Besonders Multikamera-Fahrerassistenz- und Infotainment-Anwendungen erfordern die Übertragung immer größerer Datenmengen in Echtzeit bei niedrigem Jitter. Die klassischen Fahrzeugnetze sind damit mehr und mehr überfordert. CAN dominierte die E/E-Kommunikation der Automobilindustrie in den letzten 30 Jahren. Allerdings stößt diese Technologie in Bezug auf die Übertragungsgeschwin­digkeit großer Daten immer mehr an ihre Grenzen, auch wenn der neue CAN-FD (Flexible Data Rate CAN) die Leistungsfähigkeit dieser Technologie deutlich steigert. MOST kann große Datenmengen übertragen, ist aber ein proprietärer, automotive-spezifischer Standard. LIN und Flexray spielen ebenfalls eine wichtige Rolle, doch auch diese Technologien erlauben keine großen Steigerungen der Datenübertragungsrate mehr.

Bild 1: Bei hoher Datenlast bringt die Separierung der Datenebene in die ETAS Data Engine deutliche Vorteile.

Bild 1: Bei hoher Datenlast bringt die Separierung der Datenebene in die ETAS Data Engine deutliche Vorteile.ETAS

Um die steigenden Anforderungen zu meistern, setzen immer mehr Fahrzeughersteller auf die Ether­net-Technologie. Sie ist bekannt, flexibel, skalierbar und erlaubt hohe Datenraten. Die klassischen Mikrocontroller- und Softwarelösungen erreichen derzeit jedoch nicht die erforderlichen Datenraten, Latenzen und Jitter, da unter anderem die Kommunikation die Central Processing Unit (CPU) zu stark belasten würde (Bild 1). Auch Gateway-Steuergeräte mit Multicore-Anwendungen sind keine befrie­digende Lösung, da der Stromverbrauch und die damit verbundene größere Abwärme ansteigen.

Echtzeit-Ethernet

Niedrige Latenzzeiten lassen sich bei Ethernet durch Segmentierung der Datenframes erreichen. Dadurch entstehen kurze Botschaften, die zu hohen Eventraten führen. Hohe Eventraten führen jedoch zu hohen Interruptraten. Dadurch verringert sich die Systemeffizienz, so dass die CPU sehr stark mit der Abarbeitung der Interrupts beschäftigt ist und ihre Hauptaufgabe nicht mehr effizient erfüllen kann. Mit der durch die Ethernet-Spezifikation vorgegebenen Mindestgröße von 64 Byte großen Frames mit einem Minimum von 46 Byte Nutzdaten ergibt sich bei einem 100-Mbit/s-Ethernet eine Zeitdauer von 7 µs für das Minimalframe. Bei einem 1-Gbit/s-Ethernet sind es dann 0,7 µs. Zum Vergleich: Bei einem 1-Mbit/s-CAN mit einem 29-Bit-Identifier und 0 Byte Nutzdaten beträgt die Zeitdauer des Minimalframes 70 µs.

Die ETAS Data Engine (EDE)

Um die oben genannten Herausforderungen zu beseitigen, liegt es nahe, die Data Plane und die Control Plane zu separieren (Bild 2): Die Data Plane wird vollständig in Hardware realisiert, die Control Plane nach wie vor in Software. Die CPU des Steuergeräts konfiguriert lediglich die in der Steuergeräte-Hardware realisierte Data Plane, die ETAS Data Engine (EDE). Diese ist in der Lage, selbstständig die Bearbeitung der Datenframes durchzuführen. Die EDE empfängt, speichert, sendet und wiederholt bei Bedarf die Datenframes in Eigenregie. Dabei interpretiert sie Header und modifiziert sie bei Bedarf. Ebenso erfolgen die Segmentierung und das Zusammensetzen der Datenframes unabhängig von der CPU. Determinismus und Zuverlässigkeit der Übertragung (Quality of Service, QoS) sind durch ent­sprechendes Prioritätshandling gewährleistet.

Bild 2: Separierung der Datenebene mit der ETAS Data Engine (EDE).

Bild 2: Separierung der Datenebene mit der ETAS Data Engine (EDE).ETAS

So kann mit der EDE die CPU des Steuergeräts wesentlich entlastet werden und eine konstant niedrige Latenzzeiten von < 5 µs erreicht werden. Der Jitter ist dabei vernachlässigbar. Mit einem Datendurchsatz von 3 Gbit/s ist selbst die Unterstützung von Gigabit-Ethernet bei voller Auslastung problemlos möglich. Die Data Engine erlaubt somit ein effizientes und leistungsfähiges Datenhandling bei gleichzeitig niedriger CPU-Last und insgesamt geringerem Energieverbrauch im Steuergerät.

Neue Möglichkeiten mit EDE

Mit Hilfe der EDE sind leistungsfähige Backbone-Architekturen möglich. Die Latenzzeiten und der Jitter werden in den Domänen-Steuergeräten minimiert. Ein hierar­chisches Scheduling auf drei Ebenen stellt die Quality of Service sicher. Auf Schnittstellenebene priorisiert das System nach Übertragungs­rate. Vier Prioritätsebenen pro Schnittstelle gewährleisten niedrige Latenzen. Innerhalb einer Prioritätsebene werden die Botschaften nach dem gewichteten „Round Robin“-Verfahren behandelt. Schnelle verteilte regelungstechnische Systeme wie Fahrdynamik-Regelungen oder Systeme wie beispielsweise Multikamerasysteme, bei denen die Synchronizität von Bedeutung ist, lassen sich damit zuverlässig und präzise vernetzen.

In Kombination mit dem schnellen Ethernet-Backbone eignet sich EDE dazu, Datenframes zu „tunneln“. So können beispielsweise zwei Steuer­geräte, die nur über eine CAN-Schnittstelle verfügen und jeweils an ein Domänensteuergerät ange­schlossen sind, über den Ethernet-Backbone kommunizieren; eine zusätzliche CAN-Verkabelung ist nicht erforderlich. Für das Tunneln kann das Transportprotokoll IEEE 1722 on AVB zum Einsatz kommen. Die EDE im Domänensteuergerät gewährleistet die erforderliche geringe Latenzzeit und geringen Jitter. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Diagnoseprotokolle sich ohne Belastung der CPU übertragen lassen.

Open-Market-Lösung

EDE entsteht in Partnerschaft zwischen dem Geschäftsbereich Automotive Electronics der Robert Bosch GmbH und der ETAS GmbH. Während Bosch Automotive Electronics über Know-how in der IP-Core-Entwicklung für Serienchips und Steuergeräte-Entwicklung verfügt, bringt ETAS eine fast 20-jährige Erfahrung in den Bereichen Ethernet-Kommunikation ein. Durch dieses Know-how ist ETAS in der Lage, von der Idee über das Design bis zur Entwicklung von Großserienprodukten für zukünftige Kommunikationskomponenten Unterstützung zu liefern.

Bosch Automotive Electronics stellt den IP-Core für die EDE bereit, so dass alle Halbleiterhersteller die EDE beispielsweise auf Mikrocontroller-Chips integrieren können. Dadurch wird die Datenkommunikation für den gesamten Automotive-Bereich vereinheitlicht, und die Entwicklungs-Inge­nieure müssen sich nicht mit herstellerspezifischen Implementierungen beschäftigen. Die EDE stellt somit einen idealen Baustein im Baukasten der automotiven Kommunikation für moderne E/E-Archi­tekturen im Automobil dar, welche die Entwicklung von vernetzen Fahrzeugsystemen sicher und effizient beschleunigt.