Technical Article 測定とリプログラミングの高速化 ∼ FlexRayよりもシンプルで CANよりも帯域幅の広い CAN FD の利用 ∼ CAN FD (CAN with Flexible Data rate：可変データレート対応のCAN) は、CANバスにおける1つの技術革命です。その技術的な複雑さは標準のCANバスと変わらないものの、実現できる帯域幅ははるかに大きいことから、CAN FDは FlexRayやEthernetに代わるネットワークと考えられています。ベクターのネットワーク専門家が 2つの一般的なアプリケーション、すなわちXCPを経由したECU 内部シグナルの測定とECU のリプログラミングを、CAN FDバスシステムを用いて検証しました。 XCP on CAN FDによるECU測定 ECU開発では、開ループ/閉ループの制御アルゴリズムに使わ XCP on CAN FDのデータスループット：理論と実践れる複数のシグナルやパラメーターを測定、キャリブレーション CAN FD対応のCANバスにおけるXCPで利用できる最大のデータスループットを推定するために、複数のECUシグナルを測定した場することが、キャリブレーションの重要なユースケースとなってい合の、フレームサイズとフレームあたりの利用可能なペイロードとます。ECU開発者によく使われるXCP (Universal Measurement を比較して調べました。データスループットはバス負荷を100%と and Calibration Protocol) はASAMにより標準化された測定/ 想定して算出されています。CANおよびCAN FDのフレームに含まキャリブレーションプロトコルであり、その現行バージョンであるれるフィールドの実際のサイズを図2および図3に示します。ただ 1.2には、新しいXCPトランスポート層としてCAN FDが導入されてし、フレームのサイズはCANとCAN FDのどちらについても正確にいます。XCPの使用により、ベクターのCANape (図1) をはじめとは予測できません。バス内のECU間で、シグナルのエッジを確実にする測定/キャリブレーションツールを利用して、操作中にリアル同期させるため、フレームにはコンテンツに応じたスタッフビットがタイムでパラメーターを修正し、ECUの挙動の変化を測定するこ別途挿入されますが、このビット数を事前に把握することができなとが可能になります。CANバスシステムの場合、監視するシグナいためです。このようなスタッフビットに依存するフレームサイズルの数によっては伝送媒体の帯域幅がすぐ限界に達するおそれがの増減を、最善のケースと最悪のケースのシナリオを解析してモデありますが、XCP on CAN FDではその能力がペイロードで最大64 ル化しました。バイト、データフェーズのデータレートで少なくとも5Mbit/秒にまで拡張できます。 September 2014 データスループットの計算結果をグラフ化すると扇形になり（図 4、図 5)、フレームはいずれも、実際のコンテンツに応じて 1 Technical Article 図1：CANapeを使用したXCP on CAN FDによる測定この範囲内に含まれるものと予想できます。理論上の計算値をめ、既存のECUソフトウェアによるデータ送信が、CAN FDへの移検証するため、シミュレーション環境下で、実際のユースケース行後も8バイトに制限されてしまいがちです。この場合、XCPにを反映した測定を行いました。実験環境は測定/キャリブレーショとってのメリットはデータ伝送レートの上昇のみに留まり、CAN FD ンソフトウェアのCANape、適切なハードウェアインターフェイス、フレームで利用可能な64バイトのペイロードをフル活用すること PCベースのECUエミュレーションから構成され、そこでCAN/CAN FD はできません。このデータ伝送レートは、小さいXCPパケットのペドライバーの入出力間でのパフォーマンスを双方向で測定しましイロードを連結し、一つの大きいCAN FDフレームにまとめることた。実験の測定値と数学的な予測値との一致率が高いことからで最適化できます (図8)。ベクターは現在、将来のXCP仕様に向（図4、図7）、利用したデータスループットのモデルの妥当性がけて、XCP on CAN FD上でパケット連結を可能にする提案策定に確認されました。CANおよびCAN FDでのデータ伝送で得られた測取り組んでいます。定データを比較すると、CAN FDのスループットが、システムのコンフィギュレーションに応じ、1.3倍から最大5.4倍の範囲で高いことフラッシュプログラミングがわかります (図6)。フラッシュメモリーのプログラミング/リプログラミングは、高速 CAN FDによるパケット連結ネットワークプロトコルの利用で大きな改善が期待できる、もう XCP on CAN FDには、帯域幅の向上以外にも機能改善の余地があります。