第三代产品实际上是88Q2112有两代，第一代没有量产，只占第一位。Marvell第三代型号是88Q222xM。

第三代特别增加对Open Alliance TC用于睡眠模式和唤醒。能满足最严格的要求ASIL-D级标准，在AEC-Q100温度达到1级标准，即最高可承受125°高温，物理芯片通常是2级标准，即105°高温。除了Marvell，还有德州仪器，博通可以提供1万Base-T物理层芯片芯片。台湾Realtek有支持1000Base-T交换机芯片的标准物理层。

博通在NGBase-T2020年11月，博通宣布推出物理芯片领域。BCM8989X 和BCM8957X，BCM8989X是业内第一对应NGBase-T1（即IEEE 802.3ch）标准的MACsec 到目前为止，博通是唯一能提供物理芯片的芯片NGBase-T芯片制造商。BCM8957X行业第一支持10Mbps 到10Gbps速率的L2/L三级车载以太网交换机芯片。特斯拉与博通在下一代FSD芯片上有合作，但不太可能嵌入多G物理层FSD因为物理芯片通常是独立的。还有一个IEEE 802.3cy，也就是10G以上车载以太网物理标准分别支持25、50和100G。

IEEE车载以太网物理基本上都是复制的OPEN Alliance的标准，OPEN Alliance汽车行业和技术联盟是非盈利的，旨在鼓励以太网作为汽车联网的标准。OPEN Alliance成员单位利用以太网的可扩展性和灵活性，实现车联网的低成本通信，降低通信的复杂性。以太网通信网络也是未来自动驾驶和智能网络汽车功能的重要组成部分。自成立以来，OPEN Alliance成员单位已增加到近400个。

10BASE-T1S即IEEE 802.3cg也就是 OPEN Alliance 的TC14 ，100BASE-T1即IEEE802.3bw也就是OPEN Alliance TC1，100/1000BASE-T1 ECU测试标准即OPEN Alliance的TC8， 1000BASE-T1即IEEE802.3bp也就是OPEN Alliance 的TC12，2.5/5/10GBASE-T1即IEEE802.3ch也就是OPEN Alliance 的TC15标准。

OPEN Alliance有18家发起(Promote)2011年11月，宝马、博通和NXP成立OPEN Alliance，后来还有Marvell（原是Adopter会员、通用、丰田、沃尔沃、大众、捷豹路虎、现代、博世、瑞萨、大众、雷诺(曾经，目前退出)、大陆汽车、奔驰(曾经是，现在退出)、三星哈曼(曾经是，现在退出)、现代和中国台湾瑞宇(曾经是，现在退出)。Promoter会员单位只能有个原始邀请才能成为Promoter会员单位。

此外，每年可以支付1500美元Adopter会员，其中包括20家中国企业（可能有遗漏），北汽、北京汽车研究院、北汽福田、华晨汽车、一汽集团、航盛电子等20家中国企业HTC、惠州华阳、豪恩、恒润科技、东软、宁波卡倍亿、泛亚汽车、台湾和硕、沈阳东信创智、深圳鹏毅实业、台湾凌阳创新、台湾凌阳科技、信利光电、信利半导体。虽然IEEE但定了标准，但车载以太网ECU测试标准是OPEN Alliance制定的。虽然IEEE但定了标准，但车载以太网ECU测试标准是OPEN Alliance制定。涵盖了行业内所有有影响力的企业。

物理标准分为三层，即PCS、PMA和PMD。

PMA更关键，变化更多。PCS子层负责3B2T(千兆车载以太网)可以编码GMII口接收到的8位并行数据转换为10位并行数据输出。由于10比特数据可以有效降低直流分量和误码率B2T编码方便提取数据中的时钟和启动同步。可以把PCS两头看成GMII接口和TBI接口。PMA进一步将子层PCS子层的编码结果传输到各种物理媒体，主要负责串并转换。PCS层以125M将10位代码并行传输到PMA层，由PMA层转换为1.25Gbps发送串行数据流，实际得到1Gbps千兆以太网传输速率。可以把PMA子层看子层两端TBI接口和SGMII接口。PMD子层将完成各种实际物理媒体的接口，并完成真正的物理连接。

担心是非屏蔽单对线RF泄露，因此美国FCC对此类产品进行检验。直到2021年2月，泰科才，直到2021年2月，泰科才首次推出满意度IEEE 802.3ch MultiGBASE-T1标准车载以太网测试系统。

