STM32之CAN ---CAN ID過(guò)濾器分析

1 前言

在CAN協(xié)議里，報文的標識符不代表節點(diǎn)的地址，而是跟報文的內容相關(guān)的。因此，發(fā)送者以廣播的形式把報文發(fā)送給所有的接收者。節點(diǎn)在接收報文時(shí),根據標識符(CAN ID)的值決定軟件是否需要該報文；如果需要，就拷貝到SRAM里；如果不需要，報文就被丟棄且無(wú)需軟件的干預。
為滿(mǎn)足這一需求，bxCAN為應用程序提供了14個(gè)位寬可變的、可配置的過(guò)濾器組(13~0)，以便只接收那些軟件需要的報文。硬件過(guò)濾的做法節省了CPU開(kāi)銷(xiāo)，否則就必須由軟件過(guò)濾從而占用一定的CPU開(kāi)銷(xiāo)。每個(gè)過(guò)濾器組x由2個(gè)32位寄存器，CAN_FxR0和CAN_FxR1組成。

為了讓大家了解STM32的bxCAN的接收過(guò)濾機制，首先大家需要了解幾個(gè)概念。

2 幾個(gè)重要的概念

2.1 過(guò)濾器組

STM32總共提供14個(gè)過(guò)濾器組來(lái)處理CAN接收過(guò)濾問(wèn)題，每個(gè)過(guò)濾器組包含兩個(gè)32位寄存器CAN_FxR0和CAN_FxR1組成，在設置為屏蔽位模式下，其中一個(gè)作為標識符寄存器，另一個(gè)作為屏蔽碼寄存器。過(guò)濾器組中的每個(gè)過(guò)濾器，編號(叫做過(guò)濾器號)從0開(kāi)始，到某個(gè)最大數值（這時(shí)最大值并非13，而是取決于14個(gè)過(guò)濾器組的模式和位寬的設置，當全部配置為位寬為16，且為標識符列表模式時(shí)，最大編號為14*4-1=55）。

2.2 過(guò)濾器的過(guò)濾模式

STM32提供兩種過(guò)濾模式供用戶(hù)設置：屏蔽位模式和標識符列表模式。

2.2.1 屏蔽位模式

在屏蔽位模式下，標識符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定報文標識符的任何一位，應該按照“必須匹配”或“不用關(guān)心”處理。

2.2.2 標識符列表模式

在標識符列表模式下，屏蔽寄存器也被當作標識符寄存器用。因此，不是采用一個(gè)標識符加一個(gè)屏蔽位的方式，而是使用2個(gè)標識符寄存器。接收報文標識符的每一位都必須跟過(guò)濾器標識符相同。

2.3 過(guò)濾器的位寬

每個(gè)過(guò)濾器組的位寬都可以獨立配置，以滿(mǎn)足應用程序的不同需求。根據位寬的不同，每個(gè)過(guò)濾器組可提供：
●1個(gè)32位過(guò)濾器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE和RTR位
●2個(gè)16位過(guò)濾器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR和EXTID[17:15]位

2.3 過(guò)濾器組的過(guò)濾模式和位寬設置

過(guò)濾器組可以通過(guò)相應的CAN_FMR寄存器（CAN過(guò)濾器主控寄存器）配置。但是不是什么時(shí)候都可以直接配置，在配置一個(gè)過(guò)濾器組前，必須通過(guò)清除CAN_FAR寄存器（CAN過(guò)濾器激活寄存器）的FACT位，把它設置為禁用狀態(tài)。然后才能設置或設置過(guò)濾器組的配置。

• 通過(guò)設置CAN_FS1R（CAN過(guò)濾器位寬寄存器）的相應FSCx位，可以配置一個(gè)過(guò)濾器組的位寬。
• 通過(guò)CAN_FM1R（CAN過(guò)濾器模式寄存器）的FBMx位，可以配置對應的屏蔽/標識符寄存器的標識符列表模式或屏蔽位模式。(見(jiàn)后續3.2節)

應用程序不用的過(guò)濾器組，應該保持在禁用狀態(tài)。

關(guān)于過(guò)濾器配置，可參見(jiàn)下圖:

圖1

2.4 過(guò)濾器匹配序號

一旦收到的報文被存入FIFO，就可被應用程序訪(fǎng)問(wèn)。通常情況下，報文中的數據被拷貝到SRAM中；為了把數據拷貝到合適的位置，應用程序需要根據報文的標識符來(lái)辨別不同的數據。bxCAN提供了過(guò)濾器匹配序號，以簡(jiǎn)化這一辨別過(guò)程。

