PCIe在汽车电子中的应用

1. PCIe 走向汽车

我相信每个对技术和计算机科学感兴趣的人都至少打开过一次他的个人电脑来检查里面的实际情况。除了上面带有 CPU、散热器和风扇的大 PCB 之外，您可能已经认识到通常位于外壳后部垂直的扩展槽。这些是遵循 CEM（卡机电）规范的最流行外形的 PCI Express® （PCIe®） 扩展插槽。对于不同的目的，还有其他不同尺寸的外形尺寸可供选择。例如用于连接 SSD 或其他存储设备的 PCI Express M.2 或 U.2 连接器或用于电缆连接的 OCuLink 插头。对于您的家用 PC 和超级计算机一样，PCIe 是最传统的 I/O 连接，用于扩展需要可靠高速数据传输的功能。PCIe 是同样成功的 PCI 和 PCI-X 标准的继承者。PCIe 与其前身之间的主要区别之一是，今天的数据传输是以串行方式完成的，而以前是以并行形式完成的。在上个世纪末，同步并行总线的限制已经导致许多并行接口消失并改为串行传输机制。这种转变的一个例子是打印机也非常流行的 Centronics 接口 （IEEE 1284）。

图1 PCIe带宽演变数据

PCIe 可以被视为最成功和最成熟的 I/O 互连，它不仅提供高速带宽，而且提供可靠的传输机制。自 2003 年首次发布以来，平均带宽每 3 年翻一番，始终保持向后兼容性。目前，PCIe 第 6 代（PCIe gen 6）已开发完成。在这里解释这个新版本的功能和发展是错误的。如果您对此感兴趣，我建议您观看由 PCI-SIG Board 的 Debendra Das Sharma 制作的视频，该视频介绍了主要创新。

带宽是使 PCIe 流行的一件事。PCIe 具有所谓的“内置可靠传输机制”，这意味着硬件保证传输的数据包确实到达了它们应该去的地方。这与以太网提供的使用“即发即弃”原则的情况不同。如果您对传输的端到端保险感兴趣，则必须使用软件驱动的传输协议，这会增加延迟并需要 CPU 性能。包和事务的内置错误检测和纠正机制进一步提高了数据传输的可靠性。因此，PCIe 在硬件级别上关注有保证的包交付和必要时的重新传输。

PCIe 的另一项资产是现有的 ECO 系统。市场上有无数的 PCIe 设备。所有需要高速数据传输的东西，从 Wi-Fi 芯片到 4G 和 5G 调制解调器、显卡和存储设备。与软件、包分析器、工具和合规程序一起，PCIe 使开发人员可以轻松地使用该技术并简单地构建甚至复杂的系统。

PCIe 不断发展，并在 PCI 特别兴趣小组 （PCI-SIG） 中获得业界的支持，在各个工作组中开发和维护规范。2021年初成立的汽车工作组是PCI-SIG家族的最新成员。

1.1 为什么 PCIe 对汽车感兴趣？

图 2 汽车用例

“随着驾驶员辅助系统和自动驾驶的出现，我们现在看到汽车需要曾经是超级计算机领域的计算能力”，PCI-SIG 副总裁 Richard Solomon 说。即使在没有这些新功能的型号中，PCIe 也已用于高端信息娱乐系统、导航数据存储或作为 4G 或 GNSS 调制解调器的连接解决方案。

与汽车行业中使用的其他通信协议相比，PCIe 使用完全不同的通信范例。以太网、CAN 和 LIN 使用典型的面向发送器/接收器包的方法，其中发送器 CPU 将信息打包到传输协议中，而接收器解包。PCIe 中基于 DMA 的访问方法允许处理器直接远程访问数据，而无需远程端的处理器交互。

PCI-SIG 确定了 PCIe 可能与汽车行业相关的 4 个用例。下面列出的用例都在 PCIe 的现有关键域中。需要弄清楚的是，PCIe 在汽车运行环境中的服务效果如何。

用例 1：扩展计算处理

这个用例是一个非常传统的 PCIe 用例，其中 PCIe 用于 ECU 内部的芯片到芯片通信。应用领域可以从高分辨率显示处理到图像识别再到神经网络应用。PCIe 允许构建具有可扩展性和虚拟化功能的模块化处理架构。通过向 PCIe 接口添加额外的通道，可以提高数据交换率，而无需更改整个应用程序。借助此功能，无需大量处理器交互即可实现高传输率。虚拟化支持和 SRIOV 和 ATS 等扩展功能为开发人员提供了手头的工具，这些工具也涵盖了安全和安保方面。

用例 2：基于 PCIe 的存储

这也属于当前 PCIe 应用的领域。由于数据记录的监管要求，需要可靠的高速数据存储。在汽车环境中运行的存储技术是现有的，并通过 PCIe 提供了一个易于使用的解决方案，具有较短的开发 TAT。在存储数据时，必须考虑处理、传输和存储的保护和保密规定。

