目錄
1. 更高、更快、更遠、更慢
2. 10MBit汽車協定
2.1 CAN XL - 更高的速度、更多的有效載荷和附加功能
2.2 10BASE-T1
3. CAN XL和10BASE-T1S的比較 - 赢家是...
3.1 資料報效率
3.2 總線周期效率
4. 結論和展望
我之前對CAN完全沒接觸過，隻搞以太網的，最近在看BASE-T1相關的測試和TSN的内容，關注到這篇文章，覺得蠻有意思就搬運了下。
1. 更高、更快、更遠、更慢
在我們的日常生活、體育、技術發展中，一切都是為了讓事情變得更好、更快或者讓事情變得更遠。我們很難記得，發明比以前慢的東西被當作創新來慶祝，但這正是汽車以太網的情況。
以太網和CAN規範路線圖
圖1：以太網和CAN規範路線圖
第一個100MBit/s和1000MBit/s的版本被開發出來，并成功引入市場，其實體層允許自動協商，以簡化系統內建。在上個十年末，開發了一個僅支援10MBit/s的汽車以太網版本，其實體層與100MBit/s和1GBit/s版本不相容；性能明顯下降。
回到舊的拓撲結構風格和較低的速度是由OEM要求的，以縮小低速級應用在每個以太網端口成本方面的性能差距。當時的CAN FD支援2MBit/s，并随着時間的推移改進到5MBit/s。圍繞着CAN的社群也看到了對更高帶寬和更長有效載荷的需求，并開始開發一個改進的CAN标準，稱為CAN XL。
在這第一部分中，我們将對CAN XL和10MBit/s以太網做一個簡單的概述，它們之間有什麼差別。在第二部分中，我們将描述潛在的用例以及對硬體和軟體的影響。
2. 10MBit汽車協定
即使CAN XL和10BASE-T1S是在不同的标準化機構中開發的，在業界的廣泛支援下，其過程也是基本相同的。
标準開發方案
圖2：标準開發方案
CAN XL的技術工作的基礎是在CAN in Automation（CiA）中完成的。在穩定了該檔案後，它被移交給ISO，以建立一個國際标準。這個過程仍在進行中，預計在2023年完成，屆時将有一個被準許的國際标準。CiA将繼續作為技術委員會和使用者聯盟推動CAN标準。
以太網規格由IEEE擁有和維護。所有的标準化工作都是在一個工作組内完成的，該工作組建立了2019年的草案，以納入IEEE 802.3的主要标準中。因為IEEE是一個獨立的行業組織，是以OPEN聯盟負責為汽車需求擴充規範。為了長期維護開放聯盟的規範，ISO也參與其中。
2.1 CAN XL - 更高的速度、更多的有效載荷和附加功能
盡管CAN XL提供了對CAN FD的完全後向相容性，但其幀格式已被廣泛更新。在這篇文章中，我隻是要介紹主要的差別，并概述新字段的意圖。在後面的文章中，我們将介紹更多的細節，包括比特時間的變化、比特填充和錯誤信号化規則的更新。
CAN XL遵循CAN FD的概念，有一個低速的仲裁階段（高達1MBit/s）和一個高速的資料階段。CAN XL資料階段的比特時間被規定為高達10MBit/s。CAN XL的另一個主要特點是有效載荷的長度可以達到2048位元組。此外，CAN XL與CAN FD完全向後相容。
CAN XL的幀格式
圖3：CAN XL的幀格式
圖3顯示了CAN XL的幀格式，命名了不同的字段區域，并指出了哪裡使用了标稱比特時間，哪裡開始了高速比特時間。以下是對關鍵變化的簡要解釋--正如你所看到的，幾乎所有東西都被更新了。
優先級ID - 這個11比特長的字段就是以前所說的 "基本辨別符"。CAN XL在這個第一個仲裁字段中隻支援11位。
IDE--僅僅是因為不支援辨別符擴充，這個位總是作為主導位傳輸。
XLF, resXL - 這兩個位（XLF為隐性位，resXL為顯性位）表示下面的幀是一個CAN XL資料幀。
ADS - "仲裁到資料序列 "是發生從标稱資料位到XL資料位時間切換的點。與CAN-FD的單比特轉換相比，CAN XL的轉換需要更長的時間，以增加這一敏感過程的穩健性，允許收發器改變為FAST模式，其中TX節點可以在推/拉模式下運作。
SDT - "服務資料單元類型 "是描述有效載荷類型的上層資訊。這個字段與以太網協定中的EtherType相當。SDT由CiA 611-1定義。
SEC--該位表示幀在有效載荷中是否持有簡單或擴充内容，由上層提供。
DLC - 資料長度代碼字段的含義與以前的版本相同。通過這個11位長的字段，表示從1位元組到2048位元組的資料字段。
SBC - 塞位計數字段給出了仲裁字段中動态塞位的數量資訊。在後面的文章中，我們将詳細介紹塞位規則。這個值将由協定控制器計算。
PCRC--前言CRC字段是對迄今為止解釋的仲裁字段和控制字段的大部分位計算的CRC。其目的是為了獲得對報頭資訊的額外保護。
VCID - "虛拟CAN網絡ID "是為了支援CAN總線上的虛拟化，就像以太網中的VLAN概念。
AF - 接受字段，也是由上層提供的，是用于幀分類的額外的32位，可以被看作是對減少的優先級辨別符字段的補償。
資料字段 - 在這個字段中，實際的有效載荷是由上層提供的，其中的位元組從0到DLC編号。
FCRC - 幀CRC是通過目前看到的所有動态比特計算的。
FCP - 格式檢查模式允許接收者确認他在比特流上仍然與發射器同步，并宣布CAN XL資料階段的結束。這是對這個字段的一個非常簡單的解釋。
DAS - 在資料到仲裁序列中，比特率從XL資料比特時間切換到标稱比特時間。
