MOS BUS

MOST – multimédia v automobilech

Multimediální optická sběrnice MOST integruje veškeré audiovizuální funkce v rámci palubní sítě automobilu. Hlavní pozornost je v článku věnována principu datové komunikace této sběrnice, její síťové architektuře a funkčnímu modelu standardizovaného uzlu. Součástí článku je také přehled přenosových kapacit kanálů tohoto sběrnicovým systémem.


1 Úvod
České slovo most získalo nový význam na přelomu tohoto tisíciletí díky spolupráci předních společností automobilového průmyslu. MOST, tedy Media Oriented System Transport, je novým sběrnicovým standardem vyvinutým pro zajištění plnohodnotných multimediálních funkcí automobilu. U zrodu této optické sběrnice stála v roce 1998 nezisková organizace MOST Cooperation [2] založena společnostmi Audi, BMW, Daimler-Chrysler, Hraman-Becker a Oasis. Konkrétní implementace se sběrnice MOST dočkala o tři roky později, v roce 2001 v novém modelu BMW řady 7, jehož audiovizuální systém je realizován výhradně s použitím této technologie. K dnešnímu dni je sběrnicí MOST vybaveno více než 30 aktuálně vyráběných modelových řad a zastřešující organizace sdružuje asi 20 automobilek a více než 60 výrobců řídicích jednotek [4].
Impulzem pro vývoj tohoto nového sběrnicového systému byla vzrůstající komplexnost palubní sítě vozu, zvláště její audiovizuální části, spojená se stoupajícím objemem přenášených dat. Má-li multimediální systém automobilu poskytovat služby srovnatelné se současnou úrovní spotřební elektroniky, jsou požadavky na jeho přenosovou kapacitu řádově vyšší, než nabízejí současné sběrnicové systémy.

Obr. 1 Struktura funkčního modelu MOST

2 Síťová architektura
Sběrnice MOST je optickou vysokorychlostní sítí se synchronním datovým přenosem, která je navržena pro multimediální aplikace v automobilovém průmyslu. Umožňuje současný přenos dat třech různých typů:

• synchronní data, jako např. audio a video signály;
• asynchronní data, jako např. obrázky, pakety TCP/IP, zprávy SMS;
• řídicí data.

Standard MOST se neomezuje na jednu konkrétní topologii, ale pro realizaci multimediální palubní sítě je zvolena topologie kruhová. Komunikace v kruhu mezi maximálně 64 síťovými uzly je realizována na principu master/slave [1]. Přestože úlohu nadřazené jednotky (master) jsou principiálně schopny plnit všechny síťové uzly, je k tomuto účelu zpravidla určena nejlépe vybavená řídicí jednotka. V kruhové topologii stačí pro propojení všech uzlů minimální délka média a snadno se v ní řeší redundance všech směrovacích zařízení, jako jsou rozbočovače (hub), přepínače (switch) atd. Díky standardu plug-and-play lze systém snadno rozšířit prostým připojením nové řídicí jednotky do vhodného místa v kruhu [1]. Na tento zásah nemusí být systém ani hardwarově ani softwarově předem speciálně připraven. Přenosovou kapacitu lze výrazně snížit užitím tzv. skupinového adresování. Jsou-li data jednou přítomna v přenosovém kanále, jsou přístupná všem uzlům sběrnice, čehož lze s výhodou využít např. při přenosu audio a videosignálů z jednoho zdroje na několik zobrazovacích zařízení zároveň apod.
Mezi nevýhody kruhové patří především definitivní rozpad komunikace celého systému v případě přerušení přenosového kanálu. Sběrnice MOST pro tyto případy poskytuje dvě speciální procedury, s jejichž pomocí je možné vliv takových poruch alespoň zmírnit. V případě, že dojde k omezení nebo přerušení komunikace v důsledku poruchy jednoho ze síťových uzlů (např. problémy s napájením, synchronizací atd.), přejde tento uzel na úrovni vysílače/přijímače (transceiver) MOST do tzv. módu přemostění (by-pass mode) [2]. Uzel v tomto módu dál do komunikace na sběrnice nezasahuje a pro ostatní řídicí jednotky není dostupný.
Pokud dojde k mechanickému poškození optického vlákna (zlomení, deformaci, přehřátí, atd.), případně spojovacích konektorů, je rozpad komunikace neodvratný a multimediální systém přestává fungovat. V tomto případě nachází uplatnění diagnostika přerušení kruhu (Ring Break Diagnosis) [2], která zjistí, mezi kterými řídicími jednotkami došlo k přerušení optické trasy. Pro tento druh poruch ale sběrnice MOST nabízí zcela nerestriktivní řešení, a to implementaci duálního kruhu, který plní službu stoprocentní zálohy. To však není vzhledem ke zvýšeným nákladům využíváno.

