Seminar: Automotive Communication Architectures, MOST

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1 Seminar: Automotive Communication Architectures, MOST Florian Schmidt University of Kaiserslautern, Embedded Systems Group 1 Einleitung Das Bestreben der Autohersteller, nicht nur leistungsstärkere, sondern auch luxuriösere Autos herzustellen, stellt für die im Auto vorhandenen Bussysteme eine völlig neue Herausforderung dar. Der Fokus der Datenübertragung ist jetzt nicht mehr Determinismus und Sicherheit, sondern vor allem eins: Bandbreite. Da bisherige Bussysteme eher ungeeignet für hohe Datenraten waren, musste ein neues Bussystem entwickelt werden, um Navigationssysteme, Sound- und Videoanlagen in Echtzeit mit Daten zu versorgen. Auf den folgenden Seiten werde ich den Multimedia Oriented System Transport (MOST) erläutern. Dieser wurde entwickelt, um genau dieses Problem zu lösen. 2 Bussysteme 2.1 Aufbau eines Bussystems: Ein Bussystem ist ein Leitungssystem, in unserem Fall in einem Auto, zum Austausch von Steuersignalen und Daten. Die Designgrundlage für ein Bussystem ist das ISO/OSI 7-Schichten Modell. Hierbei wird das System in sieben Schichten folgendermaßen eingeteilt:

2 Ein Bussystem umfasst also nicht nur die Verkabelung im Auto, sondern auch allerhand Software, die die Logik des Übertragungssystems ausmacht. Hierzu gehört dann alles vom Aufbau der Botschaften bis zur Fehlererkennung und der Adressierung der Teilnehmer. Um ein Bussystem zu Entwerfen müssen alle sieben Schichten, inklusive aller Dokumentationen, entwickelt werden. 2.2 Anforderungen an ein modernes Bussystem Man unterteilt die Anforderungen in Kommunikations- und funktionale Anforderungen. Bei funktionalen Anforderungen muss das Bussystem sicherheitskritische Daten (Steuer- und Regelungsdaten) übertragen können. Es soll Diagnose und Servicefunktionen zur Verfügung stellen, also im Falle eines Defekts eines der Busteilnehmer den Defekten Teilnehmer identifizieren und anzeigen, bzw. auslesen können. Funktionen wie Infotainment (zusammengesetzt aus Information und Entertainment) und Multimedia, bspw. das Abspielen einer CD/DVD, spielen eine immer größere Rolle. Auch Telematik ist eine der Funktionen, die das Bussystem realisieren können soll. Als Telematik bezeichnet man die Kommunikation des KfZ mit seiner Umwelt, z.b. ein System zur Unfall- oder Stauwarnung. Die Kommunikationsanforderungen hingegen fordern eine fehlertolerante Datenübertragung. Es muss also sichergestellt sein, dass Übertragungsfehler vermieden, aber, falls auftretend, erkannt und behoben werden. Auch muss sichergestellt sein, dass bei sicherheitskritischen Datenströmen Deadlines eingehalten werden, dass also immer garantiert ist, dass eine Nachricht innerhalb eines festgelegten Zeitfensters zugestellt wird. Dies bezeichnet man als Determinismus. Eine hohe Bandbreite ist dann etwas, dass für das MOST Bussystem später eine große Rolle spielt. Hier müssen möglichst viele Daten in möglichst kurzer Zeit transportiert werden. Eine weitere Anforderung ist das Einsparen von Platz. Wir müssen also mit unseren Verkabelungen des Bussystems möglichst wenig Raum im Automobil belegen. Das Kommunikationssystem soll auch aufgrund der Plattform- und Variantenvielfalt möglichst flexibel sein. Es soll also möglichst einfach sein, neue Knoten hinzuzufügen oder zu entfernen. Auch sollen alle anfallenden Daten vor unautorisiertem Zugriff geschützt werden. 2.3 Bussysteme im Automobil Wir sehen also sehr vielfältige Anforderungen, die unser Bussystem erfüllen muss, wenn wir es in ein Automobil verbauen wollen. Besonders kritisch ist hier, dass sowohl sicherheitsrelevante Daten, als auch Breitbandverbindungen mit sicherheitsirrelevanten Daten zur Verfügung stehen müssen. Dieses breite Aufgabenspektrum lässt sich durch ein einzelnes Bussystem nicht lösen, deshalb haben sich auch verschiedene Bussysteme für die verschiedenen Anwendungsbereiche im Auto durchgesetzt. Hier ist ein Überblick über moderne Bussysteme, die im Automobil eingesetzt werden. Klassifiziert werden sie hier durch ihre Übertragungsrate (Bitrate).

