洞察幽微 初探CAN總線的一些小門道

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

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

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

今天講的是在工業(yè)自動化、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛的CAN總線。

CAN總線的多主結(jié)構(gòu)和內(nèi)容尋址

上個世紀(jì)七八十年代超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，開啟了汽車行業(yè)轟轟烈烈延續(xù)至今的電子化進(jìn)程。

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

一支穿云箭，千軍萬馬來相見。但在沒有CAN總線的年代里，一根實體線，只能單個信號來見面。

毫無疑問，這種方式會導(dǎo)致線束數(shù)量不斷翻番，實在不是一個好方案，于是乎，汽車專家們把目光投向了串行總線。

當(dāng)時，RS232-RS422-RS485總線已經(jīng)將觸角延伸到了工業(yè)自動化領(lǐng)域，其中，RS485總線采用雙絞線差分傳輸，支持多節(jié)點數(shù)據(jù)通信，似乎到上車只差臨門一腳。但是，RS485采取主從結(jié)構(gòu)以及分配設(shè)備地址這兩大缺陷，使得汽車專家決定另起爐灶，開發(fā)新的串行總線。

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

愛思考的小伙伴，端起了大蒲扇，主從結(jié)構(gòu)怎么就成了缺點？為不同節(jié)點分配各自的設(shè)備地址，又存在什么缺陷？

要搞明白第一點，需要先看看主從結(jié)構(gòu)的特點，至于第二點，需要對照一下汽車應(yīng)用的要求來看看。

武林至尊，寶刀屠龍，號令天下，莫敢不從。在主從結(jié)構(gòu)里，一主多從，主節(jié)點不發(fā)號令，從節(jié)點便永遠(yuǎn)沒有參與通信的可能。

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

據(jù)說，這種方式主要是為了防止多個節(jié)點向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致的錯亂。

在沒有更好的方法解決大家同時訪問總線的挑戰(zhàn)之前，這種主從結(jié)構(gòu)似乎是唯一的答案，但是，它的缺點顯而易見！

首先，從節(jié)點沒有主動發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)力，主機(jī)一旦癱瘓，整個網(wǎng)絡(luò)就玩完。

其次，由于不能同時競爭總線，通信效率也只能維持在較低的區(qū)間，對于有高速和實時要求的應(yīng)用場合，這種方式怎么玩得轉(zhuǎn)？

你就說，在汽車的總線通信網(wǎng)絡(luò)里面，行車安全、動力操控、告警顯示相關(guān)的那些小主兒，哪個能坐等？

所以，必須拋棄主從結(jié)構(gòu)，尋找一種新的解決方案。競爭和仲裁就是CAN總線標(biāo)準(zhǔn)給出的答案。

再來看分配設(shè)備地址的缺點。

汽車電子化是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而不斷升級的一個進(jìn)程，主機(jī)廠為了保持產(chǎn)品的競爭力或者滿足用戶的期待，會引入新的ECU，加入新的功能，在這種升級、擴(kuò)展需求面前，固定設(shè)備地址等于自套枷鎖，給掛接新節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)升級帶來困難。

CAN總線，通過報文ID這種內(nèi)容性的尋址，解決了升級擴(kuò)展的挑戰(zhàn)。

最后總結(jié)一下CAN總線的突出特點：

不分主從，可自由競爭總線；

通過ID“尋址”，可以靈活擴(kuò)展。

CAN總線的競爭和仲裁

說到對資源的競爭，灑家總會想起電影《1942》里頭，那些饑餓的難民拿著耙子、鐵鍬、木棍攻打大地主家，以爭奪糧食這個能活命的資源的畫面。

資源，有時候就是生命線！

不過，計算機(jī)的世界很體面，盡管CAN總線只有兩根線（CANH和CANL），沒有了主節(jié)點這個“話事人”在中間調(diào)度轉(zhuǎn)圜，但是，博世的天才工程師們依然想出了方法，可以避免沒高沒低的節(jié)點對總線資源的爭搶。

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

第一步，只有在總線空閑時，才開始發(fā)送報文；

第二步，如果大家同時開始發(fā)送報文，則在仲裁場一決勝負(fù)。

為了講明白這一點，需要先給出CAN總線的報文格式，或者說幀結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

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

總線空閑

在CAN總線標(biāo)準(zhǔn)里，將總線上出現(xiàn)連續(xù)11個位的隱性電平定義為總線空閑。

隱性電平即CAN總線上數(shù)據(jù)為1時對應(yīng)的總線電平（數(shù)據(jù)為0時便是顯性電平），這里的總線電平，可以認(rèn)為是CANH和CANL上各自的電壓，也可以認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)。

