1. Нови помак Временско окидање
FlexRay
Нови помак
Временско окидање

2. Циљеви Након завршетка овог предавања имаћете:
Боље разумевање FlexRay магистрала:
Мотивација и нове намене
Градивни елеменати: од физичког преко MAC до транспортног
Механизме за временско усклађивање
Преглед гомиле примера

3. Преглед Шта смо радили:
CAN – гомила сличних градивних елемената
Овај час: FlexRay – детерменистичко временско окидање
Преглед и употреба
Топологија и физички слој
Начин приступа
Формат оквира
Временско усклађивање

4. Увод

5. Мотивација Свака генерација аутомобила доноси:
већи број сензора, актуатора и електронских контролних јединица
побољшања у безбедности, перформансама, смањен еколошки отисак
Потребе за побољшањем комуникација:
брзина, капацитет, и поузданост
CAN:
полако немогућност да испрати
посебно временско усклађивање
Појава FlexRay:
одговор на повећане захтеве
идеја није да замени постојеће CAN (мотор) и LIN (кабина)

6. Историјат FlexRay Прва спецификација јун 2004
Створено од конзорцијума основаног 2000
Кључни играчи: BMW, Daimler, GM, Motorola, Philips,Volkswagen, и Bosch
Прва спецификација јун 2004
Спој временског и окидања на догађаје
Намењено за критичне безбедноне системе имуне на грешке
Почетак производње децембар 2006
NXP (бивши Philips Semiconductors) и Freescale
Прва примена у BMW X5
Масовна производња досегнута 2010
NXP и Flexray испоручили 1М чипова до 2009, а 2М до средине 2010
Међутим, већ крајем 2012 произвођачи тврде да FlexRay није у изумирању
Конкуренција пристиже у облику детерминистичког етернета (комутатори)

7. FlexRAY преглед
Попут возног реда: саобраћај је поређан у временске интервале
Висока пропусна моћ: до 10 Mbs
Комбиновани саобраћај: окидање на догађај и на време
Редунданса
Отпорност на грешке
Детерминизам: употреба временских интервала

8. FlexRAY примена Вожња, скретање и кочење преко жице (енг. x-by-wire)
Замена за механичке системе: бржа контролна петља
Изазови: непостојање резервне механичке подршке
Прва комерцијална примена: BMW X , амортизери

9. Пример Кочење

10. Пример управљање

11. FlexRay уводни детаљи Упредена парица: (не)оклопљена
Терминирање линије: Ω
Ограничење дужине: јака слабљења на 10 Mbs
ЕМК
Окидање на временске догађаје
Стабилан осцилатор: тачност и треперење
Надгледање линије: поуздано и отпорно
Избегавање брбљајућег идиота
Топологије:
Пасивна магистрала
Активна звезда
Тачка на тачку

12. FLexRay циклична структура

13. Топологија
Врсте
Предности

14. Топологија пројектни изазови
Изазови: избор топологије јако утиче на
Коначну цену
Свеукупне перформансе
Поузданост 
Доступне врсте топологија:
Пасивна магистрала (потешкоће са омеђавањем)
Пасивна/Активна звезда
Тачка на тачку / хибридна

15. Топологија преглед са

16. Пасивна звезда Проширење тачка на тачку повезивања
Задржана ограничења дужине од 24 м
Ограничење на 22 уређаја

17. Пасивна магистрала Заједничка магистрала за више ECU: исто CAN и LIN
Популарно због распрострањености код OEM: прва генерација
олакшано ожичавање и спровођење каблова
могућа осетљивост на ЕМ сметње код већих дужина (макс 24 м)
Могућност гранања на малим удаљеностима од чворишта
Обавезно додавање омеђења на крајеве: рефлексије
Осетљивост на омеђавање и развођење каблова:
повећане брзине и учестаности
лакше нарушавање интегритета сигнала

18. Активна звезда Најзаступљенија топологија
Упрошењно дистрибуирано управљање:
Централни активни уређај: попут концентратора у PC етернет мрежама
Максимално кашњење 250 ns – нема потребе за чувањем порука
Омогућено повезивање на већим удаљеностима
Омогућава сегментирање: отпорно на отказивања делова
Смањене појединачне гране: већа отпорност на сметње