3 3 MOST Wir kommen nun zu dem Bussystem, das vor allem für das Übertragen von Multimediadaten entwickelt wurde. Wir wollen uns nun näher mit diesem Bussystem beschäftigen. 3.1 Entstehung von MOST Mit dem Aufkommen des Infotainments im Auto, entwickelte sich auch eine neue Anforderungen an das Bussystem im Kfz. Aufgrund der hohen Datenmengen, die für ein aufwändiges Sound-, Video- oder Navigationssystem durch das Auto übertragen werden müssen, waren herkömmliche Bussysteme ungeeignet. Um also aufwändige Infotainment-Elemente verbauen zu können, was sich vor allem Luxusautohersteller wünschten, musste ein neues Bussystem entwickelt werden, welches die dadurch anfallenden Datenmengen im Auto übertragen. Es standen nun also nicht mehr sicherheitskritische Anwendungen im Vordergrund sondern die zuverlässige und schnelle Übertragung von großen Datenmengen. Als direkter Vorgänger von MOST gilt der von der Firma Philips entwickelte Domestic Data Bus D2B. Seine Weiterentwicklung wurde jedoch mittlerweile eingestellt. Auch MOST war ursprünglich die Entwicklung eines einzelnen Herstellers, der Firma Oasis Silicon Systems (heute SMSC). Seit 1998 jedoch wird MOST in einer firmenübergreifenden Kooperation weiterentwickelt, der MOST Cooperation. So setzte sich MOST rasch in den meisten europäischen Oberklassefahrzeugen durch. Der Hauptgrund dafür ist wahrscheinlich, neben den hervorragenden Eigenschaften des Bussystems, dass eine vollständige Spezifikation der ISO/OSI Schichten 1 bis 7 angeboten wird. Die erste MOST Version (MOST 25) basierte auf einem optischen Übertragungsmedium (Plastic Optical Fiber POF) und erreicht eine Bandbreite von 25Mbit/s. Die Weiterentwicklung MOST 50 versendet Ihre Daten elektronisch über Twisted Pair, mit einer Übertragungsrate von 50Mbit/s. Diese Variante hat jedoch noch eine geringe praktische Bedeutung. MOST 150 arbeitet wieder auf optischer Basis und erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 150 Mbit/s. MOST lässt unterschiedliche Bustopologien zu. Die am häufigsten eingesetzte ist eine logische Ringstruktur. Dabei senden inaktive Steuergeräte das Signal weiter zum nächsten Teilnehmer (Bypass-Betrieb), aktive Geräte entnehmen Daten oder fügen welche hinzu. Das besondere an MOST ist, dass hier hohe Datenraten erzielt werden können, und sich trotzdem die Herstellungskosten und die Ausdehnung des Kabelbaums in Grenzen halten.

4 3.2 Aufbau von MOST BUS-Topologie und Physical Layer: Der MOST Bus verwendet ein optisches Übertragungsmedium, einen Kunststoff-Lichtwellenleiter. Alternativ verwendet MOST 50 auch einen verdrillten Doppeldraht zur Übertragung. Die Bits werden Manchester codiert versendet. So ist eine Taktrückgewinnung aus den Nachrichten möglich. Zur Weiterverarbeitung im Kommunikationscontroller wird das optische Signal in ein elektrisches umgewandelt. Das System ist meist in einer logischen Ringstruktur mit bis zu 64 Steuergeräten angeordnet. Inaktive Steuergeräte empfangen die Daten und senden sie unverändert weiter(bypass-betrieb). Aktive Steuergeräte empfangen die Daten und senden sie modifiziert weiter. Data link Layer: Es werden immer 16 Botschaften zu einem Block zusammengefasst (Frame). Jede Botschaft durchläuft den Ring genau einmal. Die Botschaftsrate ist normalerweise 44,1 Khz und muss für das gesamte Netz einheitlich sein. MOST ist ein synchrones Übertragungssystem, jedoch so konzipiert, dass innerhalb der synchronen Übertragungen auch asynchrone Nachrichten übertragen werden können. Jeder Frame beginnt mit dem Header. Dadurch wird der Start eines neuen Frames signalisiert und teilt das nachfolgende Datenfeld in einen synchronen und asynchronen Bereich. Das Abschlieende Trailer Byte enthält Steuer- und Statusinfomationen und bietet eine Überprüfung auf Übertragungsfehler: Die Bitfehlerrate liegt im Schnitt bei Kommunikationscontroller Der Kommunikationscontroller bei MOST ist, im Gegensatz zu CAN(hier ist der Kommunikationscontroller typischerweise in vielen Mikrocontrollern bereits integriert), ein externer Baustein. Er kommuniziert über verschiedene Schnittstellen mit anderen Prozessoren im Steuergerät. Der Controller implementiert den kompletten Data Link Layer und über ihn laufen sämtliche Datenströme zu den entsprechenden Datenquellen und -senken. Die asynchronen Daten und die Kontrolldaten werden über eine Schnittstelle (Parallelbus) an den steuernden Mikrocontroller übertragen. Die Bandbreite hier ist eher gering. Audiound Videodaten in den synchronen Datenströmen werden über eine seperate Schnittstelle, dem Streaming Port übertragen. Hier ist eine hohe Bandbreite verfügbar. Es wird also der gesamte Datenstrom im Kommunikationscontroller empfangen und nach einer kurzen Verzögerung auf dem Ring weitergegeben. Während dieser Verzögerung fügt der Controller zu sendende Daten in den Frame ein, bzw. extrahiert Daten für lokale Steuergeräte. Der Kommunikationscontroller implementiert also den Data Link Layer und ist für die komplette Kommunikation zuständig. Er ist die Schnittstelle zu den höheren Schichten, insbesondere später zu den Funktionsblöcken, die die eingentlichen Anwendungen des Bussystems sind Network Services In dieser Schicht unterscheidet man in Network Services Layer I und Network Services Layer II. Dem Layer I kann man grob die Schichten 3 bis 5 des ISO/OSI-Schichtenmodells zuordnen, Layer II die Schicht 6.

