Progettazione IP e sistemi d’intrattenimento

Ethernet sta rapidamente assumendo un ruolo cruciale nei protocolli di comunicazione delle auto di ultima generazione. Questo standard supporta applicazioni a larga banda legate ad esempio all'infotainment, ai sistemi avanzati di guida assistita, alle videocamere e così via. Per facilitare lo sviluppo dei sistemi automotive basati su Ethernet, sta emergendo un ecosistema di progettazione e verifica della proprietà intellettuale concepito in modo specifico per il mercato automobilistico. Questo articolo prende in esame la crescente importanza dell'IP Ethernet per automotive nella progettazione e nello sviluppo dei sistemi on chip automobilistici. Per illustrare questo fenomeno, l'articolo prende in esame un sistema audio automotive di riferimento basato su Ethernet. Le tecnologie legate all'infotainment, ai sistemi Adas, alle telecamere, ai sensori, alla connettività mobile e a numerosi altri dispositivi elettronici ad alte prestazioni destinati alle vetture stanno alimentando lo sviluppo dei veicoli di nuova generazione. L'industria automobilistica sta adottando Ethernet come protocollo di comunicazione principale per la trasmissione ad alte prestazioni dei dati all'interno del veicolo. A tal fine, la tecnologia Ethernet automotive consente di utilizzare un singolo doppino Utp a basso costo, riducendo significativamente i costi e i pesi legati al cablaggio. Ciò rende la tecnologia Ethernet una soluzione onnicomprensiva, valida per tutte le comunicazioni in-car. Utilizzando le soluzioni più recenti di progettazione e verifica della proprietà intellettuale, gli ingegneri automotive hanno l'opportunità di portare rapidamente i loro sviluppi SoC sul mercato. Cadence, ad esempio, offre la tecnologia IP di elaborazione dei segnali digitali e d'interfacciamento audio/video basata su processori Tensilica che utilizzano il protocollo Ethernet, che può essere sfruttata per realizzare potenti sistemi elettronici automotive rivolti a varie applicazioni in-car. Le unità di elaborazione dati legate alla piattaforma Tensilica offrono una gamma ottimizzata e altamente configurabile di codec per Dsp audio/voce. A questa si affiancano i Dsp IVP, che consentono la riproduzione di contenuti multimediali ad alta risoluzione. Cadence dispone altresì di un Mac (Media Access Controller) Ethernet per automotive che supporta in modo specifico i requisiti necessari per il mercato automobilistico. Tale soluzione offre tre diverse velocità di funzionamento (10/100/1000M), consentendo un trasferimento deterministico e in tempo reale dei dati in applicazioni critiche per la sicurezza, come ad esempio i sistemi ABS. L'elevata larghezza di banda, la precisione delle temporizzazioni e la qualità del servizio permettono di erogare flussi audio/video tramite protocolli di bridging Ieee 802.1 AS/QAV/QAT.

Un sistema audio basato su Ethernet automotive
Forte della sua esperienza nella tecnologia audio e nel protocollo Ethernet, Cadence ha sviluppato una piattaforma di riferimento utilizzando dei core IP che replicano un sistema automotive veicolare. Questa piattaforma audio esemplifica efficacemente una soluzione di elaborazione, distribuzione e riproduzione veicolare dei contenuti audio composta da un'unità principale di infotainment e da punti terminali collegati via Ethernet automotive. I punti audio terminali sono rappresentati da amplificatori/altoparlanti installati in luoghi diversi della vettura; l'unità principale si trova accanto al conducente. Tale sistema presenta notevoli problemi di sincronizzazione legati ai requisiti di jitter e di latenza propri dei flussi dati audio. Per ottenere una riproduzione ad alta fedeltà su ciascun punto terminale del sistema, i dati audio trasmessi ai diversi endpoint devono infatti essere sincronizzati tra loro. Risolvere questi problemi non è cosa da poco, ma Ethernet offre un protocollo consolidato capace di affrontare e risolvere le sfide di sincronizzazione e di latenza all'interno dei sistemi di infotainment veicolare. Gli standard Ieee sviluppati dal gruppo di lavoro Time Sensitive Networking mettono a disposizione un insieme comune di specifiche che consentono di erogare servizi di streaming sincronizzati e a bassa latenza attraverso Ethernet. Quando vengono trasferiti a più endpoint audio, i flussi di dati audio sono sensibili al jitter e alla latenza. Tuttavia, trasferendo questi flussi utilizzando lo standard Avtp (Audio Video Transport Protocol) Ieee 1722 e sfruttando due caratteristiche peculiari dell'Ethernet automotive è possibile garantire una riproduzione audio di alta qualità. Utilizzando le code hardware di trasmissione e ricezione presenti nel Mac Ethernet Cadence, i meccanismi di prenotazione Ieee 802.1Qat e il protocollo di bridging audio/video Ieee 802.1Qav, è possibile distribuire flussi audio che rispettano i requisiti di larghezza di banda e di latenza necessari. Anche la distorsione di latenza tra più canali audio terminali può essere un problema. Tale distorsione è dovuta ai diversi ritardi di trasporto, che possono essere corretti attraverso il Precision Time Protocol Ieee 1588. Per dimostrare le interrelazioni e l'interoperabilità dell'IP Cadence e la sua idoneità come soluzione completa per SoC audio automotive, Cadence ha sviluppato un endpoint audio che viene emulato su piattaforma Fpga. I flussi audio destinati agli altoparlanti vengono trasportati su Ethernet automotive. La figura mostra come il sistema audio sia stato progettato e sviluppato utilizzando vari blocchi IP:
- Mac Automotive Ethernet
- Processore Dsp Hifi Audio Tensilica
- Processore compatibile Linux Tensilica DE_233L
- IP interfaccia audio multi-channel I2S
- Controller Sdram Ddr3
- Periferiche Uart/I2C/Spi.

