Jak zabránit kolizím signálu na fyzické vrstvě v 10Base-T1S Automotive Ethernet

10Base-T1S (IEEE 802.cg) je varianta automobilového Ethernetu, která podporuje poloduplexní a plně duplexní komunikaci, umožňující buď přímé spojení mezi dvěma uzly, nebo použití topologie multidrop až s osmi uzly připojenými na jeden segment. Sběrnice může mít až 25m na délku.

Multidrop kabeláž jedné sběrnicové linky poskytuje možnosti rozšíření a škálování s menším počtem fyzických vodičů a menší hmotností než topologie typu point-to-point. S minimálním prostorem konektorů na ECU lze sběrnicovou linku jednoduše rozšířit přidáním senzorových jednotek. Sběrnicová linka s přídavnými senzorovými jednotkami pro ultrazvukové radary a radary krátkého dosahu je příkladem toho, jak lze škálovat multidrop kabeláž.

Mezi hlavní cíle vrstvy 10Base-T1S PHY patří: sladění přenosů z různých médií a zajištění kooperativního chování uzlů na sběrnici s více úrovněmi. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je použití technologie PLCA (Physical-Layer Collision Avoidance), která minimalizuje mrtvý čas a zabraňuje kolizím.

 V tomto příspěvku popíšeme fungování PLCA a v budoucím příspěvku, jak můžete ladit problémy s časováním PLCA pomocí osciloskopu Teledyne LeCroy se softwarem 10Base-T1S TDME.

Obrázek 1: Průběh T1S signálu zaznamenaný osciloskopem Teledyne LeCroy. 10Base-T1S PLCA cyklus. Pokud nejsou žádná data (nahoře), jsou na sběrnici vidět pouze majáky, pokud jsou přítomná data dojde k expanzi doby mezi majáky.

PLCA v podstatě vytváří přenosový cyklus používaný k choreografii přenosových příležitostí (TO transfer options) na sběrnici. Situaci můžeme přirovnat ke skupině jednotlivců, kteří se účastní cvičení na budování týmu, pokud by všechny uzly chaoticky vyjadřovaly své myšlenky najednou, nic by nebylo řádně slyšet a nic by se ve stanoveném čase nestihlo. Vysílací cyklus PLCA stanoví příležitosti mluvit a pořadí, ve kterém mohou být uzly vyslyšeny, a zároveň ponechává dostatečnou flexibilitu, aby se neztrácel čas čekáním na ty, kteří nemají co říct.

V PLCA je každému uzlu (PHY) přiřazeno jedinečné PHY ID a pouze zařízení PHY, které vlastní příležitost k přenosu, může odesílat data. Příležitosti k vysílání jsou alokovány v kruhovém algoritmu počínaje PHY ID = 0, kterému je přidělen status Master. Uzly mohou zahájit přenos pouze během příležitosti k přenosu, která odpovídá jejich vlastnímu ID uzlu. Nový cyklus je spuštěn, když hlavní uzel odešle synchronizační vzor nazvaný maják (BEACON), aby signalizoval začátek cyklu PLCA.

Samotný cyklus PLCA se skládá z majáku, po kterém následuje N+1 časových slotů, což umožňuje odeslání N+1 DATA paketů proměnné velikosti. Během své příležitosti k přenosu může PHY okamžitě vysílat paket nebo musí vyslat vzor COMMIT symbolů SYNC, aby kompenzoval jakoukoli MAC latenci a získal další čas před odesláním paketu. Uzly mohou zvětšit časový úsek, aby vyhovovaly větším přenosům a šlo shlukovat zprávy s vysokou prioritou. Ostatní uzly budou čekat, až uzel dokončí přenos a než se cyklus přesune do uzlu s další příležitostí k přenosu. Nový časový slot začíná, pokud není nic přeneseno v definovaném čase (TO_TIMER) nebo na konci přenosu jakéhokoli paketu.

Na začátku každého přenosového cyklu je uzlu 1 na sběrnici nejprve přidělena příležitost k přenosu. Pokud pro tento uzel nejsou k dispozici žádná DATA k přenosu a nemůže COMMIT, postoupí svou příležitost k přenosu dalšímu uzlu na sběrnici.

Řídicí schéma PLCA je synchronizovat TO_TIMER tak, aby maximální latence trvale zůstávala menší než jeden cyklus PLCA. TO_TIMER je velmi krátký (typicky 20 bitů), takže při čekání na PHY, které nemají co vysílat, dochází k zanedbatelné ztrátě propustnosti.

Obrázek 2:Minimální latence PLCA cyklů. Nikdo nemá co vysílat v cyklu 1, takže celková latence se rovná pouze počtu uzlů krát TO_TIMER. Pouze uzly 1 a 3 mají vysílání v cyklu 2, takže všechny ostatní uzly postoupí svou příležitost k vysílání.

Obrázek 3:Cyklus PLCA s maximální latencí. Každý uzel má paket maximální velikosti a posílá COMMIT

Proměnné zpoždění je podobné TDMA (time-division-multiple-access), ale PLCA není pevnou nebo absolutní referencí pro časované pakety; místo toho se přizpůsobuje potřebám přenosu každého uzlu na sběrnici.

Osciloskopy Teledyne LeCroy disponují celou řadou sofistikovaných nástrojů pro analýzu a následné ladění sběrnic v Automotive a 12bitová architektura zajistí že Vám neunikne žádný detail.

Zdroj: [1]: https://blog.teledynelecroy.com/2022/08/physical-layer-collision-avoidance-in.html [cit:29.08.2022]