19. редундантна звезда Две паралелне активне звезде Намена:
елиминисање једње тачке пропасти
најбоље пристаје X-by-Wire намени
Додатни бенефит:
Помоћ обезбеђивању правилног усклађивања
Критично за системе са окидањем на време
Грешка код извора такта може да уруши остатак
Пребацивање усклађивања такта на двојни канал

20. Хибридна Могућност комбиновања претходних врста топологија
Намењено за будуће намене
Спој
лаког коришћења и ниске цене магистрале
перформанси и поузданости звезде

21. физички слој

22. Структура уређаја Две целине: контрлна и управљачка Контрола:
процесор и контрола комуникације
додељивање распореда временских прореза
Управљање магистрале:
покретач (енг. driver): повезивање контроле на магистралу
стражар (guardian):
обезбеђује поштовање додељених врененских прореза
одвезује канал код периода празног хода

23. Стања уређаја Угашено/Спавање (Подразумевано)подешавање:
сви параметри – циклус и брзина
Спремно: интерна подешавања
Буђење: спољни уређај се буди и оспособљава
Почетак: временско усклађивање и припрема
Редовно (активно/пасивно): приступа се комуникацији
Заустава: обавештава се о прекиду комуникације

24. основе Скоро истоветно као CAN Ожичење: неоклопљена упредена парица
Повезивање
један канал: смањена цена уз врхунске перформансе у бучном окружењу
Два канала: повећана отпорност на грешке и пропусна моћ

25. Омеђавање Омеђавање на крајевима: отпорност између 2 жице
Само крајњи уређаји морају да се омеђе
Вредност: није стандардизовано, пракса од 80 до 110
Осетљиво намештање: може да фрустрира док се не оспособи
Модерна сучеља имају уграђено омеђавање

26. Физички сигнал Диференцијално NRZ кодовање линије Брзина: 10 Mbs
мања емисија сигнала
није потребна оклопљена парица
могуће додати линију за уземљење и напон
Брзина: 10 Mbs
Независно од дужине линије јер се не користи битска арбитража

27. Кодовање линије с

28. ЕМ отпорност с
A key characteristic of a FlexRay transceiver is its especially high level of electromagnetic compatibility. Nonetheless, interference suppression coils are used to further reduce emissions: this prevents disturbances to other electronic systems to a large extend. The use of LC suppression circuits in the FlexRay transceivers, with relatively high suppression coil impedance values, suppresses any interference currents that might be generated by asymmetrical circuits. In addition, the low pass filter, consisting of the coupling capacitor of the split termination and an interference suppression coil, shunts high-frequency interference to ground. Although coils with higher inductance provide better results due to their greater noise suppression, the effects of leakage inductance on signal integrity must be considered. The Electrical Physical Layer Specification prescribes the following values for interference suppression coils: Line resistance < 2 Ω; inductance >50 μH and leakage inductance <1 μH. A slight disadvantage of the LC circuit is that the combination of leakage inductance and coupling capacitor form an oscillating circuit, which in conjunction with the switching processes of the FlexRay transceiver lead to overshoots of the bus signals.

29. Начин приступа

30. Преглед протокола Јединствен протокол са временским окидањем
Хибридна шема: комуникациони циклус унапред задат пројектом
Статички сегмент: детерминизам – подаци поравнати на микросекунд
Динамички: попут CAN – окидање по догађају – велика разноврсност оквирa
Статички сегмент:
заснован на TDMA
Потребно блиско усклађивање такта
Ригидан распоред: нема промена након пуштања у рад
Пажљивим планирањем се оптимизују средства, постиже поузданост и смањује кашњење
Динамички сегмент: већа флексибилност, мања расипања
Мрежна подешавања:
Стрикно: целокупна мрежа мора да је исправно подешена - CAN само брзина
Прилагодљиво: могуће уклопити различиту структуру саобраћаја
FIBEX - Field Bus Exchange Format – ASAM стандард

31. циклична структура преглед
Фундаментални елемент MAC слоја
Трајање задато пројектом: типично 1-5 ms
Временска баријера:
заштита усклађивања сваког сегмента
Максимална величина оквира: 254 октета
Четири главна сегмента:
Статичи сегмен:  Резервисано за детерминистички саобраћај који пристиже у одређене прорезе
Динамички сегмент Динамички прилагодив приступ - сличан CAN – опортуно окидање на догађај 
Симболски сегмент Служи за одржавање мреже: поправке и подешавања при покретању.    
Network Idle Time Усклађивање такта.

