1. PCIe 走向汽車

我相信每個對技術(shù)和計算機(jī)科學(xué)感興趣的人都至少打開過一次他的個人電腦來檢查里面的實際情況。除了上面帶有 CPU、散熱器和風(fēng)扇的大 PCB 之外，您可能已經(jīng)認(rèn)識到通常位于外殼后部垂直的擴(kuò)展槽。這些是遵循 CEM（卡機(jī)電）規(guī)范的最流行外形的 PCI Express? （PCIe?） 擴(kuò)展插槽。對于不同的目的，還有其他不同尺寸的外形尺寸可供選擇。例如用于連接 SSD 或其他存儲設(shè)備的 PCI Express M.2 或 U.2 連接器或用于電纜連接的 OCuLink 插頭。對于您的家用 PC 和超級計算機(jī)一樣，PCIe 是最傳統(tǒng)的 I/O 連接，用于擴(kuò)展需要可靠高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。PCIe 是同樣成功的 PCI 和 PCI-X 標(biāo)準(zhǔn)的繼承者。PCIe 與其前身之間的主要區(qū)別之一是，今天的數(shù)據(jù)傳輸是以串行方式完成的，而以前是以并行形式完成的。在上個世紀(jì)末，同步并行總線的限制已經(jīng)導(dǎo)致許多并行接口消失并改為串行傳輸機(jī)制。這種轉(zhuǎn)變的一個例子是打印機(jī)也非常流行的 Centronics 接口 （IEEE 1284）。

圖1 PCIe帶寬演變數(shù)據(jù)

PCIe 可以被視為最成功和最成熟的 I/O 互連，它不僅提供高速帶寬，而且提供可靠的傳輸機(jī)制。自 2003 年首次發(fā)布以來，平均帶寬每 3 年翻一番，始終保持向后兼容性。目前，PCIe 第 6 代（PCIe gen 6）已開發(fā)完成。在這里解釋這個新版本的功能和發(fā)展是錯誤的。如果您對此感興趣，我建議您觀看由 PCI-SIG Board 的 Debendra Das Sharma 制作的視頻，該視頻介紹了主要創(chuàng)新。

帶寬是使 PCIe 流行的一件事。PCIe 具有所謂的“內(nèi)置可靠傳輸機(jī)制”，這意味著硬件保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包確實到達(dá)了它們應(yīng)該去的地方。這與以太網(wǎng)提供的使用“即發(fā)即棄”原則的情況不同。如果您對傳輸?shù)亩说蕉吮ｋU感興趣，則必須使用軟件驅(qū)動的傳輸協(xié)議，這會增加延遲并需要 CPU 性能。包和事務(wù)的內(nèi)置錯誤檢測和糾正機(jī)制進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。因此，PCIe 在硬件級別上關(guān)注有保證的包交付和必要時的重新傳輸。

PCIe 的另一項資產(chǎn)是現(xiàn)有的 ECO 系統(tǒng)。市場上有無數(shù)的 PCIe 設(shè)備。所有需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臇|西，從 Wi-Fi 芯片到 4G 和 5G 調(diào)制解調(diào)器、顯卡和存儲設(shè)備。與軟件、包分析器、工具和合規(guī)程序一起，PCIe 使開發(fā)人員可以輕松地使用該技術(shù)并簡單地構(gòu)建甚至復(fù)雜的系統(tǒng)。

PCIe 不斷發(fā)展，并在 PCI 特別興趣小組 （PCI-SIG） 中獲得業(yè)界的支持，在各個工作組中開發(fā)和維護(hù)規(guī)范。2021年初成立的汽車工作組是PCI-SIG家族的最新成員。

1.1 為什么 PCIe 對汽車感興趣？

圖 2 汽車用例

“隨著駕駛員輔助系統(tǒng)和自動駕駛的出現(xiàn)，我們現(xiàn)在看到汽車需要曾經(jīng)是超級計算機(jī)領(lǐng)域的計算能力”，PCI-SIG 副總裁 Richard Solomon 說。即使在沒有這些新功能的型號中，PCIe 也已用于高端信息娛樂系統(tǒng)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)存儲或作為 4G 或 GNSS 調(diào)制解調(diào)器的連接解決方案。