5 Die Layer I Dienste umfassen folgende Funktionsblöcke: Synchronous Channel Service: Reservierung und Freigabe synchroner Kanäle und Konfiguration der Schnittstelle für synchrone Daten Asynchronous Data Transmission Service: Senden und Empfangen von asynchronen Daten inklusive Zwischenspeicherung und Fehlerbehandlung Control Message Service: Senden und Empfangen von Steuerdaten Application Message Service: Senden und Empfangen über den Kanal für Steuerdaten, falls mehr als 17Byte Nutzdaten notwendig sind MOST Transceiver: Konfiguration des Kommunikationscontrollers MOST Supervisor: Konfiguration als Timing Master oder Slave, Powermanagement, Netzwerk Start und Stopp Zu den Layer II Diensten gehören: Command Interpreter: Verarbeitung von Botschaften mit Steuerdaten Address Handler: Zugriff auf Kopien von Datenstrukturen Notification Services: Automatischer Benachrichtigungsmechanismus, falls sich bestimmte Parameter ändern Funktionsblöcke Über den Layer II Diensten liegen die sogenannten Funktionsblöcke. Sie werden über Kennziffern (FblockID) referenziert und da einige Funktionsblöcke doppelt vorkommen können, wird zur eindeutigen Identifizierung eine Instanz-Nummer (InstID) hinzugefügt. Beispiele für typische Funktionsblöcke sind Audio-Verstärker Freisprecheinrichtung Audiosignalverarbeitung Lautstärkecontroller Equalizer Die eigentliche Infotainment-Funktion, zb. das Abspielen einer CD, ist dann das Zusammenspielen vieler Funktionsblöcke. Diese Blöcke können im kompletten System verteilt sein und müssen nicht im selben Gerät verbaut sein, da sie (in den Network Services) zu einer Funktionsgruppe (z.b. Bediengerät, Radioempfänger, Vorverstärker, Lautsprecher) zusammengefasst werden.