CANとCAN FDは物理的な通信基盤が同じであるたシュのフェーズのうち、鍵となるのはダウンロード時間であり、図2：CANフレームの構造 September 2014 「削 1つのユースケースです。従来のCANバスシステムの場合、除」、「ダウンロード/プログラミング」、「検証」の 3つのフラッ図3：CAN FDフレームの構造 2 Technical Article 図5：XCP on CAN FDでのデータ測定におけるスループットの計算値ンフィギュレーションで対応できるのは、診断サービスサイクルあたり、42バイトから255バイトのPDUが4個から8個です。ベクター図 4：ECU 測定におけるCAN FD のデータスループットの測定値および計算値の技術者の測定では、パイプライン処理を行った場合のダウンロード速度は40KB/秒から60KB/秒でした。めの方策を考慮することは当然の策といえます。LZSS (Lempel- ISO 13400-2に準拠したDoIP (Diagnostics over IP) を Ethernetで使用するのも、ECUの高速なリプログラミングに非常に適しています。100MビットEthernetと、純粋なフラッシュ書込速度が180KB/秒の一般的なマイクロコントローラーを用いたテストの結果は、ほぼTransferDataサービスのバッファーサイズに比例しています。バッファーが16KBの場合、スループットはテストに使用したフラッシュメモリーの上限に近い、約150KB/秒に到達 Ziv-Storer-Szymanski) アルゴリズムによる圧縮を使用すればします。 FlexRay、Ethernet、CAN FDなどの高速なバスシステムを使えばこれを短縮できます。伝送プロトコルに関わらず、データの圧縮やプログラミングのパイプライン処理といった、ダウンロードをさらに最適化するた伝送データは小さくなりますが、その効率はデータの構造に大きく左右されるうえ、ECU内でのデータ展開で生じるCPU負荷も考慮しなければなりません。一方、プログラミングにおけるパイプ CAN FD経由のリプログラミングライン処理は一種の並行処理で、データセグメントのECUへの書 CAN FDに対応するマイクロコントローラーは現時点でどの半込中に次のセグメントの伝送が開始されます。そのためこの方法導体メーカーからも出ていないため、ベクターのネットワークのでは、プログラミング時間がデータ伝送時間よりも短い場合に最専門家は、CAN FDコントローラーをFPGAに実装したマイクロコン大のパフォーマンス向上が期待できます。トローラーを使用してCAN FDを測定しました。ボード上のソフトウェアスタックはベクターの標準のUDSブートローダーからなり、 ISO 15765-2のトランスポート層とCANドライバーはCAN FDに対 FlexRayとEthernet 応するよう拡張されています。ダウンロードのテスト環境をセット FlexRayの伝送レートは10Mbit/秒ですが、そのすべてがプロアップする工程を省力化するため、CAN FDへのサポートがすでにグラミング/リプログラミングに利用できるわけではありません。提供されている、シミュレーション/テストツールのCANoeを使用タイムトリガー型のプロトコルで用いられる周期的な通信シーケしました。このソフトウェアは、外部DLLを使用してフラッシュプロンスでは、すべてのPDU (プロトコルデータユニット) があらかじグラミングのプロシージャーとトランスポート層の機能を実現しまめ固定された時間枠で定義されています。ダウンロードなどの診す。ベクターのフラッシュツールであるvFlashは、今後CAN FDに断サービス要求用に予約されている時間枠が多ければ、それに対応する予定です。よって有効な(制御)データのための帯域幅が減ります。実際のコ図 6：XCP on CAN およびXCP on CAN FDでのデータ測定におけるスループットの測定値の比較 September 2014 使用したトランスポート層で達成可能なCAN FD上でのフラッ図 7：XCP on CAN FDでのデータ測定におけるスループットの測定値 3 Technical Article 図8：複数のXCPパケットを1つのCAN FD フレームに統合することによるデータ伝送の高速化シングの伝送レートは、CAN FDのデータフェーズの伝送レートがも、加えるべき修正はわずかです。 4Mbit/秒の場合、理論的には270KB/秒から370KB/秒になりま CAN FDによって、ECUの測定とリプログラミングの両方のスルーすが、測定値はこれをはるかに下回ります (図9)。圧縮やパイププットを大幅に向上できます。これによって、プログラミング/リプライン処理による最適化処理は、使用したテスト環境では逆効果ログラミングにおけるボトルネックはフラッシュメモリー寄りにシフだったのです。