布谷鸟产研-汽车网络通信物理层IC

* 来源: * 作者: admin * 发表时间: 2020-05-28 18:24:00 * 浏览: 31

随着车载以太网的推广和自动驾驶技术到来,物理层IC越来越重要,越来越昂贵,本文将深入介绍汽车物理层IC。常见的物理层IC主要是各种网络通信的物理层IC,包括CAN、Flexray、CAN-FD、MOST、LIN等,还有最近的以太网物理层IC,因为混合信号的缘故,很难集成进大规模数字SoC领域,一直都单独存在。本文由布谷鸟科技-产研首席分析师周彦武老师编写。

 界面传输IP是目前仅次于CPU/GPU(即ARM)的第二大半导体IP交易对象。MIPI、车载以太网和SerDes是目前的热门话题。汽车界面IC主要分为两大类,一类是网络界面IC,即物理层IC或收发器IC。另一类是视频与图像传输IC,包括各种格式视频或图像的传输与格式转换。如LVDS、MIPI、HDMI、eDP,还有SerDes解串行IC。界面IC是独特的混合信号IC,因此具备比较高的技术门槛,也是很多数字IC大厂所不具备,也因此成为主要的半导体IP交易对象。

 界面IC是混合IC,包含有模拟和数字。众所周知,模拟IC处理的信号都具有连续性,可以转换为正弦波研究,而数字IC处理的是非连续性信号,都是脉冲方波。模拟电路比较注重经验,设计门槛高,学习周期10-15年,数字电路则有EDA工具辅助,学习周期3-5年。模拟IC强调的是高信噪比、低失真、低耗电、高可靠性和稳定性。产品一旦达到设计目标就具备长久的生命力,生命周期长达10年以上的模拟IC产品也不在少数。如音频运算放大器NE5532,生命周期超过50年,现在还在用。数字IC多采用CMOS工艺,而模拟IC少采用CMOS工艺。因为模拟IC通常要输出高电压或者大电流来驱动其他元件,而CMOS工艺的驱动能力很差。此外,模拟IC最关键的是低失真和高信噪比,这两者都是在高电压下比较容易做到的。而CMOS工艺主要用在5V以下的低电压环境,并且持续朝低电压方向发展。对于数字电路来说是没有噪音和失真的,数字电路设计者完全不用考虑这些因素。此外由于工艺技术的限制,模拟电路设计时应尽量少用或不用电阻和电容,特别是高阻值电阻和大容量电容,只有这样才能提高集成度和降低成本。某些射频IC在电路板的布局也必须考虑在内,而这些是数字IC设计所不用考虑的。因此模拟IC的设计者必须熟悉几乎所有的电子元器件。

另一个门槛是CDR,即时钟数据恢复,对于高速的串行总线来说,一般情况下都是通过数据编码把时钟信息嵌入到传输的数据流里,然后在接收端通过时钟恢复把时钟信息提取出来,并用这个恢复出来的时钟对数据进行采样,因此时钟恢复电路对于高速串行信号的传输和接收至关重要。对于高速的串行总线来说,一般情况下都是通过数据编码把时钟信息嵌入到传输的数据流里,然后在接收端通过时钟恢复把时钟信息提取出来,并用这个恢复出来的时钟对数据进行采样,因此时钟恢复电路对于高速串行信号的传输和接收至关重要。CDR接口的主要设计挑战是抖动,即实际数据传送位置相对于所期望位置的偏移。总抖动(TJ)由确定性抖动和随机抖动组成。大多数抖动是确定的,其分量包括码间干扰、串扰、占空失真和周期抖动(例如来自开关电源的干扰)。而通常随机抖动是半导体发热问题的副产品,且很难预测。 传送参考时钟、传送PLL、串化器和高速输出缓冲器都对会传送抖动造成影响。一般来说对低频的抖动容忍度很高,PLL电路能够很好地跟踪,恢复出来的时钟和被测信号一起抖动。高频比较麻烦,要设置PLL电路过滤掉,如何设置,没有电脑辅助,全靠经验,没有10年左右的经验是做不好的。