Obr. 2 Datový rámce MOST a blokový způsob přenosu

3 Funkční model MOST

3.1 Vrstvy funkčního modelu
Funkční model standardu MOST [1] je znázorněn na obr. 1. Vychází z referenčního modelu ISO/OSI a je rozdělen do čtyř základních vrstev, jimž odpovídají příslušné funkční bloky:

• fyzická vrstva (optické vlákno a vysílač/přijímač optického signálu);
• systémové služby nízké vrstvy (transceiver MOST);
• systémové služby základní vrstvy (mikrokontrolér);
• aplikační vrstva (specifický hardware řídicí jednotky).

3.2 Fyzická vrstva
Tato vrstva je tvořena optickým vláknem (POF – Plastic Optic Fiber) a vysílačem/přijímačem optického signálu (FOT – Fiber Optic Transceiver) [3]. Plastové optické vlákno s jádrem o  průměru 1 mm je vyrobeno z polymetylmetakrilátu (PMMA) a jeho měrný útlum činí 0,3 dB/m. K FOT je připojeno pomocí průchodky (pig tail), která vstupuje do pouzdra zařízení a přivádí optický signál až k desce plošného spoje. Díky tomuto řešení je možné libovolně umístit člen FOT vzhledem k přilehlým obvodům, což výrazně zjednodušuje návrh desky plošného spoje.
Člen FOT provádí konverzi mezi optickým a elektrickým signálem, a zajišťuje tak připojení přenosového media k vysílače/přijímače MOST. Vysílač, který je tvořen budičem a diodou LED, emituje světelný tok o vlnové délce 650 nm odpovídající červené barvě viditelného spektra. Na přijímací straně je tento světelný tok převeden pomocí fotodiody zpět na elektrický signál. Optický výkon vysílače se pohybuje v rozmezí 10 dBm až 1,5 dBm, zatímco citlivost přijímače je 23 dBm až 2 dBm.

Obr. 3 Struktura zprávy řídícího kanálu

3.3 Systémové služby nízké vrstvy
Tato vrstva je spravována vysílačem/přijímačem (transceiver) MOST, který je hardwarově realizován pomocí čipu OS 8104 společnosti Oasis [2]. Transceiver MOST představuje jádro komunikace celého systému. Zajišťuje jak řízení sítě (např. správu adres, alokaci kanálů, monitorování zpoždění), tak zpracování přenášených dat ve formátu MOST. Pro účely datové komunikace je tento čip vybaven krystalovým oscilátorem a fázovým závěsem. Oscilátor je využíván uzlem pracujícím v módu master pro generování datového rámce MOST. Na tento datový tok jsou uzly v módu slave synchronizovány pomocí fázového závěsu. Pro komunikaci s nadřazeným mikrokontrolérem je transceiver MOST vybaven standardními rozhraními jako je paralelní brána, SPI nebo I2C.

3.4 Systémové služby základní vrstvy
Funkce této vrstvy jsou realizovány pomocí mikrokontroléru příslušné řídicí jednotky. Kromě zajištění jejích primárních funkcí vykonává mikrokontrolér také úlohy spojené s řízením uzlu v systému MOST (jako např. inicializace komunikace, řízení spotřeby, diagnóza síťových poruch). Každá řídicí jednotka však nemusí být mikrokontrolérem nezbytně vybavena. Jednoduché prvky, jako např. mikrofon nebo aktivní reproduktor, mohou být za pomoci převodníku AD/DA  připojeny přímo na transceiver MOST. Úlohu řízení uzlu v tomto případě přebírá k tomuto účelu určený mikrokontrolér jiné řídicí jednotky.