この原因は、今回の実験環境で、内部フラッシュメトしますが、使用するMCUの開発が進んでメモリーアクセス時間モリーのプログラミング時間がフラッシングプロセスの制限要因が短縮すれば、一層のパフォーマンス向上が約束されます。XCP となり、ダウンロードフェーズに対する最適化の効果を薄めたこと仕様を拡張して、CAN FDによるパケット連結を含めるというベクにあります。しかし、データスループットと最適化の効果に関してターの取り組みは、この新しいプロトコルが秘めるパフォーマンスより普遍的な結論を得るには、さらに強力なCPUを用いてテストを向上のポテンシャルを引き出すものでもあるのです。重ねる必要があります。この測定で得られた重要な結果としては、 CAN FDはCANよりもデータのスループットが大幅に高く (図9)、移行の手間がわずかで済む点が挙げられます。本稿は、2014年 9月CiA発行の『 CAN Newsletter 』に掲載されたベクター執筆による記事内容を和訳したものです。まとめと展望 CAN FD、FlexRay、Ethernetの各バスシステムの客観的な比較は、全体としてマイクロコントローラーや制約が多岐にわたるため現状では困難ですが、明言できる傾向はいくつかあります。 FlexRayでは、ダウンロードのスピードとリアルタイムのデータペイロードに対するパフォーマンスは両立できません。100Mビット Ethernetは伝送レートは最高ですが、それには複雑なソフトウェア設定が必要であり、ハードウェアのコストはCAN FDよりも高くなります。CAN FDは、高いデータレートとほどほどのコストでさらなリンク： CANのためのソリューション www.vector-japan.co.jp/can-solutions ベクター･ジャパン www.vector-japan.co.jp る改善が期待できる、おそらく最もバランスの取れたソリューションです。さらに、CANとCAN FDは非常に似ているため、この新しいCAN規格に移行するのはそれほど難しくはありません。どちらのプロトコルも基盤とする物理層は同じであり、トランシーバー、配線、バストポロジーなどを流用できます。通信の原理も変わらないため、既存のノウハウがそのまま応用できます。影響を受けるキャリブレーションとリプログラミングのソフトウェア層に対して September 2014 4 Technical Article 図9：CANおよびCAN FDでのダウンロードおよびプログラミング時間の比較執筆者：ベクター：ツールチェーンによりCAN FDを全面的にサポート Armin Happel (Dipl.-Ing.) 1997年、Vector Informatik GmbHに入社。組込ソフトウェア開発の分野で、フラッシュブートローダー製品を担当。 CAN FD用のECUソフトウェアは、ツールチェーンの全コンポーネントがこの改良版のCANプロトコルに対応してこそ、効率的に開発できます。ベクターは、CAN FDが将来、車載ネットワークで戦略的な役割を果たすものと確信しています。ツールメーカーとしてすでに、この新しいシステムへの製品対応を優先的に進めており、シミュレーション/解析ツールのCANoeおよびCANalyzer (バージョン8.1以降)、データベースのCANdb、測定/キャリブレーションツールのCANape (バージョン12.0)、フラッシュツール Erik Sparrer (Dipl.-Ing.) 2013年、Vector Informatik GmbHに入社。通信用ハードウェアとCANape用のデータ取得システムの統合を主軸としたキャリブレーション/測定分野のソフトウェア開発に従事。のvFlash (バージョン2.6以降) からなるCAN FDの包括的なツールチェーンを提供しています。関連するハードウェアとしては、 USB接続によるシンプルなインターフェイスから、専用のCPUを搭載した高性能のインターフェイス、そしてベクターのモジュール式テスト用ハードウェア製品であるVTシステムに至るまで、幅広い製品を揃えています。CAN FDは今後、ベクターのAUTOSAR ベーシックソフトウェアであるMICROSARにも含まれる予定です。ベクターは、プロセスソリューションであるPREEvisionも含め、完成度の高い製品ラインナップをご提供しています。 Peter Decker (Dipl.-Ing.(FH)) 2002年、Vector Informatik GmbHに入社。CANoe/CANalyzer用マルチバス開発分野のプロダクトマネージャー。参考文献： CAN-FD specification V1.0, Robert Bosch GmbH ■ 本件に関するお問い合わせ先ベクター・ジャパン株式会社営業部（東京） TEL：03-5769-6980 FAX：03-5769-6975 （名古屋）TEL：052-238-5020 FAX：052-238-5077 E-Mail：[email protected] September 2014 5