與汽車行業(yè)中使用的其他通信協(xié)議相比，PCIe 使用完全不同的通信范例。以太網(wǎng)、CAN 和 LIN 使用典型的面向發(fā)送器/接收器包的方法，其中發(fā)送器 CPU 將信息打包到傳輸協(xié)議中，而接收器解包。PCIe 中基于 DMA 的訪問方法允許處理器直接遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)，而無需遠(yuǎn)程端的處理器交互。

PCI-SIG 確定了 PCIe 可能與汽車行業(yè)相關(guān)的 4 個用例。下面列出的用例都在 PCIe 的現(xiàn)有關(guān)鍵域中。需要弄清楚的是，PCIe 在汽車運(yùn)行環(huán)境中的服務(wù)效果如何。

用例 1：擴(kuò)展計算處理

這個用例是一個非常傳統(tǒng)的 PCIe 用例，其中 PCIe 用于 ECU 內(nèi)部的芯片到芯片通信。應(yīng)用領(lǐng)域可以從高分辨率顯示處理到圖像識別再到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。PCIe 允許構(gòu)建具有可擴(kuò)展性和虛擬化功能的模塊化處理架構(gòu)。通過向 PCIe 接口添加額外的通道，可以提高數(shù)據(jù)交換率，而無需更改整個應(yīng)用程序。借助此功能，無需大量處理器交互即可實現(xiàn)高傳輸率。虛擬化支持和 SRIOV 和 ATS 等擴(kuò)展功能為開發(fā)人員提供了手頭的工具，這些工具也涵蓋了安全和安保方面。

用例 2：基于 PCIe 的存儲

這也屬于當(dāng)前 PCIe 應(yīng)用的領(lǐng)域。由于數(shù)據(jù)記錄的監(jiān)管要求，需要可靠的高速數(shù)據(jù)存儲。在汽車環(huán)境中運(yùn)行的存儲技術(shù)是現(xiàn)有的，并通過 PCIe 提供了一個易于使用的解決方案，具有較短的開發(fā) TAT。在存儲數(shù)據(jù)時，必須考慮處理、傳輸和存儲的保護(hù)和保密規(guī)定。

用例 3：數(shù)據(jù)主干

從關(guān)鍵字來看，這也是一個常見的 PCIe 用例，但環(huán)境條件不同。在當(dāng)前基于 PC 的用例中，兩個 PCIe 設(shè)備之間的距離與車輛中的 ECU 相比相當(dāng)小。PCIe 標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定最大電纜長度。當(dāng)今可用的電纜通常支持兩個距離為 5 到 7 米的 PCIe 接口之間的連接，而無需重新定時器（信號調(diào)節(jié)器設(shè)備）。聽起來很長，但仍不能始終滿足車內(nèi)所需的距離。這一切都表明，這個通信通道最初并不是為惡劣的汽車環(huán)境而設(shè)計的。添加重定時器可以增加距離，但也會增加整體系統(tǒng)成本，這在汽車行業(yè)是一個非常關(guān)鍵的因素。有專有的物理層解決方案可用，允許更遠(yuǎn)的距離，如 HDBaseT。在這一點上，PCIe 與其他現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)解決方案競爭。

用例 4：連接性

例如，此用例涵蓋網(wǎng)關(guān) ECU 和遠(yuǎn)程信息處理控制單元 （TCU） 之間的連接。這可以是芯片頂部芯片連接或長距離連接，具體取決于架構(gòu)。從需求的角度來看，這個用例是第一個和第三個用例的混合。

1.2 PCIe 為汽車提供什么？

PCI-SIG 希望為汽車行業(yè)提供額外的工具，不一定是新工具，以解決即將在車輛中處理的數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長的挑戰(zhàn)。

除了速度、生態(tài)系統(tǒng)和多供應(yīng)商可用性等技術(shù)方面，PCIe 還具有既定的合規(guī)性測試和認(rèn)證程序。標(biāo)準(zhǔn)化解決方案是汽車行業(yè)最受青睞的技術(shù)，因為它們保證了互操作性、行業(yè)內(nèi)多個參與者的支持，同時以某種方式保證了產(chǎn)品的長期可用性和該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