32. Циклична структура Статички сегмент: Динамички сегмент:
Time division multiple access: TDMA
прорези фиксираног трајања.
Унапред одређен распоред чворова у прорезе
Динамички сегмент:
мини прорези фиксираног трајања
Могућност спајања мини прореза
Оквири променљиве дужине
Не постоји унапред одређен распоред чворова у мини прорезим
Симболски сегмент:
служи за симболе буђења и покретање без претходних подешавања.
Апликације ретко приступају.
Празан ход (енг. Network Idle Time (NIT)):
Унапред задато и познато контролним јединицама
Подешавање саког циклуса – потреба за финим усклађивањем

33. циклична структура врсте
Обавезни елементи: статички и празан ход

34. Временска хијерархија прорези

35. Временска хијерархија фини елементи

36. Микро и макро откуцај енг. Microtick & Macrotick Макро откуцај
Екстерна временска основа – засновано на групном усклађивању
Увек целобројни умножак микро откуцаја
Индивидуалне апсолутне вредности – могућа разликовања између уређаја
Дискретно стално прилагођавање у лету – променљива дужина микро откуцаја
Микро откуцај
Сачињава интерну временску основу уређаја
Директно или скалирано пресликавање локалног осцилатора или бројача
Није усклађено са остатком система – слободан рад осцилатора
Границе макро откуцаја означавају места за реаговање:
Почетак преноса: статички, динамички, симболи
Крај преноса: динамички

37. Макро откуцај
Најмања изводљива временска јединица
Типично 1 μs

38. СТатички сегмент Циклично понављање у истом редоследу
Увек заузети – независно од коришћења
Могуће расипање: детерминизам пре ефикасности
Резервиасно за временски окидане догађаја
Детерминистички створени подаци: тачно познато време
Корисно за рачунање контролних петљи
Подједнака дужина у микро откуцајима
Разбијено на прорезе: сваки садржи по оквир
Број могуће подесити: до 1023

39. Пример распореда са

40. СТатички сегмент додатни детаљи
Распоред статичких прореза
Уређено по растућем идентификационом броју оквира
Не ради се о бинарној арбитражи као код CAN – посебан прорез за сваког пошиљаоца
Опционо поље: ID поруке који нема везе са ID оквира
Пример: број уређаја се користи за број оквира, а поруке се мултиплексирају у прорезуD
Не постоје под прорези: мање контролног премашаја
Рад на 2 канала
Паралелно корачање (енг. lock-step): поузданост пре редундансе
Потребно само оквире за усклађивање слати на оба канала, остало опционо
Мање критични/комплексни уређаји се углавном повезују на 1 канал

41. Статички прорез Кућица за слање једног пакета
Временско ограђивање: маргине за непрецизност времена
Прилагодљиво: зависе од квалитета доступних осцилатора
Смањују ефективну пропусну моћ
Each static slot begins with an offset, the so-called action point offset. This name is derived from the so-called action point, the point at which message transmission begins. The action point offset is followed by the action point and the message transmission. After the message transmission, immediately following the channel idle delimiter (11 recessive bits), there is a pause (Channel Idle) whose duration logically corresponds to the action point offset. Another figure clarifies this structure of a static slot. It is evident that precision and signal delay are inversely proportional to the maximum attainable data rate in the FlexRay cluster: with increasingly poorer local clocks or signal delays that are increasing in size, the time span between the beginning of the slot and the action point is enlarged, which in the end reduces the maximum attainable data rate.

