Entwicklung eines intelligenten FlexRay-Sternkopplers Paul Milbredt, AUDI AG, , TU Darmstadt

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1 Entwicklung eines intelligenten FlexRay-Sternkopplers Paul Milbredt, AUDI AG, , TU Darmstadt

2 Gliederung Elektronikentwicklung bei Audi Grundlagen Ethernet als Vergleich FlexRay Konzept eines intelligenten Sternkopplers bei FlexRay Verifikation Ausblick Diskussion 8 Paul Milbredt, AUDI AG,

3 Evolution von Ethernet Bus-Struktur Stubs Abschlusswiderstände (50 Ω) Halb-Duplex CSMA/CD 10 MBit/s Knoten 1 Knoten 2 Knoten 3 Knoten 4 9 Paul Milbredt, AUDI AG,

4 Evolution von Ethernet Stern-Struktur (Logisch: Bus) Repeater/Hubs auf OSI-Layer 1 Twisted-Pair Voll-Duplex 100 MBit/s Knoten 1 Knoten 2 Hub Knoten 3 Knoten 4 10 Paul Milbredt, AUDI AG,

5 Evolution von Ethernet Switched Ethernet: Stern-Struktur Switch auf OSI-Layer 2 Twisted-Pair Voll-Duplex Weiterleitung von Paketen nur an die betroffenen Empfänger Aufteilung in sog Kollisionsdomänen Knoten 1 Knoten 2 Switch Knoten 3 Knoten 4 11 Paul Milbredt, AUDI AG,

6 Switched Ethernet Frame Format: Präambel SOF Ziel MAC Quelle MAC Länge Daten CRC Switch lernt Topologie über die Quell-MAC Weiterleiten von Paketen an die Zieläste nur über die Ziel-MAC Deutliche Parallelisierung der Kommunikation, zb bis zu 8-mal 100 MBit/s bei 4 Ports voll-duplex Im wesentlichen 2 Verfahren Cut-through Store-and-forward 12 Paul Milbredt, AUDI AG,

7 Store-And-Forward Switches Arbeitsprinzip: Frame komplett empfangen Wenn korrekt: Anhand Ziel-MAC weiterleiten Vorteil: Keine Störungen durch korrupte Pakete Präambel SOF Ziel MAC Quelle MAC Länge Daten CRC Sender Paket Switch Processing Empfänger Paket t 13 Paul Milbredt, AUDI AG,

8 Cut-Through Switches Arbeitsprinzip: Frame mindestens bis zur Ziel-MAC empfangen Anhand dieser Paket sofort durchschalten Vorteil: Minimale Verzögerung Präambel SOF Ziel MAC Quelle MAC Länge Daten CRC Sender Switch Paket Processing Empfänger Paket t 14 Paul Milbredt, AUDI AG,

9 Evolution der Bussysteme im Automobil CAN Bus-Struktur Stubs Abschlusswiderstände (120 Ω) Halb-Duplex CSMA/CR 500 kbit/s (1 MBit/s) Knoten 1 Knoten 2 Knoten 3 Knoten 4 15 Paul Milbredt, AUDI AG,

10 Evolution der Bussysteme im Automobil FlexRay Stern-Struktur (Logisch: Bus) in der Praxis Hybrid: Mehrere Knoten pro Ast Active Star (wie Hub) auf OSI-Layer 1 TDMA / FTDMA Twisted-Pair Halb-Duplex 10 MBit/s Knoten 1 Knoten 2 Active Star Knoten 3 Knoten 4 16 Paul Milbredt, AUDI AG,

11 Evolution der Bussysteme im Automobil FlexRay: Intelligenter Sternkoppler (Switch) möglich? Stern-Struktur Intelligent Star (wie Switch) auf OSI-Layer 2 TDMA / FTDMA Twisted-Pair Halb-Duplex 10 MBit/s Vervielfachung der Bandbreite durch Parallelisierung möglich? Knoten 1 Knoten 2 Intelligent Star Knoten 3 Knoten 4 17 Paul Milbredt, AUDI AG,

12 FlexRay: Grundlagen Fehlertolerantes, zeitgesteuertes Bussystem Alle Steuergeräte einigen sich auf eine gemeinsame globale Zeit Jedes Steuergerät darf nur in vorab festgelegten Zeitschlitzen senden (dadurch keine Kollisionen möglich) Im aktuellen Audi A8 in Serie 18 Paul Milbredt, AUDI AG,

