联网汽车中的PCIe应用

电子产品正在征服我们的生活——我们的家庭、办公室和汽车越来越依赖电子元件来提供我们所期待的服务和体验。自 1947 年推出半导体以来，采用速度呈指数级增长，我们真正生活在一个计算机化的世界中。

电子革命在汽车行业尤为引人注目。1930 年代，汽车中的第一个电子元件与无线电系统有关，最终结合了更多元素来优化汽车，例如交流发电机、制动系统、发动机管理等。

2018 年，车辆现在是名副其实的带轮数据中心。为了应对当今汽车中越来越多的设备、功能和服务，最先进的车型通常配备 100 多个电子控制单元 （ECU）。这个数字将继续增长，以实现完全连接的自动驾驶汽车。

这些 ECU 连接许多摄像头、传感器、雷达、激光雷达和显示器，以满足汽车的信息娱乐和 ADAS（高级驾驶辅助系统）需求。随着我们向全自动驾驶汽车迈进，车载电子和连接基础设施的风险变得极其复杂和昂贵。

车载连接的挑战

今天的联网汽车需要的不仅仅是高容量的 ECU。他们需要固态驱动器 （SSD）、微控制器 （MCU） 以及连接众多设备和相关处理单元所需的线束。最终的问题是如何提供所有预期的功能，同时最大限度地利用各种处理器，同时减少电缆的体积和重量。

答案在于不同组件之间要使用的传输协议。尽管“联网汽车”是一个相对较新的概念，但我们车内的联网却不是。事实上，几十年来，我们的汽车已经配备了能够在车内传输数据的连接技术。但是，其中大多数都集中在需要低带宽的应用程序上。MOST 和 CAN 总线等技术仍然在当今的汽车中发挥作用，因为并非每个系统都需要高速连接。

随着车辆信息娱乐系统变得越来越复杂，并且随着我们越来越接近自动驾驶汽车，我们越来越依赖 ADAS，这些技术无法提供这些更新、更先进的应用程序所需的高带宽和可靠性。引入了其他技术，例如 SerDes（串行器-解串器）和汽车以太网，以满足高带宽传输的特定需求。

汽车以太网大大提高了数据传输速率，近期有望达到 1 Gbit/s。SerDes 可以提供更高的带宽，但依赖于更昂贵和笨重的电缆，并且其数据传输高度不对称。但即使是这些更高的速率也不足以解决连接完全连接和自动驾驶汽车中的许多摄像头、传感器和显示器所需的带宽。

HDBaseT Automotive 是一种技术，可通过一根非屏蔽双绞线 （UTP） 电缆实现不同本地接口的双向多千兆传输和融合，从而减少电缆的体积和重量。即使在嘈杂的汽车环境中，HDBaseT Automotive 也能以接近零的延迟和 EMC 稳健性传输时间敏感数据，例如音频和超过 15 m。

PCIe 的区别

HDBaseT Automotive 带来了另一个主要区别：在同一链路上扩展 PCIe 接口。PCIe 或 Peripheral Component Interconnect Express 是一种计算机扩展卡标准，用于在主板级别连接不同设备，从而实现更快的数据交换。尽管今天在汽车中使用，但 PCIe 受到技术限制，它支持的最大距离仅为几厘米。

这意味着设备和不同的 ECU 必须在物理上彼此相邻放置，从而在已经负担过重的环境中限制了架构的灵活性。它还导致 ECU 和 SSD 的激增，以克服传输信息娱乐和 ADAS 数据时的距离限制。

HDBaseT Automotive 解决了这个问题。通过将原生 PCIe 接口扩展到电路板边界之外的 15m，HDBaseT 为汽车制造商在 ECU 的放置位置、如何将 CPU 连接到 CPU 以及提供冗余方面提供了更大的灵活性。它还可以高效地将电信单元 （TCU） 连接到主机和网关，并且无需额外的存储设备。例如，通过扩展 PCIe，一个中央 SSD 可以连接到分布在车辆周围的多个 ECU。

Valens 的 HDBaseT 汽车 PCIe 桥允许 ECU 之间的快速通信，节省电力和空间，具有增强的稳健性、冗余和安全性。PCIe 还支持新架构，例如环形拓扑，具有用于 ECU 到 ECU 连接的内置冗余，或用于资源优化的传感器集群。

PCIe 只是另一种可以通过 HDBaseT 链路进行隧道传输的原生接口。HDBaseT 还支持视频（DSI、DP/eDP、oLDI、CSI2）、音频（I 2 S、TDM）、数据（以太网、PCIe、USB）、控制（I 2 C、I3C、UART）的不同接口的传输， 和电源 （PoDL） 通过同一根电缆。通过在同一链路上汇聚多个接口，HDBaseT Automotive 可以消除额外的电缆并优化车载连接基础设施。归根结底，HDBaseT 是一种网络技术，旨在支持联网汽车的高速骨干网。

通过扩展 PCIe，HDBaseT Automotive 能够：

分布式计算能力，在 ECU 布局上具有更大的灵活性

节省设备。一个中央 SSD 可以连接到车内分布的所有 ECU，一个调制解调器可以代替一个 TCU，因为它可以连接到一个集中的高计算平台 （HCP） 以进行资源优化

ECU之间的快速通信，节省电力和空间

增强的稳健性、冗余和安全性

汽车用例

扩展 PCIe 信号的能力可用于车辆中的不同场景。例如：

共享存储。无需在每个 HCP 旁边放置 SSD，因为中央 SSD 可以提供所有汽车计算需求所需的所有内容。

远程 TCU 连接。智能天线必须连接到 TCU，以处理从云端接收的数据。如今，TCU 必须放置在智能天线附近或旁边。通过 PCIe 扩展，TCU 的放置位置更加灵活。

分布式架构的连接性。随着汽车变得越来越复杂，连接不同 ECU 的能力带来了一些优势，包括冗余和可靠性。

ADAS 传感器集群环。联网汽车中所需的传感器数量不断增加，可以连接到中央 ECU，从而减少不必要的设备，并优化汽车的网络架构。

带有 PCIe 开关的传感器/数据环。HDBaseT Automotive 连接不同的 ECU 和传感器集线器，通过环形拓扑带来固有的冗余和负载平衡。

PCIe 虚拟化

PCIe 虚拟化支持在多个设备之间共享资源，优化汽车的网络架构并支持其他用例。通过扩展 PCIe，HDBaseT Automotive 支持多个虚拟机和物理机之间的设备共享，同时提供故障转移机制以提高可靠性。此外，在具有不同主机、存储和网络设备的复杂汽车生态系统中，PCIe 允许端到端虚拟化。

虚拟化是在现有平台上持续部署服务的关键。需要以更高的频率更新软件以启用最新的应用程序。在汽车发货之前开发所有软件已不再可行，因此要求汽车中的电子设备具有面向未来的能力，以支持即将推出的软件系统，从应用程序到操作系统。使用 PCIe 虚拟化，该过程更简单、更直接。

审核编辑：郭婷