Autor: Goran Filimonovic, Toshiba Electronics Europe GmbH
El sector de la automoción está experimentando un importante cambio en la arquitectura informática utilizada en los vehículos. Este cambio tiene importantes implicaciones para las técnicas de conexión en red que utilizan los fabricantes de equipos originales para coordinar las numerosas funciones diferentes que requieren el control del software.
Los fabricantes están desplegando microprocesadores más avanzados para funciones de inteligencia artificial (IA) que mejoran la seguridad y el rendimiento de la conducción, y control avanzado para mejorar la eficiencia energética. Estos cambios están provocando un distanciamiento de los diseños convencionales en los que una unidad de control electrónico se dedica a cada función discreta. Los fabricantes de vehículos están adoptando arquitecturas zonales para aprovechar el alto rendimiento de los SoC multinúcleo. En estas arquitecturas, el vehículo se divide en varias zonas que se identifican por su ubicación y no por su función. Las aplicaciones, que van desde el control de la conducción a los servicios de infoentretenimiento, se distribuirán entre los procesadores de cada una de estas zonas.
Figura 1: En una arquitectura zonal, la mayor parte del procesamiento corre a cargo de ordenadores centrales, o controladores de alto rendimiento (HPC), conectados a través de Ethernet de automoción multigigabit a las unidades de control electrónico (ECU) de zona.
Para garantizar la fiabilidad y seguridad de los datos que circulan por el vehículo, todas las comunicaciones están mediadas por pasarelas zonales. Estas pasarelas ayudan a garantizar que los paquetes de baja prioridad, como los adjuntos de correo electrónico entregados a los pasajeros, no causen retrasos en los datos vitales en tiempo real necesarios para el frenado o el control de cambio de carril. Por este motivo, las redes de automoción empleadas en arquitecturas zonales han pasado a formas del estándar Ethernet que imponen un comportamiento en tiempo real.
Las propias pruebas de Toshiba han demostrado lo importantes que son para los sistemas de automoción los cambios introducidos con las mejoras de las redes sensibles al tiempo (TSN) en comparación con el diseño de mejor esfuerzo de Ethernet tradicional. Para demostrar un entorno de pruebas realista, los ingenieros de Toshiba construyeron una red que emulaba el comportamiento de un nodo de almacenamiento conectado por Ethernet a controladores WiFi utilizados para implementar la base de un punto de acceso inalámbrico en el vehículo. El código implementado en los SoC anfitriones se diseñó para emular las aplicaciones típicas en automoción: una pasarela zonal; transmisión de audio y vídeo; compatibilidad con puntos de acceso inalámbricos; y transferencias masivas de almacenamiento.
Figura 2: Diseño de red utilizado para probar las propiedades de TSN
Para mejorar el comportamiento en tiempo real de la red, las extensiones TSN a Ethernet comprenden una serie de opciones que mejoran la calidad del servicio (QoS) y hacen posibles diversas arquitecturas en tiempo real. El núcleo de TSN reside en IEEE 802.1AS, también conocido como Protocolo de Tiempo de Precisión Generalizado (gPTP – Generalized Precision Time Protocol).
Al proporcionar un mecanismo para garantizar que todos los nodos de una red Ethernet puedan coincidir en una hora común, dentro de un cierto grado de error, gPTP proporciona la base para una variedad de protocolos que imponen la entrega puntual de paquetes. En lugar de exigir el uso de relojes de alta precisión en cada nodo en comunicación, gPTP permite a los dispositivos de los extremos simplemente acordar una hora local común y hacerlo con una precisión de submicrosegundos.
El protocolo resuelve los problemas a los que se enfrentan los controladores en el entorno del automóvil, donde las diferencias de voltaje, temperatura y otras condiciones pueden hacer que los relojes se distancien entre sí. Al mantener la concordancia entre nodos, gPTP garantiza que todos los controladores de la red se pongan de acuerdo en una línea de tiempo coherente.