42. Динамички сегмент преглед
Типичан саобраћај:
Мали број високо учестаних критичних порука
Велики број ниско учестаних некритичних порука
Флексибилно:
могућност мешања саобраћаја без успоравња циклуса
Фиксна дужина: ограничен количина саобраћаја по циклусу
Принцип: окидање на догађај
Потреба за детерминистичком арбитражом
Не користи се бинарна арбитража (ограничење са могуће физичке медијуме)

43. Динамички сегмент принцип
FTDMA – прилагодљиви прорези – опортунистичко асинхроно
Принцип: подела на мини прорезе
Сваки мини прорез отвара могућност за слање
Ако се шаље: мини прорез се прошири на одговарајућу дужину
Ако се не шаље: мини прорез се претвара у неискоришћено чекање
Сви прате да ли је искоришћен мини прорез
Трајање мини прореза: макро откуцај – 1 ms

44. Динамички сегмент Приоритети
Унапред дефинисан списак подробних оквира
Виши приоритет добија мини прорез ближе почетку 
Прескакање прореза предаје право следећем подробном у реду
Слање помера остале ка крају
Мањи приоритет може да прескочи у следећи циклус

45. Динамички сегмент пример
Могућност додељивања више уређаја у један прорез
Први догађај у мини прорезу узима примат

46. Динамички сегмент пример
Догађаји долазе асинхроно
Шаљу се синхроно у додељеном мини прорезу: чекање

47. Динамички сегмент пример
Сви догађаји стају у распоред

48. Динамички сегмент пример
Догађај на уређају Е не стаје у распоред

49. Динамички сегмент пример
Прескакање мини прореза 7 и 8

50. Динамички сегмент структура оквира
Сличан принцип као код статичког сегмента
Поравнање на мини слот: енг. dynamic trailing sequence
Essentially, the same conditions apply to the design of a dynamic slot as were applied to the design of a static slot. A dynamic slot has a layout similar to that of a static slot. Each dynamic slot begins with the so-called action point offset. This offset ends at the action point, the point at which the transmission of a dynamic message begins. This action point corresponds to the action point of the minislots. Following the action point offset are the action point and the message transmission. In the dynamic segment this is characterized by messages that may have different payload sizes. Message transmission is followed by the channel idle delimiter, which consists of eleven bits — as in the static slot. It should be noted that per FlexRay specification a dynamic message must end precisely with the next possible action point. To guarantee this, the message transmission is lengthened by the so-called dynamic trailing sequence. Theoretically, this sequence may be a maximum of one minislot in length.

51. Динамички сегмент ресто
Ограничено доступно време
Увек највиши приоритет има предност
Мањи приоритет може да прескаче више циклуса
Ограничење: једна порука по уређају
Губици:
Сваки неискоришчени мини прорез је бачен ресурс
Срећом прорез много краћи од података
Број оквира служи за бројеве прореза
Први динамички оквир = последњи статички оквир + 1
Различити канали могу да одвајају пакетске редове чекања

52. Формат оквира

53. СТруктура оквира Постоје 3 дела: Заглавље (енг. Header)
Тело (енг. Payload)
Реп (енг. Trailer)

54. СТруктура оквира Детаљан преглед

55. Заглавље Дужина: 5 октета (40 бита) Поља: Статус: 5 бита
Поља: 
Статус: 5 бита
Идентификатор оквира: 11 бита – дефинише редослед прореза
Опис корисних података (енг. payload): 7 бита – одређене дефинисане речи
CRC заглавља - 11 бита за препознавање грешака
Број циклуса - 6 бита – инкрементални бројач

56. Корисни подаци Дужина: заједничка за све у статичком сегменту
До 127 речи (254 октета) - Преко 30x више од CAN
Динамичке поруке:
Посебни оквири за руковање (енг. network management vector): 12 октета
Садрже кориснички дефинисан идентификатор: 2 октета
Потребно подесити заглавље: активно поље Payload Preamble Indicator

57. Структура података статички сегмент

58. Структура података динамички сегмент

59. Делови порука Статичкa порука: Динамички порука: слично
• TSS = Transmit Start Sequence (5-15 ниских бита)
• FSS = Frame Start Sequence (1 висок бит)
• BSS = Byte Start Sequence (2 бита: прелаз високо ниско)
• FES = Frame End Sequence (2 бита: прелаз ниско високо)
Динамички порука: слично
Додавање DTS = dynamic trailing sequence field; помоћ поравнавању мини прореза

60. РЕп Садржи 3 CRC поља од 8 бита
Посебно поље за делове корисничких података

61. Сигнали Кориснички захтеви:
Пренос реалних вредности
Јединице мере
Лимити
Скалирање
Сигнали представљају податке према свим корисничким захтевима
Подаци се преносе као низови бита
Већина ECU програма директно ради са сигналима
Претварање се оставља нижим слојевима  
Сигнали се добијају када се узме више бита/октета и примени:
скалирање и померај
FIBEX база података дефинише (између осталог)
Факторе скалирања, вредности помераја, и локације – могуће да се мења у лету
Идентификатор преводи назив сигнала – комапјлер/драјвер корисити најскорије вредности
Типично возило – стотине до хиљаде сигнала

