設計一款中央計算的軟件定義汽車架構

軟件定義汽車離不開未來的中央計算架構，二者是相輔相成的。

上圖是德州儀器構思的中央計算架構，筆者設計了一個車輛中央計算架構，對于車輛計算中心選擇兩片英偉達的Orin，一片側重于ADAS，命名為Orin A，一片側重于座艙，命名為Orin B。

上圖是瑞薩的中央計算架構，因為瑞薩沒有最擅長的MCU，所以只畫出了MCU和中央計算中心（服務器）也就是包含了AD/FAS智能駕駛服務器和IVI座艙服務器。對于Zonal模塊，就是傳感器、致動器加網關，交換機加MCU實際就是網關。對于那些主要是CAN網絡的部分，交換機就不需要了，CAN網絡沒那么復雜，以太網網絡的部分則需要以太網交換機。

以太網交換機選擇Marvell最新的第三代符合功能安全的汽車以太網交換機88Q5112，這是一個9口以太網交換機。內部集成了6個物理層，包括3個100/10BASE-T1(S)，兩個1000/100BASE-T1，一個100BASE-T1/TX。可以對應5個Zonal ECU外加一個診斷OBD。診斷OBD用1000Base-T1。目前除了智能駕駛和座艙，都用不到100Mbps的帶寬，Zonal主要還是車身和舒適性網絡。底盤和動力傳遞用CAN、CAN-FD或Flexray足夠了。

上圖是88Q5112內部框架圖，對TSN支持比較豐富，包括802.1AS-2020，802.1Qat / Qav / Qbu / Qbv / Qci / Qcr，還有確保安全性的802.1CB。

上圖為兩顆Orin的攝像頭輸入圖，Orin最多輸入16lane MIPI CSI-2，此外還有C-PHY和D-PHY做虛擬通道，800萬像素需要占用4lane，低于200萬像素1lane即可，超過200萬就需要2lane，保險起見，200萬像素用2lane，所有傳感器型號僅供參考。智能駕駛部分，前主攝像頭可以用三顆250萬像素攝像頭對應短中遠三個距離，或者用一顆800萬像素，或者用兩顆250萬像素做立體雙目。其余4-6顆都用250萬像素或200萬像素攝像頭，目前對應200萬像素以上的解串行芯片只有ADI的MAX9296，加串行是MAX9295，完全壟斷市場。MAX9296有1.5G、3G、6G三檔可調，最高可對應1600萬像素輸入。

電子倒車鏡又叫Camera Monitor System或E-mirror，就是用屏幕代替倒車鏡，也需要兩路視頻輸入，由于顯示屏小，100萬像素分辨率就已足夠了，這個顯示屏可以添加ADAS功能，因此歸到ADAS系統里。

座艙領域視頻輸入主要有360環視、AR導航和駕駛員監測DMS。360環視采用比較先進的200萬像素攝像頭，4合一輸出到MAX9286。AR導航也不需要太高分辨率，130萬像素就足夠。DMS目前有朝高分辨率方向發展，還有導入ToF攝像頭的趨勢，這里暫定200萬像素。

攝像頭數據也可以用以太網傳輸，RAW10格式30fps下的200萬像素攝像頭碼率大約是0.6Gbps，如果是RGB888格式，碼率大約1.44Gbps，800萬像素碼率大約5.7Gbps，目前最高有對應10Gbps的以太網物理層芯片，傳輸800萬像素完全不成問題。高分辨率攝像頭一般都是RAW8或RAW10格式輸出，低分辨率一般是YUV422格式輸出。以太網傳輸的好處是可以用單對非屏蔽雙絞線即可，MIPI CSI-2是需要同軸電纜傳輸。以太網連接器的成本也要明顯低于MIPI CSI-2的連接器。以太網也方便用TSN做數據整形、流量控制等動作，連接以太網交換機路由的方式交換通信也比MIPI CSI-2更加靈活。以太網物理層芯片的成本也低于解串行芯片的成本，但高于加串行芯片的成本。以太網的缺點是調試異常復雜，調試設備價格非常昂貴，大多數工程師都不熟悉以太網的調試。

以太網也可以橋接攝像頭，如Marvell的88QB5224。

如果SoC的MIPI CSI-2接口用完了，但仍然必須接入攝像頭，這時就可以考慮以太網橋接，如上圖。88QB5224支持IEEE802.3ch標準，最高支持10G，接入4個200萬或250萬像素攝像頭是沒有問題的。