根據過(guò)濾器優(yōu)先級規則，過(guò)濾器匹配序號和報文一起，被存入郵箱中。因此每個(gè)收到的報文，都有與它相關(guān)聯(lián)的過(guò)濾器匹配序號。

過(guò)濾器匹配序號可以通過(guò)下面兩種方式來(lái)使用：
● 把過(guò)濾器匹配序號跟一系列所期望的值進(jìn)行比較
● 把過(guò)濾器匹配序號當作一個(gè)索引來(lái)訪(fǎng)問(wèn)目標地址
對于標識符列表模式下的過(guò)濾器(非屏蔽方式的過(guò)濾器)，軟件不需要直接跟標識符進(jìn)行比較。
對于屏蔽位模式下的過(guò)濾器，軟件只須對需要的那些屏蔽位(必須匹配的位)進(jìn)行比較即可。
在給過(guò)濾器編號時(shí)，并不考慮過(guò)濾器組是否為激活狀態(tài)。另外，每個(gè)FIFO各自對其關(guān)聯(lián)的過(guò)濾器進(jìn)行編號,如下圖：

圖2

2.5 過(guò)濾器優(yōu)先級規則

根據過(guò)濾器的不同配置，有可能一個(gè)報文標識符能通過(guò)多個(gè)過(guò)濾器的過(guò)濾；在這種情況下，存放在接收郵箱中的過(guò)濾器匹配序號，根據下列優(yōu)先級規則來(lái)確定：
● 位寬為32位的過(guò)濾器，優(yōu)先級高于位寬為16位的過(guò)濾器
● 對于位寬相同的過(guò)濾器，標識符列表模式的優(yōu)先級高于屏蔽位模式
● 位寬和模式都相同的過(guò)濾器，優(yōu)先級由過(guò)濾器號決定，過(guò)濾器號小的優(yōu)先級高

如下圖:

圖3

如上圖，在接收一個(gè)報文時(shí)，其標識符首先與配置在標識符列表模式下的過(guò)濾器相比較；如果匹配上，報文就被存放到相關(guān)聯(lián)的FIFO中，并且所匹配的過(guò)濾器的序號（這時(shí)為4）被存入過(guò)濾器匹配序號中。如同例子中所顯示，報文標識符跟#4標識符匹配，因此報文內容和FMI4被存入FIFO。

如果沒(méi)有匹配，報文標識符接著(zhù)與配置在屏蔽位模式下的過(guò)濾器進(jìn)行比較。
如果報文標識符沒(méi)有跟過(guò)濾器中的任何標識符相匹配，那么硬件就丟棄該報文，且不會(huì )對軟件有任何打擾。

3 與過(guò)濾器相關(guān)的寄存器

3.1 CAN 過(guò)濾器主控寄存器 (CAN_FMR)

地址偏移量: 0x200

復位值: 0x2A1C 0E01

注： 該寄存器的非保留位完全由軟件控制。

圖4

3.2 CAN 過(guò)濾器模式寄存器 (CAN_FM1R)

地址偏移量: 0x204
復位值: 0x0000 0000
注： 只有在設置CAN_FMR(FINIT=1)，使過(guò)濾器處于初始化模式下，才能對該寄存器寫(xiě)入。

圖5

3.3 CAN 過(guò)濾器位寬寄存器 (CAN_FS1R)

地址偏移量: 0x20C
復位值: 0x0000 0000
注： 只有在設置CAN_FMR(FINIT=1)，使過(guò)濾器處于初始化模式下，才能對該寄存器寫(xiě)入。

圖6

3.4 CAN 過(guò)濾器FIFO關(guān)聯(lián)寄存器 (CAN_FFA1R)

地址偏移量: 0x214
復位值: 0x0000 0000
注： 只有在設置CAN_FMR(FINIT=1)，使過(guò)濾器處于初始化模式下，才能對該寄存器寫(xiě)入。

圖7

3.5 CAN 過(guò)濾器激活寄存器 (CAN_FA1R)

地址偏移量: 0x21C
復位值: 0x0000 0000

圖7

3.6 CAN 過(guò)濾器組x寄存器 (CAN_FiRx) (i＝0..13，x=1..2)

地址偏移量：0x240h..0x2AC
復位值：未定義位
注： 共有14組過(guò)濾器：i=0..13。每組過(guò)濾器由2個(gè)32位的寄存器，CAN_FiR[2:1]組成。只有在CAN_FaxR寄存器（CAN過(guò)濾器激活寄存器）相應的FACTx位清’0’，或CAN_FMR寄存器（CAN過(guò)濾器主控寄存器）的FINIT位為’1’時(shí)，才能修改相應的過(guò)濾器寄存器。