13 Globale Zeitbasis Aufteilung der globalen Zeit in 64 Zyklen Manche Steuergeräte sind sog Sync-Steuergeräte (Senden exakt einen Frame mit gesetztem Sync-Bit) Fehlertoleranter verteilter Algorithmus zur Uhrensynchronisation Alle Steuergeräte speichern die Abweichung von erwartetem und tatsächlichem Eintreffen der Sync-Frames Am Ende eines Doppelzyklusses Berechnung und Anwendung der Abweichung (faulttolerant midpoint (FTM) Algorithmus) Offsetkorrektur: Einmaliges Verschieben der lokalen Uhr (jeden Doppelzyklus) Ratenkorrektur: Über den Zyklus verteilte Korrektur der Uhr 19 Paul Milbredt, AUDI AG,

14 Zeithierarchie Kommunikationszyklus Ebene Statischer Teil Teil Kommunikationszeit optional Dynamischer Teil Teil Symbolfenster NIT NIT NIT NIT Arbitrationsraster Ebene Statischer Statischer Statischer Statischer Slot 1 Slot 2 Slot 1 Slot 2 Statischer Minislot 1 slot 2 slot 3 Mini- Mini- Statischer Minislot 1 slot 2 slot Mini- Mini- Slot n Slot n 3 Minislot m Minislot Macrotick Ebene Microtick Ebene 20 Paul Milbredt, AUDI AG,

15 Statischer Slot Slot enthält Zeitpuffer am Anfang und Ende zur Kompensation der Uhrenabweichungen Mögliche Konfiguration: Action Point: 4 µs Slot: 62 µs bei 42 Byte Nutzdaten (Frame-Länge ca 52 µs) Damit Idle-Zeit am Ende des Slot ~6 µs Static Slot Header Daten CRC Action Point Offset 21 Paul Milbredt, AUDI AG,

16 Switched FlexRay Switch kann nur komplette statische Slots switchen Er muss die globale Zeit kennen (passive, aber FlexRay konforme Uhrensynchronisation) Er darf nur soviel interne Verzögerung haben, wie ein aktiver Stern (150 ns) Auswirkungen auf das Scheduling: Multi- oder Unicast-Botschaften müssen anhand der physikalischen Topologie auf Slots verteilt werden Die Topologie muss anhand der Kommunikationsbeziehungen gewählt werden Unicast möglichst am gleichen Ast Multicast an möglichst wenigen Ästen Sync-Slots müssen global sein Bei Audi Teil des Forschungsprojektes INDEXYS ( 22 Paul Milbredt, AUDI AG,

17 Arbeitsprizip 23 Paul Milbredt, AUDI AG,

18 FlexRay Startup Beim Hochfahren des Systems muss globale Zeit erst etabliert werden Startup -Phase Der Switch muss dieses unterstützen Quelle: FlexRay Communications System, Protocol Specification Version 21, Revision A, 2005, 24 Paul Milbredt, AUDI AG,

19 Prototyp FPGA-Board (Xilinx Spartan3) mit FlexRay-Transceivern Implementierte Funktionen: Uhrensynchronisation (nach FlexRay-Spezifikation) Frame-Dekodierung (nach FlexRay-Spezifikation, Grundlage der Uhrensynchronisation) Switching (kombinatorische Logik, gesteuert durch globale Zeit) Switching-Matrix-Tabelle Je Slot ID und Zyklus eigene Matrix möglich Verschiedene Maßnahmen um Speicher zu sparen Store-And-Forward Empfangen und Speichern in Slot x Weiterleiten und Neukodieren (Frame ID und Cycle) in Slot y Central Bus Guardian (Teile der vorläufigen FlexRay-CBG-Spezifikation) 25 Paul Milbredt, AUDI AG,

20 Schematischer Testaufbau USG USG USG USG FlexRay PC USG USG USG USG 26 Paul Milbredt, AUDI AG,

21 Prototyp am Brettaufbau 27 Paul Milbredt, AUDI AG,

22 Ausblick Im Rahmen des Förderprojektes: Verifikation Untersuchung der Möglichkeiten eines ASIC Prototyp im Auto Scheduling Optimierung der Architektur 28 Paul Milbredt, AUDI AG,

23 Vielen Dank 29 Paul Milbredt, AUDI AG,