6 So können die Network Services die Komponenten einfach über FblockID und InstID aufrufen, unabhängig davon, in welchem Gerät diese Funktionen implementiert sind. Da der Zugriff auf das Bussystem durch den Network- und den Connectionmaster geregelt wird, muss jeder Funktionsblock den NetBlock implementieren, da in ihm diese Komponenten enthalten sind. Jeder Funktionsblock stellt eine Reihe von Funktionen bereit. Man unterscheidet zwischen Properties (Zustände) und Methods (Aktionen). Zustände können abgefragt und ohne große Verzögerung direkt geändert werden (z.b. Lautstärke des Radios). Aktionen können angestoßen werden, und benötigen dann einige Zeit für ihre Ausführung (z.b. Sendersuchlauf) Netzwerkmanagement MOST kennt verschiedene Rollen zur Verwaltung des Netzwerks: Timing Master: Erzeugung des Bit- und Frametaktes Network Master: Führt Buch über die Systemkonfiguration Power Master: Koordiniert das Herunterfahren Connection Master: Verwaltet die synchronen Übertragungskanäle Zum Starten des Bussystems durchsucht der Network Master das Netzwerk nach angeschlossenen Steuergeräten und legt damit eine Tabelle an (Central Registry). Hierbei wird ermittelt, welche Geräte welche Funktionsblöcke enthalten. Das Abschalten des Bussystems wird vom Power Master angekündigt, indem Statusbotschaften versendet werden. Danach hat jedes Steuergerät Zeit, Vorkehrungen zu treffen, bevor das Master-Steuergerät das Sendesignal abschaltet. Aus Sicht der Anwendung befindet sich das System immer im Zustand OK oder Not OK. Der momentane Zustand wird vom Network Master bestimmt. Beim Start des Systems befindet es sich immer im Zustand Not OK. Sobald die Central Registry erfolgreich aufgebaut wurde, wechselt das System in den Zustand OK und die Steuergeräte können anfangen zu kommunizieren. Stellt der Network Master eine Zustandsänderung bei einem der Steuergeräte fest, oder entdeckt einen Fehler, wird eine Not OK Nachricht versendet, und die Central Registry neu aufgebaut. Bei der ringförmigen Topologie führt eine einzelne Unterbrechung zu einem Totalausfall des Gesamtsystems. Damit solche Bruchstellen erkannt werden können, erhält jedes Steuergerät zusätzlich eine elektrische Ein-Draht-, LIN-, oder CAN-Schnittstelle. So kann mit dem Gerät bidirektional, wenn auch primitiv, kommuniziert werden. Bei einem Bruch werden sämtliche Geräte aufgefordert ein Lichtsignal zu senden. Danach wird jedes Gerät gefragt, ob es ein Lichtsignal empfängt um so die Bruchstelle zu finden. 3.3 Aufbau einer MOST Nachricht: Einer der großen Vorteile von MOST ist der Aufbau der Nachrichten. Die Botschaften sind in Blöcke eingeteilt. Ein Block besteht aus 16 Frames und jeder Frame aus 128Byte (MOST 50).

7 Jeder Frame beginnt mit dem Header, der sich aus der Präambel und dem Boundary Descriptor zusammensetzt. Die Präambel bezeichnet immer den Beginn eines neuen Frames und ermöglicht so eine Neusynchronisation der Busteilnehmer. Der Boundary Descriptor unterteilt das Datenfeld in den synchronen und asynchronen Bereich. Gefolgt wird der Header von dem 4 Byte langen Steuerdatenfeld. Hier werden Steuerdaten, die zur Kommunikation zwischen den Anwendungen dienen, versendet. Das folgende Datenfeld (117Byte) wird in einen synchronen und einen asynchronen Bereich unterteilt. Dies ermöglicht es, unter MOST asynchrone und synchrone Daten zu versenden. Je nach Bedarf kann die Größe der Datenbereiche dynamisch während der Laufzeit des Systems verändert werden, was eine der größten Innovationen von MOST 50 darstellt. 4 Aussicht auf MOST 150 MOST 150 soll in vielerlei Hinsicht das Bussystem noch einmal revolutionieren. So soll in erster Linie die Datenübertragungsrate auf 150 MBit/s angehoben werden, um so beispielsweise eine Liveübertragung einer hochauflösenden Kamera zu ermöglichen, z.b. als hochauflösende Rückfahrkamera. Eine weitere Innovation sollen die Schnittstellen des Systems nach Außen sein. Es soll nun nicht mehr nur über Bluetooth, sonder über Ethernet kommunizieren können. Dies soll ermöglichen, dass auch Notebooks, PDAs und Smartphones direkt mit dem Bussystem/Auto verbunden werden können. Auch wird an einer Echtzeitübertragung über Ethernet gearbeitet, um so evtl. Can und Flexray Busse in Zukunft ersetzen zu können. Des Weiteren wird versucht die Signale über eine rein elektrische Twisted Pair Leitung zu übertragen, um die momentan relativ hohen Produktionskosten entscheidend zu senken, um das Bussystem auch japanischen und amerikanischen Autoherstellern schmackhaft zu machen, da sich MOST bist jetzt hauptsächlich in Europa durchsetzen konnte. 5 Etablierung von MOST Einer der Gründe warum sich MOST durchsetzen konnte war die größtenteils offen zugängliche Dokumentation der Layerschichten. So konnten viele verschiedene Organisationen gleichzeitig das Bussystem für Ihre Bedürfnisse weiterentwickeln und vermarkten. Zum Schutz des Geschäfts veröffentlichten die Hersteller nicht die vollständige Dokumentation, deshalb stehen bis heute nur eine begrenzte Anzahl an Kommunikationscontrollern zur Verfügung.

8 6 Quellen [1] Werner Zimmermann Ralf Schmidgall (2011): Bussysteme in der Fahrzeugtechnik [2] Andreas Grzemba (2007): MOST das Multimedia-Bussystem fr den Einsatz im Automobil [3] [4] [5]