全双工通信及 PAM3 信令是在现实世界条件下验证的 ECU 复杂性增加。大多数串行标准在单工模式下工作，一次只有一个设备通信。有些通信标准使用单独的链接发送和接收，而在汽车以太网中，主要设备和从设备可以通过同一链接同时通信。因此，自主设备的信号与自主设备的信号叠加。主设备知道它发送什么数据，它可以从叠加的信号中确定设备的信号，反之亦然。虽然收发机是为处理这种情况而设计的，但几乎不可能在示波器上隔离信号，测试信号完整性或解码协议。

测试需要昂贵的硬件和软件，以及足够强的学习能力，很少有人熟悉这个领域。开发后期需要频繁的测试和调整，几乎不可能租用一套设备进行测试。像高带宽示波器这样的硬件很贵，13G示波器，大约200万元，硬件工程师得到一个，不仅买一个，110G示波器的价格是百万美元。一旦G带宽上升，频谱仪、射频信号源和网络分析仪的价格就是数百万元。

主要测试内容如上表所示。物理芯片是一个技术门槛很高的领域，世界上只有NXP、博通、Marvell、瑞昱、Microchip、六种德州仪器可以完成，因为物理芯片是模拟领域。物理芯片在发送数据时收到MAC过来的数据(对于物理芯片来说，没有帧的概念，无论地址、数据还是数据，都是数据。CRC），每4bit就增加1bit检错码，然后将并行数据转换为串行流数据，然后按照物理层的编码规则(10Based-T的NRZ编码或100based-T曼彻斯特编码)将数据编码，然后将数据发送到模拟信号。

在线是模拟信号还是数字信号？答案是模拟信号，因为它通过模拟技术传输和接收。虽然它传输的信息是数字的，但它不是数字的。

众所周知，模拟IC处理的信号是连续的，可以转换为正弦波研究，而数字IC脉冲方波处理非连续信号。模拟电路更注重经验，设计门槛高，学习周期10-15年；数字电路EDA辅助工具，2-3年的学习周期。模拟IC强调高信噪比、低失真、低功耗、高可靠性和稳定性。一旦产品达到设计目标，就具有长期的生命力，模拟生命周期超过30年IC产品不少。比如操作放大器NE5532，生命周期超过50年，仍在使用。

数字IC多采用低压CMOS模拟过程IC少采用CMOS工艺IC其他元件通常需要输出高电压或大电流来驱动CMOS工艺驱动能力差。另外，模拟IC最关键的是低失真和高信噪比，这两者都是在高电压下比较容易做到的。而CMOS工艺主要用于5V以下低压环境，并继续向低压方向发展。

数字电路没有噪音和失真，数字电路设计师根本不需要考虑这些因素。此外，由于工艺技术的限制，模拟电路设计应尽可能少地使用或不使用电阻和电容器，特别是高电阻和大容量电容器，以提高集成度和降低成本。某些射频IC还必须考虑电路板的布局，这是数字IC不需要考虑设计。因此模拟IC的设计者必须熟悉几乎所有的电子元器件特性，非15年以上经验不可。

另一个门槛是CDR，即时钟数据恢复，对于高速串行总线，一般通过数据编码将时钟信息嵌入传输数据流，然后在接收端通过时钟恢复提取时钟信息，并采集数据，因此时钟恢复电路对高速串行信号的传输和接收至关重要。

对于高速串行总线，时钟信息通常通过数据编码嵌入到传输的数据流中，然后通过时钟恢复在接收端提取时钟信息，并用这个恢复的时钟取样数据时钟恢复电路对于高速串行信号的传输和接收至关重要。

CDR接口的主要设计挑战是抖动，即实际数据传送位置相对于所期望位置的偏移。总抖动(TJ)由确定性抖动(DJ)和随机抖动(RJ)组成。大多数抖动是确定的，其分量包括码间干扰、串扰、占空失真和周期抖动(例如来自开关电源的干扰)。而随机抖动是半导体发热问题的副产品，无法科学预测，只能凭经验猜测。传送参考时钟、传送PLL、串化器和高速输出缓冲器都对会传送抖动造成影响。一般来说对低频的抖动容忍度很高，PLL电路能够很好地跟踪，恢复出来的时钟和被测信号一起抖动。高频比较麻烦，要设置PLL电路过滤掉，如何设置，没有电脑辅助，全靠经验，没有15年左右的经验是做不好的。