IDB-1394汽车网络应用于车载电子系统实现了功能强大的经济型车载网络
2010-12-18 10:35:01
来源：《半导体器件应用》2009年12月刊
1 前言
在开发引人注目的车载信息娱乐解决方案中，汽车制造商现在可以利用标准1394总线技术。标准1394也被称作FireWire(Apple)、i.Link (Sony)和Lynx(Texas Instruments)，已经证明对于在多种应用中传输信息娱乐数据是很理想的。现在，它保证提供跟1394汽车网络相同的高性能。
看一下连接到网络上的器件列表即可明白汽车网络的带宽要求（参见图1）。这些器件如下：
① 用于避免碰撞的视野摄像头；
②GPS装置；
③MP3播放器；
④高清晰度多媒体播放器和显示器；
⑤游戏控制台；
⑥通过蜂窝和Wi-Fi网络连接到网页与电子邮件上的PC和其它器件。
这些器件需要大量网络带宽，并且将来吞吐量要求也会不断提高。必须适当处理流量，以便提供良好的服务质量。该网络采用的技术包括硬件和软件两部分。
2 1394汽车技术简介
1394标准涉及2种数据通信：同步和异步。同步数据（视频和音频）要保证及时性，但不保证送达。如果迟到，则这类数据的本质让它成了无用数据，但是可以丢弃某些数据而不会产生重大问题。1394规范分配了125s的周期时隙来发送同步数据。
另一方面，异步数据要保证送达，但不保证及时性。这类数据必须到达目的地，但是时间不重要。如果未能送达，节点则会重新发送数据。
1394协议堆栈见图2，由事物处理层、链路层和物理层组成。在1394控制器IC中、在软件中实现事物处理层；在软件或硬件中实现链路层；在硬件中实现物理层。
3 1394汽车技术与竞争技术对比
了解1394汽车功能的最简便方法是将其与替代技术进行对比。跟1394相比，MOST150（MOST速度最高的版本）和千兆位级以太网的劣势很明显，如下所述。这些劣势涉及市面上的网络标准和IC实现。
3.1 MOST150的劣势
(1)缺乏DTCP
内容保护是汽车数字多媒体网络必须具备的特性，并且数字传输内容保护（DTCP）是实现这种功能的主要技术。由于MOST150产品缺乏这种特性，所以MOST网络需要其它器件来实现内容保护（见图3）。
缺乏内容保护导致硬件成本和其它软件支持成本的增加。并且，即使使用外部DTCP器件，也只能在网络而不是存储媒体（HDD等）上保护MOST150系统中的多媒体内容。
相反，1394汽车IC具有内置式DTCP。这种方法可将硬件和软件成本最小化，同时还能保证全面保护数据。
(2)总线速度低
MOST150网络只能够实现150Mbps的速度，这只是当今的1394汽车器件的800Mbps总线速度的一小部分。将来，1394器件的总线速度预计会加倍。
(3)需要外部数据压缩
为了补偿总线速度低的不足，MOST150网络可以通过使用数据压缩将数据吞吐量提高到可以与1394汽车相媲美的水平。这种方案需要外部编解码器来压缩和解压缩多媒体数据，从而产生了2个问题：
①实现多媒体压缩和解压缩（如MPEG2-TS）需要典型器件，而这些器件会使延迟大幅增加-可能高达400ms。因此，驱动器会发现视野照相机视频中出现了显著延迟。在用户快进DVD时，压缩/解压缩延迟还会导致重大延迟（图4）；
②使用外部编解码器产生的成本问题。伴随编解码器的是设计需要外部帧存储器来缓冲视频。事实上，MOST150设计需要的芯片器件可能多达8个。
由于1394汽车网络的总线速度高得多，所以根本无需压缩。然而，如果预期的带宽要求极高，设计则可以利用内置到富士通1394汽车器件中的编解码器来实现低延迟和低成本。我们认为，这些内置式编解码器可以将延迟保持在4ms，并且只需2块芯片即可实现设计。
1394汽车和MOST150所需的器件数量对比见图5。
(4)软件
由于少数公司控制着MOST技术，所以只有少量的公司掌握着该多媒体总线的软件专业知识。因此，MOST系统的软件开发成本较高，并且系统集成商也只能控制有限的软件。
3.2千兆位级以太网的劣势
(1)缺乏集成式DTCP
与MOST一样，以太网控制器缺乏集成式DTCP功能。用于实现外部DTCP功能的其它元件增加了成本，并且损害了存储器件内的数据保护。
(2)可能的外部编解码器
虽然千兆位级以太网的带宽比MOST150的高得多，但是不断增加的带宽需求（如用于高清晰度视频）最终可能会迫使以太网使用数据压缩。由于以太网控制器缺乏集成式编解码器，所以会要求使用外部元件，因此增加了所需芯片的数量和成本。