这也使得界面IC的护城河非常宽阔,可以允许非常小的厂家存在,它可能只有一款产品,但生命力异常顽强。界面IC厂家的历史都非常悠远,最少都在10年以上,大部分超过20年。中国极少这种厂家。   


上图为网络 OSI 7层模型,传输界面IC可看作物理层IC,也可以叫收发器IC。PHY连接一个数据链路层的设备(MAC)到一个物理媒介,如光纤或铜缆线。典型的PHY包括PCS(Physical Coding Sublayer,物理编码子层)和PMD(Physical Media Dependent,物理介质相关子层)。PCS对被发送和接受的信息加码和解码,目的是使接收器更容易恢复信号。物理层不是指具体的物理设备,也不是指信号传输的物理媒体,而是指在物理媒体之上为上一层(数据链路层)提供一个传输原始比特流的物理连接。物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除,而提供具有机械的,电子的,功能的和规范的特性。简单的说,物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。以以太网为例,数据链路层分为上层LLC(Logical Links Control,逻辑链路控制),和下层的MAC(媒体访问控制),MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候,MAC协议可以事先判断是否可以发送数据,如果可以发送将给数据加上一些控制信息,最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层;在接收数据的时候,MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误,如果没有错误,则去掉控制信息发送至LLC(逻辑链路控制)层。


常见的汽车网络总线有CAN、LIN、CAN-FD、Flexray、MOST。基本上我们只需要关心1、2、4层,4层主要用做诊断,MOST则比较复杂,只在大众和奥迪上有使用,1-7层都需要关注。MOST目前已经很罕见。物理层IC价格都很低,除了Flexray和MOST,都低于1美元。Flexray大约4.5美元。NXP基本垄断Flexray物理层市场,CAN、CAN-FD领域市场占有率也极高。

CAN网络的OSI模型

Flexray的OSI模型

车载以太网物理层IC,100Mbps的大约3-4美元,德州仪器、NXP传统汽车芯片大厂市场占有率高,传统网络芯片厂家博通也略强。1Gbps的大约15-20美元,Marvell在此领域实力超强,博通和Microchip也有一席之地。1Gbps以上基本只有Aquantia,Aquantia已经被Marvell以4.52亿美元收购。10Gbps有Aquantia的AQV107,大约40美元一片。


PHY在发送数据的时候,收到MAC过来的数据(对PHY来说,没有帧的概念,对它来说,都是数据而不管什么地址,数据还是CRC),每4bit就增加1bit的检错码,然后把并行数据转化为串行流数据,再按照物理层的编码规则(10Based-T的NRZ编码或100based-T的曼彻斯特编码)把数据编码,再变为模拟信号把数据送出去。网线上的到底是模拟信号还是数字信号呢?答案是模拟信号,因为它传出和接收是采用的模拟的技术。虽然它传送的信息是数字的,并不是传送的信号是数字的。   

通常交换器IC和MCU会集成低端(如CAN网络)的物理层,高端(如以太、Flexray网络)物理层一般都是单独的芯片。

 PHY与MAC之间则是MII和MII的变形


RMII口是用两根线来传输数据的,MII口是用4根线来传输数据的,GMII是用8根线来传输数据的。SGMII是1一根线传输数据。GMII和RMII都是并行传输并需要随路时钟。MII/RMII只是一种接口,对于10M线速,MII的速率是2.5M,RMII则是5M;对于100M线速,MII的速率是25M,RMII则是50M。GMII都是1Gbps带宽,SGMII是1.25Gbps带宽。MII/RMII用于传输以太网包,在MII/RMII接口是4/2bit的,在以太网的PHY里需要做串并转换、编解码等才能在双绞线和光纤上进行传输。SGMII是PHY与MAC之间的接口,类似与GMII和RGMII,只不过GMII和RGMII都是并行的,而且需要随路时钟,PCB布线相对麻烦,而且不适应背板应用。而SGMII是串行的,不需要提供另外的时钟,MAC和PHY都需要CDR去恢复时钟。另外SGMII是有8B/10b编码的,速率是1.25G,XGMII--10 Gigabit Media Independent Interface 是“10Gb独立于媒体的接口”,X(注意要大写)对应罗马数字10。