I pacchetti Ethernet Ieee 1722 AVTP vengono trasmessi su Ethernet da un Pc, che emula l'unità di infotainment principale, utilizzando un PhyBroadR-Reach e un semplice doppino. Questi pacchetti sono ricevuti dal Mac Ethernet e scritti nella memoria Ddr per l'elaborazione. Il processore Tensilica DE_233L, su cui girano Linux e uno stack software Avb, gestisce ed elabora questi flussi audio per poi trasferirli al processore HiFi per un'ulteriore post-elaborazione o all'interfaccia I2S per la riproduzione. Sia sull'unità principale di infotainment sia sull'endpoint audio gira un sistema operativo Linux con uno stack software Avb. Entrambe le implementazioni software utilizzano lo standard Gptp (Ieee 802.1AS: Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications), il quale permette di mantenere la sincronizzazione temporale con una precisione misurabile in nanosecondi. L'applicazione che trasferisce il flusso audio è nota come Talker. Questa legge un file audio in formato Pcm, quindi utilizza lo stack Open-Avb per la trasmissione di campioni in pacchetti Ieee 1722 a intervalli fissi. In ciascun pacchetto è incorporato un marcatore temporale di presentazione che indica il momento in cui ogni campione deve essere riprodotto. L'applicazione che riceve il flusso audio è nota come Listener. Essa utilizza l'Mrp (Multiple Registration Protocol) per registrare i suoi attributi come Listener. Quindi, utilizza l'Api Pcap per leggere ogni pacchetto in formato Ieee1722 man mano che viene ricevuto, bufferizzando i dati fino al momento di riprodurli. Il canale audio di sinistra viene riprodotto sul Talker, mentre il canale audio destro viene riprodotto sul Listener. Quando i due clock sono sincronizzati, l'audio risulta esattamente allineato. Per illustrare i problemi di sincronizzazione e di latenza che insorgono in un sistema di questo tipo, l'applicazione Listener può essere configurata per sfasare il clock Ptp a partire da un tempo predeterminato, creando un disallineamento tra i canali audio sinistro e destro.

Metodologia di progettazione
Invece di utilizzare una metodologia di verifica tradizionale per validare il progetto, il sistema audio Ethernet automotive è stato verificato direttamente nell'ambiente del sistema. Ciò consente di anticipare lo sviluppo del firmware nell'ambito del ciclo di progettazione. La piattaforma Cadence Palladium XP offre una soluzione di emulazione hardware in cui i progettisti possono verificare il sistema che hanno progettato dal vero, e non semplicemente simulandolo. L'emulazione in-circuit attraverso una piattaforma Cadence SpeedBridge Adapter per Ethernet automotive e un debugger Jtag permettono di collegare l'ambiente XP Palladium a un prototipo del sistema audio Ethernet automotive, fornendo un metodo di verificare dal vivo il comportamento del sistema. L'impiego della piattaforma XP Palladium in modalità Ice e di un adattatore Ethernet SpeedBridge ha consentito una verifica rapida delle interconnessioni e dell'interoperabilità di ogni blocco IP all'interno del progetto attraverso dei test software diretti. Il collaudo del progetto in un ambiente reale ha permesso al team di sviluppo di implementare rapidamente il sistema audio Ethernet automotive sulla piattaforma Fpga. Ripe2 è una scheda Cadence di sviluppo Fpga che permette una valutazione rapida dell'IP. La soluzione dispone di vari connettori destinati a diversi tipi di schede aggiuntive. Il sistema audio Ethernet automotive utilizza ad esempio due schede: una PhyBroadcom BroadR-Reach per comunicazione Ethernet automotive e una scheda audio I2S per la riproduzione musicale. Utilizzando Ripe2, la PhyBroadR-Reach e le schede audio è stato possibile mettere a punto una piattaforma di collaudo del progetto Rtl e dello sviluppo software, dando vita a un vero e proprio sistema audio Ethernet automotive dimostrativo di un'applicazione di infotainment veicolare completa.

 

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