Ako zabrániť kolíziám signálu na fyzickej vrstve v 10Base-T1S Automotive Ethernet

10Base-T1S (IEEE 802.cg) je variant automobilového Ethernetu, ktorý podporuje poloduplexnú a plne duplexnú komunikáciu, umožňujúcu buď priame spojenie medzi dvoma uzlami, alebo použitie topológie multidrop až s ôsmimi uzlami pripojenými na jeden segment. Zbernica môže mať až 25m na dĺžku.

Multidrop kabeláž jednej zbernicovej linky poskytuje možnosti rozšírenia a škálovania s menším počtom fyzických vodičov a menšou hmotnosťou ako topológia typu point-to-point. S minimálnym priestorom konektorov na ECU možno zbernicovú linku jednoducho rozšíriť pridaním senzorových jednotiek. Zbernicová linka s prídavnými senzorovými jednotkami pre ultrazvukové radary a radary krátkeho dosahu je príkladom toho, ako možno škálovať multidrop kabeláž.

Medzi hlavné ciele vrstvy 10Base-T1S PHY patrí: zosúladenie prenosov z rôznych médií a zabezpečenie kooperatívneho správania uzlov na zbernici s viacerými úrovňami. Jedným zo spôsobov, ako to dosiahnuť, je použitie technológie PLCA (Physical-Layer Collision Avoidance), ktorá minimalizuje mŕtvy čas a zabraňuje kolíziám.

V tomto príspevku popíšeme fungovanie PLCA a v budúcom príspevku, ako môžete ladiť problémy s časovaním PLCA pomocou osciloskopu Teledyne LeCroy so softvérom 10Base-T1S TDME.

Obrázok 1: Priebeh T1S signálu zaznamenaný osciloskopom Teledyne LeCroy. 10Base-T1S PLCA cyklus. Ak nie sú žiadne údaje (hore), sú na zbernici viditeľné len majáky, ak sú prítomné dáta dôjde k expanzii doby medzi majákmi.

PLCA v podstate vytvára prenosový cyklus používaný na choreografiu prenosových príležitostí (TO transfer options) na zbernici. Situáciu môžeme prirovnať ku skupine jednotlivcov, ktorí sa zúčastňujú cvičenia na budovaní tímu, ak by všetky uzly chaoticky vyjadrovali svoje myšlienky naraz, nič by nebolo riadne počuť a nič by sa v stanovenom čase nestihlo. Vysielací cyklus PLCA stanovuje príležitosti hovoriť a poradie, v akom môžu byť uzly vypočuté, a zároveň ponecháva dostatočnú flexibilitu, aby sa nestrácal čas čakaním na tých, ktorí nemajú čo povedať.

V PLCA je každému uzlu (PHY) priradené jedinečné PHY ID a iba zariadenie PHY, ktoré vlastní príležitosť na prenos, môže posielať dáta. Príležitosti na vysielanie sú alokované v kruhovom algoritme počnúc PHY ID = 0, ktorému je pridelený status Master. Uzly môžu začať prenos len počas príležitosti na prenos, ktorá zodpovedá ich vlastnému ID uzlu. Nový cyklus je spustený, keď hlavný uzol odošle synchronizačný vzor nazvaný maják (BEACON), aby signalizoval začiatok cyklu PLCA.

Samotný cyklus PLCA pozostáva z majáka, po ktorom nasleduje N+1 časových slotov, čo umožňuje odoslanie N+1 DÁTA paketov premennej veľkosti. Počas svojej príležitosti na prenos môže PHY okamžite vysielať paket alebo musí vysielať vzor COMMIT symbolov SYNC, aby kompenzoval akúkoľvek MAC latenciu a získal ďalší čas pred odoslaním paketu. Uzly môžu zväčšiť časový úsek, aby vyhovovali väčším prenosom a išlo zhlukovať správy s vysokou prioritou. Ostatné uzly budú čakať, kým uzol dokončí prenos a kým sa cyklus presunie do uzla s ďalšou príležitosťou na prenos. Nový časový slot začína, ak nie je nič prenesené v vymedzenom čase (TO_TIMER) alebo na konci prenosu akéhokoľvek paketu.

Na začiatku každého prenosového cyklu sa uzlu 1 na zbernici najprv pridelí príležitosť na prenos. Ak pre tento uzol nie sú k dispozícii žiadne DÁTA na prenos a nemôže COMMIT, postúpi svoju príležitosť na prenos ďalšieho uzla na zbernici.

Riadiaca schéma PLCA je synchronizovať TO_TIMER tak, aby maximálna latencia zostávala natrvalo menšia ako jeden cyklus PLCA. TO_TIMER je veľmi krátky (typicky 20 bitov), takže pri čakaní na PHY, ktoré nemajú čo vysielať, dochádza k zanedbateľnej strate priepustnosti.

Obrázok 2:Minimálna latencia cyklov PLCA. Nikto nemá čo vysielať v cykle 1, takže celková latencia sa rovná len počtu uzlov krát TO_TIMER. Iba uzly 1 a 3 majú vysielanie v cykle 2, takže všetky ostatné uzly postúpia svoju príležitosť na vysielanie.

Obrázok 3:Cyklus PLCA s maximálnou konzistenciou. Každý uzol má paket maximálnej veľkosti a posiela COMMIT

Premenné oneskorenie je podobné Ako TDMA (time-division-multiple-access), ale PLCA nie je pevnou alebo absolútnou referenciou pre časované pakety; namiesto toho sa prispôsobuje potrebám prenosu každého uzla na zbernici.

Osciloskopy Teledyne LeCroy disponujú celým radom sofistikovaných nástrojov na analýzu a následné ladenie zberníc v Automotive a 12-bitová architektúra zabezpečí, že Vám neunikne žiadny detail.

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