62. Усклађивање времена

63. Усклађивање времена архитектура

64. Усклађивање времена изазови

65. Усклађивање времена изазови
Потредбно предвидети:
Утицај температуре на отклоне часовника
Ефекте старења
Толеранција:
Типично за осцилаторе: 250 ppm за период од 10 година
Типично за кола: 1500 ppm за цео животни век

66. Корекције фаза и учестаност
Корекције фаза и учестаност
Корекција фазе:
Обезбеђује да сви чворови имају исти отклон у односу на апсолутно време
Без осталих механизама: корекција базирана на максималној девијацији часовника
Последице: смањење ефективне пропусне моћи (убацивање већих маргина)
Пример: 3000 ppm циклус 10 ms, 30 us отклон
Корекција учестаности:
Обезбеђује решавање корена проблема
тежак проблем: не може се мењати осцилатор – дискретан делиоц учестаности
Мењањем учестаности (убрзава и успорава) постижу се исте дужине циклуса
Робусност:
дефинисане толеранције важе за више циклуса
Отпорно на транзитивне поремећаје

67. Усклађивање такта преглед
Усклађивање такта на нивоу мреже:
Без спољњег осцилатора
Интерни осцилатори се усклађују на мрежни макро откуцај
Потребни наменски уређаји за усклађивање
FIBEX: дефинише мрежна подешавања – оквире за усклађивање  
Startup Frames
Sync Frames
Наменски пакети:
Периодично у статичком сегменту циклуса
Иницијално дифузно – почетна подешавања
Устаљено стање - сваки уређај добија посебан пакет

68. Хладан старт Иницијализација скупине чворова
Недоступна претходна подешавања при покретању
Потребно најмање 2 наменска уређаја за окидање Startup Frames
Дифузно слање оквира за усклађивање
Сви чворови мере времена између узастопних оквира
Усклађивање током Network Idle Тime (бело поље)
Потребно неколико циклуса да се успостави мрежни макро откуцај

69. Усклађивање током рада
Принцип: поређење очекиваног и стварног почетка
Механизам:
Сваки статички прорез се посебно усклађује
Наменски пакети означавају стварни почетак
Сваки уређај рачуна разлику и просечан такт
Примењује током Network Idle Time (NIT)

70. Одржавање времена Макро откуцај је заједничка мрежна јединица
Потребно да прецизност буде ±1 макро откуцај
Два главна задатка:
MTG – Macrotick Generation Process
Исправљају се разлика и брзина такта
CSP – Clock Synchronization Process
Почетна подешавања
Примењени принципи дистрибуираног одржавања времена
Употреба робусних метода за рачунање средње вредности

71. Алгоритам за усклађивање
Fault tolerant midpoint (FTM)
Праћење до 7 чворова за усклађивање
Одржава се сортирана листа апсолутних разлика
Одбацују се екстремне вредности
Ако има више од 7 уређаја, одбацују се додатни екстреми
Остатак се усредњава: вредност корекције
Фазни отклон: мери се у односу на почетак
Отклон учестаности: између више циклуса

72. Преглед усклађивања

73. закључци за понети
Шта смо радили

74. FlexRay Предности Мане Остало: Подржано од стране великог конзорцијума
Садржи основе потребне за критичне намене као x-by-wire
Статички сегмент: временско окидање и решавање одступања такта
Динамички сегмент: флексибилност за окидање на догађај
Флексибилност: комбиновање различитих количина и врста саобраћаја
Мане
Тек после 10 година постаје зрелије
Могуће да изроне неки неочекивани проблеми – као што се дешавало са осталима
Не садржи комплетан скуп функционалности као TTP
Чланство у конзорцијуму ограничавајући фактор
Мораће да се обезбеди за напредније x-by-wire
Осетљиво на усложњавање код безбедносних намена
Остало:
Не покрива целокупну системску архитектуру
Оставља маргину за прилагођавање
Није потпуно робусно за грешке