圖8

屏蔽位模式下的屏蔽/標識符寄存器，跟標識符列表模式下的寄存器位定義相同。

4 代碼實(shí)例

4.1 CAN ID值的結構分析

在講到代碼實(shí)例之前，首先大家都弄懂一件事，當給定一個(gè)CAN ID，如0x1800f001,當然這個(gè)是擴展ID，這里要問(wèn)的是，這個(gè)CAN ID的值本身包含兩部分，即基本ID與擴展ID，即么你知道這個(gè)擴展ID0x1800f001的哪些位是基本ID，哪些位又是擴展ID？（在基本CANID格式下不存在這個(gè)問(wèn)題）

在回答這個(gè)問(wèn)題之前我們來(lái)看看ISO11898的定義，如下圖：

圖9

如上圖，基本格式不存在擴展ID，而擴展格式中ID0~ID17為Extension ID,而ID18~ID28為Base ID.

因此CAN ID值0x1800f001用二進(jìn)制表示為：0b 0001 1000 0000 0000 1111 0000 0000 0001,用括號分別區別為：0b 000[1 1000 0000 00][00 1111 0000 0000 0001]，紅色部分為擴展ID，藍色部分為基本ID。那么知道這些有什么用呢？接下來(lái)的代碼示例中你就會(huì )有什么用了。

4.2 位寬為32位的屏蔽模式

在此種模式下中過(guò)濾多個(gè)CAN ID，此時(shí)，過(guò)濾器包含兩個(gè)寄存器，屏蔽碼寄存器和標識符寄存器。此模式下最多只存在一個(gè)屏蔽過(guò)濾器。

如下圖所示：

圖10

如上圖，上面的ID為標識符寄存器，中間部分的MASK為屏蔽碼寄存器。每個(gè)寄存器都是32位的。最下邊顯示的是與CAN ID各位定位的映射關(guān)系。由4.1的知識很快可以發(fā)現，上圖最下邊的映射關(guān)系恰好等于擴展CAN值左移3位再補上IDE（擴展幀標識），RTR（遠程幀標志）。

因此，我們初步得出這樣的推論：對于一個(gè)擴展CAN ID，不能單純地將它看到的一個(gè)數，而應該將它看成兩部分，基本ID和擴展ID(當然標準CAN ID只包含基本ID部分)，過(guò)濾器屏蔽碼寄存器和標識符寄存器也應該看成多個(gè)部分，然后問(wèn)題就變成了如何將CAN ID所表示的各部分如何針對過(guò)濾器寄存器各部分對號入座的問(wèn)題了。

對號入座的方法多種多樣，但萬(wàn)變不離其心，主要是掌握其核心思想即可：1:在各種過(guò)濾器模式下，CAN ID與寄存器相應位置一定要匹配；2：在屏蔽方式下，屏蔽碼寄存器某位為1表示接收到的CAN ID對應的位必須對驗證碼寄存器對應的位相同。

下面給出一個(gè)代碼例子，假設我們要接收多個(gè)ID：0x7e9,0x1800f001,前面為標準ID，后面為擴展ID，要同時(shí)能接收這兩個(gè)ID，那么該如何設置這個(gè)過(guò)濾器呢?

總結可知，當過(guò)濾器為屏蔽模式時(shí)，標識符寄存器對應的ID內容可為任意一需求接收的ID值，當同時(shí)要接收標準幀和擴展幀時(shí)，標識符寄存器對應IDE位也隨意設置，屏蔽寄存器的IDE位設置為0，表示不關(guān)心標準幀還是擴展幀。而屏蔽寄存器對應的ID內容為各需求接收的ID值依次異或的結果再取反。

4.3 位寬為32位的標識符列表模式

在此種模式下，過(guò)濾器組包含的兩個(gè)寄存器含義一樣，此模式下只多存在兩個(gè)標識符列表過(guò)濾器如下圖：

圖11

4.4 位寬為16位的屏蔽碼模式

在此模式下，最多存在兩個(gè)屏蔽碼過(guò)濾器，如下圖：

圖12

由上圖映射可知，最下面的映射只包含STDID0~ID10,因此，此模式下的兩個(gè)屏蔽過(guò)濾器只能實(shí)現對標準ID的過(guò)濾。具體代碼就不介紹了，參見(jiàn)上圖的映射即可。

4.5 位寬為16位的標識符列表模式

圖13

在此模式下，由于標識符寄存器的高16位和低16位，屏蔽寄存器的高16位和低16位都用來(lái)做標識符寄存器，因此，最多可存在4個(gè)標識符過(guò)濾器。同樣，只能實(shí)現對標準幀的過(guò)濾。具體代碼就不介紹了，參見(jiàn)上圖的映射即可。