3.5 Aplikační vrstva
Tato vrstva je reprezentována zařízením, které plní funkci příslušné řídicí jednotky (např. navigační systém, telefonní jednotka, přehrávač DVD apod.). Systém MOST monitoruje, které funkce jsou na úrovni této vrstvy dostupné. K tomuto účelu je definována hierarchie tzv. funkčních bloků a jim příslušných funkcí [1]. Každý funkční blok představuje jednu konkrétní aplikaci audiovizuálního systému (např. rádiotuner, přehrávač CD, audiozesilovač atd.). Funkční blok může být realizován jako samostatné zařízení nebo integrován společně s jinými funkčními bloky ve složitější řídicí jednotce. Každý funkční blok má k dispozici přesně definovanou sadu funkcí. Funkční blok přehrávač CD tedy disponuje např. funkcemi přehrávání, pauza, číslo skladby atd. Seznam všech funkčních bloků podporovaných standardem MOST včetně příslušných funkcí a možných typů operací je specifikován v tzv. katalogu funkcí MOST (MOST Function Catalogue).
Zásadní výhodou tohoto přístupu je možnost vzájemné komunikace na aplikační úrovni bez znalosti konkrétní hardwarové realizace jednotlivých řídicích jednotek. Z pohledu aplikační vrstvy tak není podstatné, v které řídicí jednotce je integrován např. přehrávač CD. Ať už je touto jednotkou navigační systém nebo rádio, data jsou vždy směrována na funkční blok přehrávač CD.
Toto řešení je dále zdokonaleno. Funkční bloky jsou hierarchicky rozděleny podle komplexnosti nabízených funkcí do tří kategorií: systémový master, kontrolér a slave. Systémový master řídí síť na aplikační úrovni pouze pomocí obecných povelů (např. přehraj dopravní zpravodajství). Povely jsou dekódovány příslušným kontrolérem (např. kontrolér audiofunkcí) a v podobě konkrétní sekvence příkazů vykonány pomocí jednotek slave (např. snížení hlasitosti zesilovače, pauza přehrávače CD, přepnutí zdroje signálu atd.).
Standard MOST tedy přesně definuje pravidla pro komunikaci i v rámci aplikační vrstvy, což výrazně usnadňuje implementaci sběrnicového systému.

Obr. 4 Přenos audio signálu CD-přehrávače v synchronním kanálu

4 Principy datové komunikace

4.1 Datový rámec MOST
Přenos dat synchronního, asynchronního a řídicího charakteru je realizován pomocí datového rámce MOST [2], který je přenášen mezi síťovými uzly synchronně s taktovací frekvencí 44,1 kHz, popřípadě 48 kHz. Tomu odpovídají přenosové kapacity kanálu 22,5 Mbit/s, resp. 24,5 Mbit/s. Volba frekvencí je odvozena ze vzorkovacích frekvencí běžných audioformátů, což umožňuje přenos audiosignálů mezi uzly bez nutnosti využívat vyrovnávací paměti.
Datový rámec MOST, znázorněný na obr. 2, je tvořen celkem 64 bajty, které jsou v závislosti na typu přenášených dat rozděleny do čtyř úseků:

• synchronní kanál (SC – Synchronous Channel);
• asynchronní kanál (AC – Asynchronous Channel), celkem 60 bajtů;
• řídicí kanál (CC – Control Channel), 2 bajty;
• administrace (A – Administration), 2 bajty.

