洞察幽微 初探CAN總線(xiàn)的一些小門(mén)道

在這個(gè)“網(wǎng)文”興盛的時(shí)代，單純的技術(shù)帖越來(lái)越不招人喜歡了。

怎樣才能既傳遞技術(shù)的干貨，又不至于陷入專(zhuān)業(yè)概念的漩渦？或者說(shuō)，能不能像東方臻選的董宇輝那樣，既賣(mài)了貨，還能雙語(yǔ)授課？

灑家思索再三，唯一的方法也許是走下專(zhuān)業(yè)的神壇，拋開(kāi)拗口的概念，靠著(zhù)侵淫多年的思考把背后的原理講得有趣、直白又簡(jiǎn)單。

今天講的是在工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)等領(lǐng)域應用很廣泛的CAN總線(xiàn)。

CAN總線(xiàn)的多主結構和內容尋址

上個(gè)世紀七八十年代超大規模集成電路的發(fā)展，開(kāi)啟了汽車(chē)行業(yè)轟轟烈烈延續至今的電子化進(jìn)程。

各種電子控制單元（ECU）的出現，讓ECU之間的信息交互變得越來(lái)越普遍。在ECU交互比較簡(jiǎn)單時(shí)，最直接也最簡(jiǎn)單的方案便是一個(gè)信號一根線(xiàn)。

一支穿云箭，千軍萬(wàn)馬來(lái)相見(jiàn)。但在沒(méi)有CAN總線(xiàn)的年代里，一根實(shí)體線(xiàn)，只能單個(gè)信號來(lái)見(jiàn)面。

毫無(wú)疑問(wèn)，這種方式會(huì )導致線(xiàn)束數量不斷翻番，實(shí)在不是一個(gè)好方案，于是乎，汽車(chē)專(zhuān)家們把目光投向了串行總線(xiàn)。

當時(shí)，RS232-RS422-RS485總線(xiàn)已經(jīng)將觸角延伸到了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，其中，RS485總線(xiàn)采用雙絞線(xiàn)差分傳輸，支持多節點(diǎn)數據通信，似乎到上車(chē)只差臨門(mén)一腳。但是，RS485采取主從結構以及分配設備地址這兩大缺陷，使得汽車(chē)專(zhuān)家決定另起爐灶，開(kāi)發(fā)新的串行總線(xiàn)。

新的串行總線(xiàn)-CAN，沒(méi)有主從的概念，以ID而非設備地址進(jìn)行尋址，完美克服了這倆在汽車(chē)應用中格格不入的缺陷。

愛(ài)思考的小伙伴，端起了大蒲扇，主從結構怎么就成了缺點(diǎn)？為不同節點(diǎn)分配各自的設備地址，又存在什么缺陷？

要搞明白第一點(diǎn)，需要先看看主從結構的特點(diǎn)，至于第二點(diǎn)，需要對照一下汽車(chē)應用的要求來(lái)看看。

武林至尊，寶刀屠龍，號令天下，莫敢不從。在主從結構里，一主多從，主節點(diǎn)不發(fā)號令，從節點(diǎn)便永遠沒(méi)有參與通信的可能。

在主子“翻牌子”之前，從節點(diǎn)唯一能做的便是洗得白白凈凈，耐心坐等！

據說(shuō)，這種方式主要是為了防止多個(gè)節點(diǎn)向總線(xiàn)上發(fā)送數據導致的錯亂。

在沒(méi)有更好的方法解決大家同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)的挑戰之前，這種主從結構似乎是唯一的答案，但是，它的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)！

首先，從節點(diǎn)沒(méi)有主動(dòng)發(fā)送數據的權力，主機一旦癱瘓，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )就玩完。

其次，由于不能同時(shí)競爭總線(xiàn)，通信效率也只能維持在較低的區間，對于有高速和實(shí)時(shí)要求的應用場(chǎng)合，這種方式怎么玩得轉？

你就說(shuō)，在汽車(chē)的總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )里面，行車(chē)安全、動(dòng)力操控、告警顯示相關(guān)的那些小主兒，哪個(gè)能坐等？