技術(shù)的成熟度和可持續(xù)性是該行業(yè)的關(guān)鍵。PCIe 已經(jīng)存在近 20 年，并打算在未來幾十年繼續(xù)存在。成立一個專門調(diào)查汽車行業(yè)未來需求的工作組是在車輛中穩(wěn)定使用 PCIe 技術(shù)的正確步驟。另一方面，技術(shù)發(fā)展很快，通常比任何標(biāo)準(zhǔn)化活動都快。與其嘗試標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)使用的內(nèi)容和行業(yè)最佳實踐，不如將重點放在未來的用例和應(yīng)用領(lǐng)域。

1.3 PCIe 準(zhǔn)備好用于汽車了嗎？

PCIe 已經(jīng)在車輛中使用，因此這個問題的第一個答案是“是”。

PCIe 是否準(zhǔn)備好通過可靠性要求、溫度范圍、噪聲、電纜長度來解決預(yù)期的未來用例，答案是“為了找出這一點，創(chuàng)建了 PCI-SIG 的汽車工作組”。

由英特爾和英偉達(dá)領(lǐng)導(dǎo)的汽車工作組將不同背景的公司和人員聚集在一起。有優(yōu)秀的 PCIe 專家、具有汽車背景的成員、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師、物理層專家和時序?qū)＜以噲D弄清楚 PCIe 在未來如何使用，以及在汽車行業(yè)使用 PCIe 可能會出現(xiàn)哪些挑戰(zhàn)和問題。

有幾個領(lǐng)域需要調(diào)查。首先，該地區(qū)的環(huán)境條件不同。汽車行業(yè)有非常嚴(yán)格的要求和測試程序來檢查噪音和 EMI。這些都需要在 PCIe 認(rèn)證和資格認(rèn)證過程中采用。并且產(chǎn)品需要通過 AEQ-100 等汽車標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證廣泛使用?？梢詽M足 3 級或 2 級的產(chǎn)品種類繁多，1 級（最高 125°C）設(shè)備的選項數(shù)量變得很少。

安全性是一項關(guān)鍵要求，尤其是對于暴露在封閉系統(tǒng)（如汽車線束）之外的通信接口。自 PCIe 第 5 代以來，PCIe 的擴(kuò)展（工程變更通知 - ECN）可用，可確保事務(wù)層數(shù)據(jù)包的機(jī)密性、完整性和重放保護(hù)機(jī)制。盡管此 ECN 是根據(jù)當(dāng)前行業(yè)最佳實踐開發(fā)的，但它需要從汽車的角度進(jìn)行審查和論證。

功能安全是另一個需要深入研究的方面。PCIe 已經(jīng)提供了一套安全機(jī)制，從各種 CRC、重放機(jī)制到具有各種報告機(jī)制的事務(wù)檢查。產(chǎn)品的開發(fā)已經(jīng)考慮到了安全性，并且可用于不同的安全級別。系統(tǒng)級分析將顯示 PCIe 提供的機(jī)制是否足夠，這強(qiáng)烈依賴于用例。

1.4 缺少什么？

在我看來，目前缺少的是汽車制造商創(chuàng)新驅(qū)動力的積極參與。從歷史上看，我們知道讓他們參與那些標(biāo)準(zhǔn)化活動總是很困難。目前正在考慮一些創(chuàng)新的解決方案，讓他們無需復(fù)雜的知識產(chǎn)權(quán)章程和反壟斷談判即可提供意見。

1.5 瑞薩貢獻(xiàn)

瑞薩電子自早期就是 PCI-SIG 的成員，并積極參與標(biāo)準(zhǔn)制定，這反映在瑞薩電子為工業(yè)和汽車領(lǐng)域提供的產(chǎn)品中。產(chǎn)品范圍涵蓋時鐘發(fā)生器、重定時器和具有集成開關(guān)、根復(fù)合體和端點功能的處理器。

當(dāng)宣布成立汽車工作組時，我們很快決定加入，目標(biāo)是繼續(xù)為我們的客戶提供支持，并推動這個新時代的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。該工作組成立于 2021 年 3 月，截至目前尚未明確結(jié)論需要對 PCIe 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行哪些增強(qiáng)。我們致力于 PCIe 和客戶對汽車行業(yè)新應(yīng)用所需的創(chuàng)新變革。必要的改進(jìn)將反映在我們的 PCIe 產(chǎn)品系列中。

審核編輯：郭婷