(3)无内在服务质量(QoS)
以太网标准不包含QoS规定。要实现与1394汽车同等的QoS水平，以太网需要其它软件开销、存储器缓冲器和时间戳电路。要保证实现可靠的视频和音频数据通信，这些是必须的。
(4)分立PHY和LINK 器件的成本
大多数以太网媒体访问控制器需要外部PHY芯片。虽然这些芯片不贵，但系统总成本仍然高于1394汽车。
(5)高CPU要求的成本
由于以太网不具备固有多媒体功能，所以外部CPU必须提供大量辅助功能。特别是，CPU必须截取和分析来自于网络的数据包，并将它们发送给适当的器件来将数据转化成音频和视频。这种处理显著提高了通过以太网提供多媒体支持的CPU要求。
(6)软件成本
跟以太网需要大量CPU支持来处理多媒体内容一样，网络标准需要大量软件来可靠地实现这些功能。提供许多以太网软件，但是由于需要获得使用权，所以极大地增加了许可成本。
4 MB88395的主要特性
富士通推出的最新1394汽车串行总线控制器- MB88395-符合IEEE标准1394b-2008的要求。芯片将PHY和LINK 层整合到了单芯片解决方案中，并且具有2个用于实现1394电缆连接的端口。它还整合了DTCP协议。芯片实现了高达800Mbps的总线速度。该带宽使得它能够轻松处理来自于高清晰度蓝光视频、GPS导航数据和其它视野照相机的高总线流量水平。
如图6所示，器件具有MPU/DMA或用于实现主控制的串行接口。跟早期的1394控制器一样，新芯片所有功能的硬件加速允许将低MIPS MCU用作主处理器来控制器件。为同步和异步数据提供了2条内部通道。同步通道如图6下半部分所示。
富士通用于视频数据压缩的SmartCODEC被内置到MB88395中，可以消除发送端和接收端对外部压缩芯片（MPEG2、H.264等）的需要，因此节省了大量成本。SmartCODEC实现支持的压缩率比先前的版本高-1/4 对1/3（先前的版本）。我们认为，芯片较高的总线速度和较高的压缩率为驾驶员及乘客扩大了特性丰富的增强型信息娱乐体验的可能性。至于向后兼容性，新型编解码器还支持上一代SmartCODEC的1/3压缩。
SmartCODEC框图见图7。该功能模块利用预测编码相邻像素相关技术来进行视频压缩。
5 结论
我们认为，1394汽车标准的带宽、灵活性、经济性和技术特性都满足现在和将来信息娱乐网络的要求。富士通MB88395控制器代表了1394为汽车行业带来的所有优势，并且还提供了大量新增功能，简化了系统集成，实现了成本最小化。
在开发引人注目的车载信息娱乐解决方案中，汽车制造商现在可以利用标准1394总线技术。标准1394也被称作FireWire(Apple)、i.
看一下连接到网络上的器件列表即可明白汽车网络的带宽要求（参见图1）。这些器件如下：
① 用于避免碰撞的视野摄像头；
②GPS装置；
③MP3播放器；
④高清晰度多媒体播放器和显示器；
⑤游戏控制台；
⑥通过蜂窝和Wi-Fi网络连接到网页与电子邮件上的PC和其它器件。
这些器件需要大量网络带宽，并且将来吞吐量要求也会不断提高。必须适当处理流量，以便提供良好的服务质量。该网络采用的技术包括硬件和软件两部分。
2 1394汽车技术简介
1394标准涉及2种数据通信：同步和异步。同步数据（视频和音频）要保证及时性，但不保证送达。如果迟到，则这类数据的本质让它成了无用数据，但是可以丢弃某些数据而不会产生重大问题。1394规范分配了125s的周期时隙来发送同步数据。
另一方面，异步数据要保证送达，但不保证及时性。这类数据必须到达目的地，但是时间不重要。如果未能送达，节点则会重新发送数据。
1394协议堆栈见图2，由事物处理层、链路层和物理层组成。在1394控制器IC中、在软件中实现事物处理层；在软件或硬件中实现链路层；在硬件中实现物理层。
3 1394汽车技术与竞争技术对比
了解1394汽车功能的最简便方法是将其与替代技术进行对比。跟1394相比，MOST150（MOST速度最高的版本）和千兆位级以太网的劣势很明显，如下所述。这些劣势涉及市面上的网络标准和IC实现。
3.1 MOST150的劣势
(1)缺乏DTCP
内容保护是汽车数字多媒体网络必须具备的特性，并且数字传输内容保护（DTCP）是实现这种功能的主要技术。由于MOST150产品缺乏这种特性，所以MOST网络需要其它器件来实现内容保护（见图3）。
缺乏内容保护导致硬件成本和其它软件支持成本的增加。并且，即使使用外部DTCP器件，也只能在网络而不是存储媒体（HDD等）上保护MOST150系统中的多媒体内容。