Administrativní část je umístěna po 1 bajtu na začátku a konci rámce MOST. První ze 2 bajtů plní funkci synchronizační skupiny (první 4 bity), a dále pomocí tzv. hraniční značky (následující 4 bity) definuje hranici mezi datovou oblastí synchronního a asynchronního kanálu. Jak je patrné z obr. 2, tato hranice není určena jednoznačně. Celkem 60 bajtů vyhrazených společně pro oba kanály je rozděleno do 15 úseků o velikosti 4 bajty, označovaných jako quadlety. Hraniční značka tedy určuje kolik quadlet bude v daném rámci vyhrazeno po data synchronního kanálu. Standardem MOST stanovené mezní hodnoty hraniční značky se pohybují mezi 6 až 15 quadlety. Aby ale nedošlo k úplnému zastavení asynchronní komunikace, je doporučeno snížit horní mez na 14 quadlet. Druhý bajt administrativní části a zároveň poslední bajt rámce MOST přenáší řídicí, stavové a rezervní bity. Posledním bitem rámce je bit paritní.

4.2 Řídicí kanál
Tímto kanálem jsou přenášena řídicí data dvou kategorií: standardní a systémové zprávy. Pomocí standardních zpráv je zajišťována komunikace mezi dvěma různými aplikačními vrstvami, jako je tomu např. při výměně CD v měniči povelem z HMI (Human Machine Interface). Systémové zprávy jsou využívány výhradně pro řízení datové komunikace sběrnice, jako např. alokace synchronního kanálu, vzdálené řízení uzlů apod.
Přenos řídicích zpráv funguje na principu CSMA (Carrier Sense Multiple Access) a je realizován pomocí tzv. blokové struktury [1]. Jak je patrné z obr. 2, jeden blok sestává z 16 za sebou jdoucích rámců MOST. Jsou-li řídicímu kanálu v každém rámci vyhrazeny 2 bajty, činí celková délka řídicí zprávy 32 bajtů. Blokový způsob přenosu je využíván pouze pro komunikaci v řídicím kanále.
Struktura řídicí správy je podrobně znázorněna na obr. 3. V rámci systémových služeb nízké vrstvy je pro datovou oblast (DA – Data Area) vyhrazeno 17 bajtů. Zbývající kapacita zprávy je rozdělena na následující úseky zabezpečující datovou komunikaci:

• arbitráž (A  – Arbitration), 4 bajty;
• adresa cíle (TA – Target Adress), 2 bajty;
• adresa zdroje (SA – Source Adress), 2 bajty;
• typ zprávy – standardní nebo systémová (MT – Message Type), 1 bajt;
• cyklický kód (CRC – Cyclic Redundancy Check),  2 bajty;
• potvrzení nebo zamítnutí přijetí (TS – Transimission Status), 2 bajty;
• rezerva (R – Reserved), 2 bajty.

Vzhledem k zvýšeným požadavkům na bezpečnost dat přenášených v řídicím kanále, poskytuje standard MOST zabezpečení přenosu již na nejnižší úrovni funkčního modelu. K tomu jsou v řídicí zprávě integrovány bloky CRC a TS. Než je datová oblast přijaté řídicí zprávy postoupena pro další zpracování mikrokontrolérem, detekuje vysílač/přijímač MOST přítomnost možných chyb pomocí cyklického kódu. Vysílač/přijímač MOST zašle vysílacímu uzlu buď potvrzení o bezchybném přijetí ACK (Acknowledged) nebo v případě chyby zamítnutí NACK (Not Acknowledged). Jak je patrné z obr. 3, v rámci systémových služeb základní vrstvy je z řídicí zprávy o velikosti 17 bajtů vyhrazeno pro datovou oblast 12 bajtů. Zbývající kapacita je využita pro adresování na aplikační úrovni (4 bajty), určení metody přenosu a délky zprávy (1 bajt). Adresa na aplikační úrovni určuje, kterému funkčnímu bloku (FBlock ID, Inst. ID) je řídicí zpráva určena, která jeho funkce je volána (Function ID) a jaký typ operace je vyžadován (OP Type).