上圖是激光雷達與毫米波雷達傳感器輸入簇。

激光雷達可能需要1-3個，1個主激光雷達，考慮到激光雷達技術進步，因此預留了足夠的帶寬余地，最高支持10Gbps，也就是相當于1200萬像素攝像頭的分辨率，當然激光雷達是3D的。目前任何類型的激光雷達1Gbps的帶寬就足夠。輔助激光雷達通常是補盲，分辨率很低，100Mbps的帶寬就足夠，角雷達一般是毫米波雷達，目前多用CAN-FD輸出，不過Orin要支持CAN-FD會比較麻煩，所以就也用以太網，角雷達一般也支持以太網輸出，通常帶寬10Mbps就足夠。4D毫米波雷達輸出數據量大，用100Mbps帶寬也足夠。最后的控制底盤的MCU選擇英飛凌最新的TCC4XX系列，帶寬1Gbps足夠。

Marvell的88Q4364，它和博通的BCM8989X是目前唯二支持10G 車載以太網的物理層芯片。

88Q6113是Marvell最新的第三代11口以太網交換機。

上圖是88Q6113內部框架圖，TSN方面支持802.1Qav/Qbv、802.1Qat、802.1AS。

上圖為Orin B的視頻輸出簇，Orin的顯示輸出只有一個就是DisplayPort(DP) 1.4a，也可以配置成HDMI輸出或eDP輸出，不過Orin有多達7個USB輸出，包括3個USB3.2和4個USB2.0，USB和DisplayPort是可以輕松轉換的，再將DisplayPort轉換為其他格式，目前高分辨率顯示屏基本都采用DP或eDP輸入，不過車載領域主要還是LVDS，發展方向是eDP輸入，如目前的2K或4K車載OLED屏就是如此。這就省了不少格式轉換，DP也可以轉換為LVDS，如譜瑞的PS8625，最高帶寬2.7Gbps，最高分辨率1920*1200，順便說一下這就是特斯拉用的芯片。USB2.0的帶寬比較低，只能做后排的小屏，分辨率大概1280*720的水平，做AR-HUD也是足夠的。USB3.2是足以支持2K分辨率的。以Orin強大的GPU能力，輸出5個2K屏顯示應該還是比較輕松的。Orin A也需要3路視頻輸出，一路傳輸到中央顯示屏CID，可以手動切換信號源，用Orin A的DP輸出，另外兩路就是電子倒車鏡，用Orin的USB3.2輸出，轉換為LVDS即可。

座艙的音頻部分可以參考ADI的設計，這是頂級座艙音頻，還包含了主動車內降噪和路面降噪，音質要好的一個重要前提就是車內噪音要低。HeadUnit就是Orin B，老舊的MOST總線需要使用光纖，非常麻煩，已經被時代遺棄了。圖上還少了一個到T-Box做E-Call的分支。

上圖是座艙部分的外設，一般來說SoC的PCIe端口接藍牙與WiFi無線模塊的PCIe，不過兩個Orin會占用最高等級的PCIe，此外板對板有時候也用PCIe連接，因此多設計一個PCIe轉以太網的MICROCHIP的LAN7431，以太網交換機選7口的88EA6321，Orin的USB接口被占用不少，因此需要添加一個USB HUB，選MICROCHIP的USB4914，座艙的MCU還是選擇瑞薩的S4或傳統的RH850。USS是超聲波傳感器，超聲波傳感器一般使用DSI3總線連接，1主11從。超聲波傳感器系統與Orin連接可以用UART+SPI，這是比較麻煩的。

NVIDIA DRIVE 6.0的網絡拓撲Safety模式

最后放上英偉達最新自動駕駛系統DRIVE 6.0的網絡拓撲圖以供參考。DRIVE 6.0的網絡拓撲有兩種，一種是BASE，另一種是Safety，上圖就是Safety模式。Safety模式下以太網交換機的CPU被繞開，所以不支持OTA。同時最大MTU尺寸從16k減少到1500byte。這里的Tegra就是Orin，Aurix是英飛凌TC397T。這里的以太網交換機1是Marvell的88Q5072，以太網交換機2是88Q6113。LAN7431是Mircochip的PCIe轉以太網的芯片。Safety模式為了安全，犧牲了一些交換機性能，因此多加了一個高等級以太網交換機88Q6113，實際一個88Q5072就足夠。

NVIDIA DRIVE 6.0的網絡拓撲Base模式

這是DRIVE 6.0的網絡拓撲Base模式，以太網交換機是88Q5072。Orin有兩條10Gbps線路，一條連接以太網交換機，另一條就是連接到中央網關，也就是車內骨干以太網的線路。

英偉達還特別提到車載以太網TSN標準的API，包括了時間同步的802.1AS(gPTP)，序列與流量整形有802.1Qav, 802.1Qbv, 802.1Qbu/802.3br, 802.1CB 和802.1Qci，失效容忍的802.1Qat和802.1Qcc。

未來的中央計算架構也有點像PC機，所有的數據處理都靠一顆CPU，基礎中間件AUTOSAR和在此之上的Linux、QNX、Android等操作系統構成了類似Windows的系統，對絕大多數的程序員來說，它基本是透明的，程序員只是設計應用軟件。這才是真正的軟件定義汽車。