相反，1394汽车IC具有内置式DTCP。这种方法可将硬件和软件成本最小化，同时还能保证全面保护数据。
(2)总线速度低
MOST150网络只能够实现150Mbps的速度，这只是当今的1394汽车器件的800Mbps总线速度的一小部分。将来，1394器件的总线速度预计会加倍。
(3)需要外部数据压缩
为了补偿总线速度低的不足，MOST150网络可以通过使用数据压缩将数据吞吐量提高到可以与1394汽车相媲美的水平。这种方案需要外部编解码器来压缩和解压缩多媒体数据，从而产生了2个问题：
①实现多媒体压缩和解压缩（如MPEG2-TS）需要典型器件，而这些器件会使延迟大幅增加-可能高达400ms。因此，驱动器会发现视野照相机视频中出现了显著延迟。在用户快进DVD时，压缩/解压缩延迟还会导致重大延迟（图4）；
②使用外部编解码器产生的成本问题。伴随编解码器的是设计需要外部帧存储器来缓冲视频。事实上，MOST150设计需要的芯片器件可能多达8个。
由于1394汽车网络的总线速度高得多，所以根本无需压缩。然而，如果预期的带宽要求极高，设计则可以利用内置到富士通1394汽车器件中的编解码器来实现低延迟和低成本。我们认为，这些内置式编解码器可以将延迟保持在4ms，并且只需2块芯片即可实现设计。
1394汽车和MOST150所需的器件数量对比见图5。
(4)软件
由于少数公司控制着MOST技术，所以只有少量的公司掌握着该多媒体总线的软件专业知识。因此，MOST系统的软件开发成本较高，并且系统集成商也只能控制有限的软件。
3.2千兆位级以太网的劣势
(1)缺乏集成式DTCP
与MOST一样，以太网控制器缺乏集成式DTCP功能。用于实现外部DTCP功能的其它元件增加了成本，并且损害了存储器件内的数据保护。
(2)可能的外部编解码器
虽然千兆位级以太网的带宽比MOST150的高得多，但是不断增加的带宽需求（如用于高清晰度视频）最终可能会迫使以太网使用数据压缩。由于以太网控制器缺乏集成式编解码器，所以会要求使用外部元件，因此增加了所需芯片的数量和成本。
(3)无内在服务质量(QoS)
以太网标准不包含QoS规定。要实现与1394汽车同等的QoS水平，以太网需要其它软件开销、存储器缓冲器和时间戳电路。要保证实现可靠的视频和音频数据通信，这些是必须的。
(4)分立PHY和
大多数以太网媒体访问控制器需要外部PHY芯片。虽然这些芯片不贵，但系统总成本仍然高于1394汽车。
(5)高CPU要求的成本
由于以太网不具备固有多媒体功能，所以外部CPU必须提供大量辅助功能。特别是，CPU必须截取和分析来自于网络的数据包，并将它们发送给适当的器件来将数据转化成音频和视频。这种处理显著提高了通过以太网提供多媒体支持的CPU要求。
(6)软件成本
跟以太网需要大量CPU支持来处理多媒体内容一样，网络标准需要大量软件来可靠地实现这些功能。提供许多以太网软件，但是由于需要获得使用权，所以极大地增加了许可成本。
4 MB88395的主要特性
富士通推出的最新1394汽车串行总线控制器- MB88395-符合IEEE标准1394b-2008的要求。芯片将PHY和
如图6所示，器件具有MPU/DMA或用于实现主控制的串行接口。跟早期的1394控制器一样，新芯片所有功能的硬件加速允许将低MIPS MCU用作主处理器来控制器件。为同步和异步数据提供了2条内部通道。同步通道如图6下半部分所示。
富士通用于视频数据压缩的SmartCODEC被内置到MB88395中，可以消除发送端和接收端对外部压缩芯片（MPEG2、H.264等）的需要，因此节省了大量成本。SmartCODEC实现支持的压缩率比先前的版本高-1/4 对1/3（先前的版本）。我们认为，芯片较高的总线速度和较高的压缩率为驾驶员及乘客扩大了特性丰富的增强型信息娱乐体验的可能性。至于向后兼容性，新型编解码器还支持上一代SmartCODEC的1/3压缩。
SmartCODEC框图见图7。该功能模块利用预测编码相邻像素相关技术来进行视频压缩。
5 结论
我们认为，1394汽车标准的带宽、灵活性、经济性和技术特性都满足现在和将来信息娱乐网络的要求。富士通MB88395控制器代表了1394为汽车行业带来的所有优势，并且还提供了大量新增功能，简化了系统集成，实现了成本最小化。
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