4.3 Synchronní kanál
Synchronní kanál umožňuje přenos dat kontinuálního charakteru, jako jsou typicky audio a video signály. Přenos těchto signálů je realizován metou TDM poskytující v jednom rámci MOST maximálně 60 timeslotů o velikosti 1 bajtu [1]. Synchronní kanál tak dává k dispozici kapacitu např. pro současný přenos až 15 stereofonních audiosignálů v CD kvalitě.
Přenos synchronních dat mezi zdrojovým a cílovým uzlem funguje na principu peer-to-peer nezávisle na ostatních řídících jednotkách. Pro přenos je ale nutné provést nejprve alokaci synchronního kanálu. Začne-li tedy daná aplikace vysílat synchronní data, zažádá transceiver MOST příslušného uzlu u síťového jednotky master o přidělení tzv. logického kanálu, který sestává vždy z několika úseků, (timeslot) synchronního kanálu, přičemž každý uzel muže současně alokovat kanál o velikostí maximálně 8 timeslotů.
Příklad funkce synchronního přenosu je znázorněn na obr. 4. Hraniční značka je v tomto případě nastavena na hodnotu 10 quadletů. Pro synchronní přenos je tedy v daném datovém rámci MOST vyhrazeno 40 timeslotů, z nichž je pro jednotlivé aplikace alokováno celkem 11. Pro přenos např. audiosignálu přehrávače CD je využit logický kanál o velikosti 4 timesloty, s jehož pomocí jsou odděleně přenášeny levý a pravý audio kanál v pořadí MSB – LSB.

4.4 Asynchronní kanál
Asynchronní kanál je určen pro přenos kontinuálních dat audiovizuálního systému. Tato data jsou souhrnně označována jako data paketní a jedná se např. o obrázky, data navigačního systému, pakety TCP/IP apod. Přístup jednotlivých uzlů k tomuto kanálu je realizován na principu Token-Ring. Je patrné, že přenosová kapacita asynchronního kanálu je v čase proměnná v závislosti na zatížení kanálu synchronního.
Asynchronní a řídicí zprávy mají podobnou strukturu, ale liší se délkou a zabezpečením přenosu na nejnižší úrovni. Délka asynchronní zprávy vyplývá z velikosti paměťového bufferu transceiveru MOST (48 nebo 1 014 byte podle nároků řídicí jednotky), takže nabývá velikosti 58, resp. 1 024 byte [1]. Asynchronní kanál nepřenáší z pohledu funkce vozu či sběrnice kritická data, a proto asynchronní zpráva tedy na rozdíl od zprávy řídicí neobsahuje sekci TS, pomocí níž je vysílací uzel informován o úspěšnosti přenosu. Standard MOST ovšem nabízí bezpečnostní procedury, které je možné v případě potřeby implementovat ve vyšších vrstvách funkčního modelu.

5 Závěr
Sběrnice MOST umožňuje současný přenos dat trojího charakteru, a nabízí tak velmi efektivní řešení plnohodnotného audiovizuálního systému automobilu. Řadu výhod přináší použití optického vlákna. Jde zejména o vysokou přenosovou rychlost, nízkou chybovost přenosu, výbornou odolnost proti elektromagnetickým interferencím, galvanické oddělení a v neposlední řadě také o nižší váhu kabelové formy. Předností této sběrnice je také přesná definice způsobu komunikace ve všech úrovních funkčního modelu. Nadstandardní je zejména přesné rozdělení aplikační vrstvy na jednotlivé funkční bloky, včetně příslušných funkcí a typů operací. Toto řešení přináší vysokou modularitu, nezávislost na hardwarovém řešení dané aplikace, kompatibilitu a možnost vzájemné záměny řídicích jednotek různých výrobních řad. Sběrnicový systém MOST je relativně novým a zároveň již dostatečně rozšířeným standardem, který prochází bouřlivým vývojem. Novinky této technologie (např. zvýšení přenosové kapacity nad 100 Mbit/s, přechod na křemenná vlákna atd.) jsou prezentovány každoročně v listopadu na konferenci organizace MOST v Tokiu [4]. Tam se odborná veřejnost doví, jaké inovace přinese rok 2005.

« zpět