Con una cronología común, los controladores de la red pueden configurar el tráfico y programar los paquetes en función de la hora. La idea que subyace a la conformación del tráfico es evitar que los paquetes con limitaciones de latencia se vean afectados por paquetes que pueden entregarse sobre la base del mejor esfuerzo. Los nodos acuerdan y aplican límites de tiempo para la entrega de paquetes con una latencia de transmisión de extremo a extremo conocida. Paquetes sensibles al tiempo – nodo emisor
El IEEE 802.1Qbv impone planificaciones estrictas para el tráfico sensible al tiempo. El planificador utilizado por IEEE 802.1Qbv asigna ciclos periódicos para acomodar intervalos de tiempo de duración fija, cada uno de los cuales se asigna a un nivel de prioridad. A una aplicación que opera con la prioridad correspondiente se le concede el uso exclusivo de la red durante la duración de ese intervalo de tiempo. Las colas de tráfico Best-Effort permiten acceder a los periodos en los que no se transmite ningún paquete de mayor prioridad.
Las extensiones IEEE 802.1Qbu e IEEE 802.3br mejoran aún más el comportamiento en tiempo real e implementan la posibilidad de que un nodo interrumpa el envío de un paquete largo de baja prioridad e inserte en su lugar uno o varios paquetes con prioridad temporal antes de reanudar la transmisión de los datos originales. Los protocolos difieren en la forma en que se dirigen a las distintas capas de la pila Ethernet. Mientras que IEEE 803.2br es un estándar de capa física, 802.1Qbu opera en la capa de control de acceso al medio (MAC) y se utiliza para gestionar el adelantamiento de tramas según las políticas de red y de prioridad de tráfico.
Los diseñadores de sistemas no necesitan dividir todo el tráfico en mejor esfuerzo y programación estricta. El conformador de tráfico basado en créditos se introdujo con el estándar IEEE 802.1Qav puede utilizarse para enviar paquetes que necesitan una mejor gestión de los datos sensibles al tiempo pero en los que no se requieren garantías de temporización estrictas. Los nodos pueden utilizar este sistema basado en créditos, por ejemplo, para enviar fotogramas de vídeo en los que la latencia de extremo a extremo no es crítica y, por tanto, tienen menor prioridad que los datos de sensores de misión crítica que emplean los cortes temporales basados en prioridad IEEE 802.1Qbv.
El problema al que se enfrentan los OEM de automoción a la hora de crear redes para las arquitecturas zonales de sus últimos vehículos es que, aunque los SoC sean compatibles con Ethernet estándar, no poseen las capacidades adicionales de TSN. Además, aunque es importante que las pasarelas zonales admitan TSN, muchos otros puntos finales también tendrán estrictos requisitos de tiempo real que no se pueden admitir conectándose a una pasarela a través de una interfaz que no sea TSN. Por ejemplo, los dispositivos de audio, como los controladores de micrófono y los concentradores de sensores, pueden tener soporte Ethernet convencional, pero necesitarán poder negociar en la red franjas horarias basadas en créditos o de tiempo crítico.
Las capacidades TSN puede pueden proporcionarse mediante el uso de interfaces Ethernet en tiempo real dedicadas, como las TC9562 y TC9563 de Toshiba. Ambos son controladores Ethernet altamente integrados con total compatibilidad con gPTP, IEEE 802.1Qav, IEEE 802.1Qbv y otros elementos necesarios para unas comunicaciones en tiempo real fiables en las que el gran ancho de banda es un requisito clave. El TC9562 es compatible con Ethernet de 1 Gbps, lo que lo hace idóneo para puntos finales que necesitan gran capacidad de ancho de banda. El TC9563 amplía la capacidad de red a dos puertos, ambos capaces de soportar 10 Gbps.
Además de las dos interfaces Ethernet, el TC9563 incorpora un procesador Arm Cortex-M3 que permite ejecutar software de supervisión y control. Este software puede utilizarse para supervisar los errores y las condiciones de la red con el fin de mejorar la fiabilidad general. Para admitir clústeres conectados localmente de sensores avanzados y módulos informáticos, el TC9562 implementa una interfaz PCIe Gen 2.0 y el TC9563 incorpora un conmutador PCIe compatible con un puerto Gen 3.0 de subida y dos de bajada.
Los servicios que necesitan la potencia de los SoC de alto rendimiento para ofrecer control mejorado por IA y multimedia superior, sólo son posibles si las aplicaciones pueden confiar en que los paquetes se entregan dentro de las ventanas de tiempo programadas. Las mejoras TSN de Ethernet sientan las bases de este comportamiento. Su implementación en dispositivos como los TC9562 y TC9563 de Toshiba garantizan que los fabricantes de equipos originales y los integradores de sistemas tengan acceso al soporte TSN que necesitarán para implementar estos diseños de vehículos avanzados.