用例 3：数据主干

从关键字来看，这也是一个常见的 PCIe 用例，但环境条件不同。在当前基于 PC 的用例中，两个 PCIe 设备之间的距离与车辆中的 ECU 相比相当小。PCIe 标准没有规定最大电缆长度。当今可用的电缆通常支持两个距离为 5 到 7 米的 PCIe 接口之间的连接，而无需重新定时器（信号调节器设备）。听起来很长，但仍不能始终满足车内所需的距离。这一切都表明，这个通信通道最初并不是为恶劣的汽车环境而设计的。添加重定时器可以增加距离，但也会增加整体系统成本，这在汽车行业是一个非常关键的因素。有专有的物理层解决方案可用，允许更远的距离，如 HDBaseT。在这一点上，PCIe 与其他现有的网络解决方案竞争。

用例 4：连接性

例如，此用例涵盖网关 ECU 和远程信息处理控制单元 （TCU） 之间的连接。这可以是芯片顶部芯片连接或长距离连接，具体取决于架构。从需求的角度来看，这个用例是第一个和第三个用例的混合。

1.2 PCIe 为汽车提供什么？

PCI-SIG 希望为汽车行业提供额外的工具，不一定是新工具，以解决即将在车辆中处理的数据呈指数增长的挑战。

除了速度、生态系统和多供应商可用性等技术方面，PCIe 还具有既定的合规性测试和认证程序。标准化解决方案是汽车行业最受青睐的技术，因为它们保证了互操作性、行业内多个参与者的支持，同时以某种方式保证了产品的长期可用性和该技术的进一步发展。

技术的成熟度和可持续性是该行业的关键。PCIe 已经存在近 20 年，并打算在未来几十年继续存在。成立一个专门调查汽车行业未来需求的工作组是在车辆中稳定使用 PCIe 技术的正确步骤。另一方面，技术发展很快，通常比任何标准化活动都快。与其尝试标准化已经使用的内容和行业最佳实践，不如将重点放在未来的用例和应用领域。

1.3 PCIe 准备好用于汽车了吗？

PCIe 已经在车辆中使用，因此这个问题的第一个答案是“是”。

PCIe 是否准备好通过可靠性要求、温度范围、噪声、电缆长度来解决预期的未来用例，答案是“为了找出这一点，创建了 PCI-SIG 的汽车工作组”。

由英特尔和英伟达领导的汽车工作组将不同背景的公司和人员聚集在一起。有优秀的 PCIe 专家、具有汽车背景的成员、网络架构师、物理层专家和时序专家试图弄清楚 PCIe 在未来如何使用，以及在汽车行业使用 PCIe 可能会出现哪些挑战和问题。

有几个领域需要调查。首先，该地区的环境条件不同。汽车行业有非常严格的要求和测试程序来检查噪音和 EMI。这些都需要在 PCIe 认证和资格认证过程中采用。并且产品需要通过 AEQ-100 等汽车标准认证广泛使用。可以满足 3 级或 2 级的产品种类繁多，1 级（最高 125°C）设备的选项数量变得很少。

安全性是一项关键要求，尤其是对于暴露在封闭系统（如汽车线束）之外的通信接口。自 PCIe 第 5 代以来，PCIe 的扩展（工程变更通知 - ECN）可用，可确保事务层数据包的机密性、完整性和重放保护机制。尽管此 ECN 是根据当前行业最佳实践开发的，但它需要从汽车的角度进行审查和论证。

功能安全是另一个需要深入研究的方面。PCIe 已经提供了一套安全机制，从各种 CRC、重放机制到具有各种报告机制的事务检查。产品的开发已经考虑到了安全性，并且可用于不同的安全级别。系统级分析将显示 PCIe 提供的机制是否足够，这强烈依赖于用例。

1.4 缺少什么？

在我看来，目前缺少的是汽车制造商创新驱动力的积极参与。从历史上看，我们知道让他们参与那些标准化活动总是很困难。目前正在考虑一些创新的解决方案，让他们无需复杂的知识产权章程和反垄断谈判即可提供意见。

1.5 瑞萨贡献

瑞萨电子自早期就是 PCI-SIG 的成员，并积极参与标准制定，这反映在瑞萨电子为工业和汽车领域提供的产品中。产品范围涵盖时钟发生器、重定时器和具有集成开关、根复合体和端点功能的处理器。

当宣布成立汽车工作组时，我们很快决定加入，目标是继续为我们的客户提供支持，并推动这个新时代的标准化发展。该工作组成立于 2021 年 3 月，截至目前尚未明确结论需要对 PCIe 标准进行哪些增强。我们致力于 PCIe 和客户对汽车行业新应用所需的创新变革。必要的改进将反映在我们的 PCIe 产品系列中。

审核编辑：郭婷