所以，必須拋棄主從結構，尋找一種新的解決方案。競爭和仲裁就是CAN總線(xiàn)標準給出的答案。

再來(lái)看分配設備地址的缺點(diǎn)。

汽車(chē)電子化是隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展而不斷升級的一個(gè)進(jìn)程，主機廠(chǎng)為了保持產(chǎn)品的競爭力或者滿(mǎn)足用戶(hù)的期待，會(huì )引入新的ECU，加入新的功能，在這種升級、擴展需求面前，固定設備地址等于自套枷鎖，給掛接新節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )升級帶來(lái)困難。

CAN總線(xiàn)，通過(guò)報文ID這種內容性的尋址，解決了升級擴展的挑戰。

最后總結一下CAN總線(xiàn)的突出特點(diǎn)：

不分主從，可自由競爭總線(xiàn)；

通過(guò)ID“尋址”，可以靈活擴展。

CAN總線(xiàn)的競爭和仲裁

說(shuō)到對資源的競爭，灑家總會(huì )想起電影《1942》里頭，那些饑餓的難民拿著(zhù)耙子、鐵鍬、木棍攻打大地主家，以爭奪糧食這個(gè)能活命的資源的畫(huà)面。

資源，有時(shí)候就是生命線(xiàn)！

不過(guò)，計算機的世界很體面，盡管CAN總線(xiàn)只有兩根線(xiàn)（CANH和CANL），沒(méi)有了主節點(diǎn)這個(gè)“話(huà)事人”在中間調度轉圜，但是，博世的天才工程師們依然想出了方法，可以避免沒(méi)高沒(méi)低的節點(diǎn)對總線(xiàn)資源的爭搶。

將一頭大象放進(jìn)冰箱需要三步，博世解決CAN節點(diǎn)競爭總線(xiàn)的方案卻只需要兩步。

第一步，只有在總線(xiàn)空閑時(shí)，才開(kāi)始發(fā)送報文；

第二步，如果大家同時(shí)開(kāi)始發(fā)送報文，則在仲裁場(chǎng)一決勝負。

為了講明白這一點(diǎn)，需要先給出CAN總線(xiàn)的報文格式，或者說(shuō)幀結構，如下圖所示。

關(guān)于第一步，需要著(zhù)重搞清楚的是何謂“總線(xiàn)空閑”，以及，為什么總線(xiàn)空閑能有效避免大家伙一哄而上地搞亂了總線(xiàn)。

總線(xiàn)空閑

在CAN總線(xiàn)標準里，將總線(xiàn)上出現連續11個(gè)位的隱性電平定義為總線(xiàn)空閑。

隱性電平即CAN總線(xiàn)上數據為1時(shí)對應的總線(xiàn)電平（數據為0時(shí)便是顯性電平），這里的總線(xiàn)電平，可以認為是CANH和CANL上各自的電壓，也可以認為是兩者的電壓差。

至于具體什么樣的電壓水平，ISO11898-2和3中分別給出了高速CAN和低速CAN的電壓標準。

這里，以ISO11898-2為例進(jìn)行說(shuō)明。

CANH對地3.5V，CANL對地1.5V時(shí)，總線(xiàn)電平為顯性電平，對應數據0。

CANH對地2.5V，CANL對地2.5V時(shí)，總線(xiàn)電平為隱性電平，對應數據1。

或者說(shuō)，電壓差在2V左右時(shí)，對應數據1，電壓差在0V左右時(shí)，對應數據0。

這里面，大家經(jīng)常搞混淆的便是顯性電平對應數據0，隱性電平對應數據1。因為，根據大家的“直覺(jué)”，道生一，一生萬(wàn)物，沒(méi)有前面的1，后面隱藏了多少0也無(wú)濟于事，所以，本該顯性為1、隱性為0的嘛。

據說(shuō)，女孩子的“直覺(jué)”很準，不過(guò)好在，這個(gè)世界，不講直覺(jué)，講科學(xué)！

CAN總線(xiàn)之所以把0定義為顯性，是因為CAN總線(xiàn)執行“線(xiàn)與”機制，0&1還是0，所以，在0面前，1自動(dòng)隱身，總線(xiàn)上顯出來(lái)的是0，故顯性為0，隱性為1。

