1. PCIe 走向汽車

我相信每個對技術和計算機科學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、散熱器和風扇的大 PCB 之外，您可能已經(jīng)認識到通常位于外殼后部垂直的擴展槽。這些是遵循 CEM（卡機電）規(guī)范的最流行外形的 PCI Express? （PCIe?） 擴展插槽。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 和超級計算機一樣，PCIe 是最傳統(tǒng)的 I/O 連接，用于擴展需要可靠高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。PCIe 是同樣成功的 PCI 和 PCI-X 標準的繼承者。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。在上個世紀末，同步并行總線的限制已經(jīng)導致許多并行接口消失并改為串行傳輸機制。這種轉(zhuǎn)變的一個例子是打印機也非常流行的 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)置可靠傳輸機制”，這意味著硬件保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包確實到達了它們應該去的地方。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。包和事務的內(nèi)置錯誤檢測和糾正機制進一步提高了數(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并簡單地構建甚至復雜的系統(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)是超級計算機領域的計算能力”，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程訪問數(shù)據(jù)，而無需遠程端的處理器交互。

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

用例 1：擴展計算處理

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。應用領域可以從高分辨率顯示處理到圖像識別再到神經(jīng)網(wǎng)絡應用。PCIe 允許構建具有可擴展性和虛擬化功能的模塊化處理架構。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

這也屬于當前 PCIe 應用的領域。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)境中運行的存儲技術是現(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、傳輸和存儲的保護和保密規(guī)定。

用例 3：數(shù)據(jù)主干

從關鍵字來看，這也是一個常見的 PCIe 用例，但環(huán)境條件不同。在當前基于 PC 的用例中，兩個 PCIe 設備之間的距離與車輛中的 ECU 相比相當小。PCIe 標準沒有規(guī)定最大電纜長度。當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)是一個非常關鍵的因素。有專有的物理層解決方案可用，允許更遠的距離，如 HDBaseT。在這一點上，PCIe 與其他現(xiàn)有的網(wǎng)絡解決方案競爭。

用例 4：連接性

例如，此用例涵蓋網(wǎng)關 ECU 和遠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。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)和多供應商可用性等技術方面，PCIe 還具有既定的合規(guī)性測試和認證程序。標準化解決方案是汽車行業(yè)最受青睞的技術，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的進一步發(fā)展。

技術的成熟度和可持續(xù)性是該行業(yè)的關鍵。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 技術的正確步驟。另一方面，技術發(fā)展很快，通常比任何標準化活動都快。與其嘗試標準化已經(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用領域。

1.3 PCIe 準備好用于汽車了嗎？

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

由英特爾和英偉達領導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)絡架構師、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)有非常嚴格的要求和測試程序來檢查噪音和 EMI。這些都需要在 PCIe 認證和資格認證過程中采用。并且產(chǎn)品需要通過 AEQ-100 等汽車標準認證廣泛使用?？梢詽M足 3 級或 2 級的產(chǎn)品種類繁多，1 級（最高 125°C）設備的選項數(shù)量變得很少。

安全性是一項關鍵要求，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 的擴展（工程變更通知 - ECN）可用，可確保事務層數(shù)據(jù)包的機密性、完整性和重放保護機制。盡管此 ECN 是根據(jù)當前行業(yè)最佳實踐開發(fā)的，但它需要從汽車的角度進行審查和論證。

功能安全是另一個需要深入研究的方面。PCIe 已經(jīng)提供了一套安全機制，從各種 CRC、重放機制到具有各種報告機制的事務檢查。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 提供的機制是否足夠，這強烈依賴于用例。

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準化活動總是很困難。目前正在考慮一些創(chuàng)新的解決方案，讓他們無需復雜的知識產(chǎn)權章程和反壟斷談判即可提供意見。

1.5 瑞薩貢獻

瑞薩電子自早期就是 PCI-SIG 的成員，并積極參與標準制定，這反映在瑞薩電子為工業(yè)和汽車領域提供的產(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、根復合體和端點功能的處理器。

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

審核編輯：郭婷