這里，以ISO11898-2為例進(jìn)行說明。

CANH對地3.5V，CANL對地1.5V時，總線電平為顯性電平，對應(yīng)數(shù)據(jù)0。

CANH對地2.5V，CANL對地2.5V時，總線電平為隱性電平，對應(yīng)數(shù)據(jù)1。

或者說，電壓差在2V左右時，對應(yīng)數(shù)據(jù)1，電壓差在0V左右時，對應(yīng)數(shù)據(jù)0。

這里面，大家經(jīng)常搞混淆的便是顯性電平對應(yīng)數(shù)據(jù)0，隱性電平對應(yīng)數(shù)據(jù)1。因為，根據(jù)大家的“直覺”，道生一，一生萬物，沒有前面的1，后面隱藏了多少0也無濟(jì)于事，所以，本該顯性為1、隱性為0的嘛。

據(jù)說，女孩子的“直覺”很準(zhǔn)，不過好在，這個世界，不講直覺，講科學(xué)！

CAN總線之所以把0定義為顯性，是因為CAN總線執(zhí)行“線與”機(jī)制，0&1還是0，所以，在0面前，1自動隱身，總線上顯出來的是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生萬物！

至于為何連續(xù)11個隱性位代表總線空閑，這一點可以從幀格式里找到答案。

首先，CAN總線是半雙工通信，半雙工的特點是節(jié)點可發(fā)送可接收，但是不能同時發(fā)送。在CAN通信中對應(yīng)的情況便是，當(dāng)一個節(jié)點占據(jù)了總線并發(fā)送報文時，其它節(jié)點只能處于接收狀態(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(jié)點接收完報文后就馬上發(fā)送報文！

其次，CAN通信里有一個位填充機(jī)制，不允許在報文的SOF、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場中連續(xù)出現(xiàn)6個相同的邏輯位，換句話說，在CAN報文傳輸?shù)闹饕^程（即上述那幾個場，有的技術(shù)帖稱之為“域”或“段”，對應(yīng)的英文為Field）中，不可能出現(xiàn)11個位的隱性電平。

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

根據(jù)CAN幀結(jié)構(gòu)，報文結(jié)尾的EOF場和IFS場為連續(xù)7+3=10個隱性位，那么，為了讓等待發(fā)送報文的節(jié)點可以在確認(rèn)總線空閑的第一時間啟動報文發(fā)送，是不是11個隱性位正好合適？

在外行的眼里，上個報文的結(jié)尾10個隱性位，總線空閑定義為11個隱性位，簡直巧的不能再巧。

可在內(nèi)行者的眼中，這是設(shè)計上的巧妙，是嚴(yán)絲合縫的獨到，是天才的光芒，在灼灼閃耀！

競爭與仲裁

在人類社會中，看到他人在忙就不打擾是一種基本的素養(yǎng)，如前所述，CAN節(jié)點也是這樣有涵養(yǎng)的謙謙君子。

但，君子待時而動，順勢而為，CAN節(jié)點一邊監(jiān)聽總線是否空閑，一邊在確認(rèn)總線空閑的第一時間去競爭寶貴的總線資源。 

CAN節(jié)點通過SOF，打響了爭奪總線資源的第一槍。

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(xù)占有還是放棄對總線的主權(quán)。

博世的科學(xué)家們，引入了一種非破壞性仲裁的方案。

即，各個節(jié)點在仲裁場里拿出報文ID，通過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“線與”機(jī)制。

圖例中，節(jié)點A的報文ID最大，節(jié)點C的報文ID最小。節(jié)點A、B、C在未決出勝負(fù)之前，都一邊向總線發(fā)送報文ID里的數(shù)據(jù)位，一邊監(jiān)聽總線。

因為總線的線與機(jī)制，節(jié)點A發(fā)出的1和節(jié)點B/C發(fā)出的0進(jìn)行“與運算”之后，總線上的數(shù)據(jù)位依然為0。節(jié)點A監(jiān)測到自己發(fā)送了1卻回讀到0后，自動退出總線競爭，轉(zhuǎn)入接受模式，同理，節(jié)點B也在隨后退出了對總線的競爭，ID最小的節(jié)點C最終奪魁。

比大小，這個人類社會解決分歧的最原始、最有效的方式，竟然在CAN總線這么一個高大上的地方找到了用武之地。

只能感嘆，這個世界真奇妙！

CAN總線的門道還很多，且等咱家慢慢跟你聊~~

文：三德子