在顯性面前，1是默默含藏的，1是甘愿隱身的，正是因為1有了這種包容的精神，才能1生萬(wàn)物！

至于為何連續11個(gè)隱性位代表總線(xiàn)空閑，這一點(diǎn)可以從幀格式里找到答案。

首先，CAN總線(xiàn)是半雙工通信，半雙工的特點(diǎn)是節點(diǎn)可發(fā)送可接收，但是不能同時(shí)發(fā)送。在CAN通信中對應的情況便是，當一個(gè)節點(diǎn)占據了總線(xiàn)并發(fā)送報文時(shí)，其它節點(diǎn)只能處于接收狀態(tài)。

那么，最有效率的半雙工通信做法是什么？等待發(fā)送報文的節點(diǎn)接收完報文后就馬上發(fā)送報文！

其次，CAN通信里有一個(gè)位填充機制，不允許在報文的SOF、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)、CRC場(chǎng)中連續出現6個(gè)相同的邏輯位，換句話(huà)說(shuō)，在CAN報文傳輸的主要過(guò)程（即上述那幾個(gè)場(chǎng)，有的技術(shù)帖稱(chēng)之為“域”或“段”，對應的英文為Field）中，不可能出現11個(gè)位的隱性電平。

但是，為了保證總線(xiàn)通信的效率，允許在EOF場(chǎng)（End Of Frame）和IFS（Inter Frame Space）中出現。

根據CAN幀結構，報文結尾的EOF場(chǎng)和IFS場(chǎng)為連續7+3=10個(gè)隱性位，那么，為了讓等待發(fā)送報文的節點(diǎn)可以在確認總線(xiàn)空閑的第一時(shí)間啟動(dòng)報文發(fā)送，是不是11個(gè)隱性位正好合適？

在外行的眼里，上個(gè)報文的結尾10個(gè)隱性位，總線(xiàn)空閑定義為11個(gè)隱性位，簡(jiǎn)直巧的不能再巧。

可在內行者的眼中，這是設計上的巧妙，是嚴絲合縫的獨到，是天才的光芒，在灼灼閃耀！

競爭與仲裁

在人類(lèi)社會(huì )中，看到他人在忙就不打擾是一種基本的素養，如前所述，CAN節點(diǎn)也是這樣有涵養的謙謙君子。

但，君子待時(shí)而動(dòng)，順勢而為，CAN節點(diǎn)一邊監聽(tīng)總線(xiàn)是否空閑，一邊在確認總線(xiàn)空閑的第一時(shí)間去競爭寶貴的總線(xiàn)資源。 

CAN節點(diǎn)通過(guò)SOF，打響了爭奪總線(xiàn)資源的第一槍。

顯然，為了避免混亂，需要有一種合適的手段，盡快地仲裁出答案，決定自己是繼續占有還是放棄對總線(xiàn)的主權。

博世的科學(xué)家們，引入了一種非破壞性仲裁的方案。

即，各個(gè)節點(diǎn)在仲裁場(chǎng)里拿出報文ID，通過(guò)比大小的方式公平競爭。

在這里，ID越小，優(yōu)先級越高，其競爭總線(xiàn)的勝率也就越高。

之所以如此，還要回到前面講解顯性電平和隱性電平的“線(xiàn)與”機制。

圖例中，節點(diǎn)A的報文ID最大，節點(diǎn)C的報文ID最小。節點(diǎn)A、B、C在未決出勝負之前，都一邊向總線(xiàn)發(fā)送報文ID里的數據位，一邊監聽(tīng)總線(xiàn)。

因為總線(xiàn)的線(xiàn)與機制，節點(diǎn)A發(fā)出的1和節點(diǎn)B/C發(fā)出的0進(jìn)行“與運算”之后，總線(xiàn)上的數據位依然為0。節點(diǎn)A監測到自己發(fā)送了1卻回讀到0后，自動(dòng)退出總線(xiàn)競爭，轉入接受模式，同理，節點(diǎn)B也在隨后退出了對總線(xiàn)的競爭，ID最小的節點(diǎn)C最終奪魁。

比大小，這個(gè)人類(lèi)社會(huì )解決分歧的最原始、最有效的方式，竟然在CAN總線(xiàn)這么一個(gè)高大上的地方找到了用武之地。

只能感嘆，這個(gè)世界真奇妙！

CAN總線(xiàn)的門(mén)道還很多，且等咱家慢慢跟你聊~~

文：三德子