ACK/ EOF - 幀以已知的确認槽和EOF序列結束，其格式沒有改變。
在媒體通路方案方面，與以前的CAN版本相比沒有變化，CAN XL仍然遵循CSMA/CR原則。
2.2 10BASE-T1
在花了很多文字介紹CAN XL之後，我們來看看10MBit汽車以太網，準确地說，是IEEE 802.3cg中定義的10MBit/s單對以太網（SPE）。10MBit SPE的MAC層協定與其他任何以太網協定沒有差別，不需要進一步解釋。
IEEE 802.3cg的範圍
圖4：IEEE 802.3cg的範圍[4] 。
相反，IEEE定義了一個實體層，以滿足汽車工業在穩健性、實施成本和布線方面的需求。其結果是兩個不同的實體層，具有不同的應用目标。
10BASE-T1L - 這是10MBit/s SPE的 "遠距離 "變體，允許電纜長度達到1000米。這種點對點的變體不屬于汽車應用的範圍，但可用于卡車、火車和其他車輛技術。
10BASE-T1S - 這是 "短距離 "變體，電纜長度可達25米，允許使用10厘米的存根的總線拓撲結構。為了避免共享總線拓撲上的碰撞，該标準定義了一個可選的調和子層，稱為PLCA（實體層避免碰撞）。
PLCA - PLCA的目标是在吞吐量、延遲和公平性方面改進以太網中現有的碰撞檢測機制（CSMA/CD）在多分叉（總線）拓撲結構上的作用。重要的是要知道，這種 "仲裁 "純粹是在PHY層面上進行的，MAC在以下描述的過程中不承擔任何作用。
PLCA周期示例
圖5：PLCA周期執行個體[2]
在PLCA系統中，每個PHY都被配置設定了一個唯一的PHY ID，範圍從0到255。ID為0的PHY是PLCA的協調者。總線上的每個PHY都知道PHY的數量。PLCA使用一個循環方案，每一輪都由PLCA協調器發送一個BEACON來觸發。PLCA方案中的每個參與者，包括協調者，在BEACON之後，按照PHY ID的順序有一次發送機會。
一個傳輸機會隻是一個機會。如果一個節點沒有什麼要傳輸的，系統中的下一個PHY在逾時後會得到他的機會。如果一個節點有一個傳輸等待，它被允許在其傳輸機會内開始傳輸一個幀。如果系統配置允許，一個節點也可以傳輸一個以上的幀，即所謂的突發。每個資訊的有效載荷長度可以是不同的。
這種排程方案避免了總線碰撞和重傳，降低了可用帶寬，保證了系統内傳輸機會的公平性。在這個PLCA機制的基礎上，可以在MAC層啟用其他整形功能，如信用基礎整形或時間意識整形。
3. CAN XL和10BASE-T1S的比較 - 赢家是...
赢家是使用者。這兩個協定都提供了一個資料速率，允許應用程式傳輸更長的有效載荷，并在總線上實作接近10Mbit/s的傳輸速度。即使是媒體通路方案也是不同的，讓我們采取兩種方式來進行比較。
3.1 資料報效率
兩種協定在資料報中都有頭和拖車形式的開銷（如尋址、協定字段、CRC）。在CAN XL中，效率進一步受到在仲裁階段和資料階段的東西位和不同總線速度的影響。
資料報效率比較
圖6：資料報的效率比較
圖6顯示了資料報在有效載荷上的效率，即把花費在開銷上的時間與花費在有效載荷位上的時間相比較。
CAN XL受到了較慢的仲裁階段和較大的頭以及更多的開銷位的影響。以1MBit/s而不是500kBit/s的速度運作仲裁階段，對于較短的幀來說，可以顯著提高資料報的效率。有人可能完全認為，在CAN XL中，協定類型和接受字段是使用者的日期，而不是開銷。這将使CAN XL更接近于10BASE-T1S的曲線。
3.2 總線周期效率
如果我們觀察一個PLCA周期而不是一個單一的資料報，情況就會發生變化。
PLCA周期的例子
圖7：PLCA周期的例子
讓我們假設系統配置如圖7所示，并假設隻有PHY 9有一個待傳輸。在這種情況下，總線保持未使用的時間是逾時時間的9倍，在這種情況下我們假設為24比特。加上BEACON需要的額外時間，效率會發生變化，如圖8所示。
總線周期效率執行個體
圖8：總線周期效率執行個體
在CAN XL中，總線效率不會因為等待任何傳輸機會而降低，但是仍然需要考慮空閑時間和EOF序列。然而，在具有512bytes有效載荷的典型操作條件下，兩種協定顯示出相同的效率。
4. 結論和展望
這兩個協定都是為了處理新的E/E結構的要求而開發的，并提供10MBit/s區域的預期性能。除了這裡簡單解釋的協定領域外，在更高層次的協定上，還有其他一些可用性方面的增強，例如，對安全或電力輸送的考慮。
協定的效率取決于使用情況、系統配置和擴充功能的使用。哪種變體是首選，這更是一個哲學或戰略問題。從我們的角度來看，這兩種協定都有可能被用于同一個車載網絡（IVN）的不同應用中。
在下一篇文章中，我們将深入探讨如何在一個系統中使用這兩種協定，将CAN XL和10BASE-T1S連接配接到IVN主幹網的必要條件是什麼，以及這方面的軟體任務。
參考：
[1]: CAN XL introduction by Bosch
[2]: Presentations from 17th international CAN conference June 2021
[3]: PLCA overview presented IEEE 802.3 Plenary Meeting, San Diego (CA) 2018.
[4]: IEEE802.3cg-2019 IEEE Standard for Ethernet