Linux Socket CAN驅動-CAN匯流排原理__Linux

由於Socket CAN涉及到CAN匯流排協議、通訊端、Linux網路裝置驅動等。因此，為了能夠全面地瞭解Socket CAN的原理。我們需要瞭解以下幾個方面的知識點：

（1）CAN匯流排協議；

（2）Socket原理；

（3）Linux網路裝置驅動；

當熟悉以下三個方面的知識點後，我們再去分析基於Linux的Socket CAN的驅動。這樣的話理解起來更加容易、易懂。

（4）Socket CAN的驅動；

一、CAN匯流排協議

CAN是ControllerArea Network（控制器區域網路）的縮寫。CAN通訊協定在1986年由德國電氣商博世公司所開發，主要面向汽車的通訊系統。現已是ISO國際標準化的串列通訊協定。根據不同的距離、不同的網路，可配置不同的速度，最高速度為1MBit/s。

         CAN被細分為三個層次：

                   （1）CAN對象層（the object layer）；

                   （2）CAN傳輸層（the transfer layer）；

                   （3）CAN物理層（the phyical layer）；

對象層和傳輸層包括所有由ISO/OSI模型定義的資料連結層的服務和功能。

對象層的作用範圍包括：

（1）尋找被發送的報文。

（2）確定由實際要使用的傳輸層接收哪一個報文。

（3）為應用程式層相關硬體提供介面。

傳輸層的作用主要：

（1）傳送規則，也就是控制幀結構、執行仲裁、錯誤偵測、出錯標定、故障界定。

（2）匯流排上什麼時候開始發送新報文及什麼時候開始接收報文，均在傳輸層裡確定。

（3）位定時的一些普通功能也可以看作是傳輸層的一部分。

（4）傳輸層的修改是受到限制的。

物理層的作用：

在不同節點之間根據所有的電氣屬性進行位資訊的實際傳輸。當然，同一網路內，物理層對於所有的節點必須是相同的。儘管如此，在選擇物理層方面還是很自由的。

                        圖1  CAN協議所對應的ISO模型

CAN具有以下的屬性：

（1）報文（Messages）：簡單來說就是具有固定格式的資料包。

（2）資訊路由（Information Routing）：即，報文尋找結點的方式。

（3）位速率（Bit rate）：資料位元的傳輸速度。

（4）優先權（Priorities）：即報文發送的優先權。

（5）遠端資料請求（Remote Data Request）：通過發送遠程幀，需要資料的節點可以請求另一節點發送相應的資料幀。

（6）多主機（Multimaster）：匯流排空閑時，任何結點都可以開始傳送報文。

（7）仲裁（Arbitration）：當2個及以上的單元同時開始傳送報文，那麼就會有匯流排存取違規。仲裁是確定哪個單元的具有發送優先權。

（8）安全性（Safety）：CAN的每一個節點均採取了強有力的措施以進行錯誤偵測、錯誤標定及錯誤自檢。

（9）錯誤偵測（Error Detection）：包括監視、迴圈冗餘檢查、位填充、報文格式檢查。

（10）錯誤偵測的執行（Performance of Error Detection）

（11）錯誤標定和恢復（Error Sinalling and Recovery Time）：任何檢測到錯誤的結點會標誌出已損壞的報文。此報文會失效並將自動地開始重新傳送。如果不再出現新的錯誤，從檢測到錯誤到下一報文的傳送開始為止，恢復最多為29個位的時間。

（12）故障界定（Fault Confinement）：CAN結點能夠把永久故障和短暫擾動區分開來。永久故障的結點會被關閉。

（13）串連（Connections）：CAN串列通訊鏈路是可以串連許多結點的匯流排。理論上，可串連無數多的結點。但由於實際上受延遲時間或者匯流排線路上電氣負載的影響，串連結點的數量是有限的。

（14）單通道（Single Channel）：匯流排是由單一進行雙向位訊號傳送的通道組成。

（15）匯流排值（Bus value）：匯流排可以具有兩種互補的邏輯值之一：“顯性”（可表示為邏輯0）或“隱性”（可表示為邏輯1）。

（16）應答（Acknowledgment）：所有的接收器檢查報文的連貫性。對於連貫的報文，接收器應答；對於不連貫的報文，接收器作出標誌。

（17） 睡眠模式／喚醒（Sleep Mode / Wake-up）：為了減少系統電源的功率消耗，可以將CAN器件設為睡眠模式以便停止內部活動及斷開與匯流排磁碟機的串連。CAN器件可由匯流排啟用，或系統內部狀態而被喚醒。

1、CAN匯流排的報文格式

CAN傳輸的報文，可分為五種類型：

（1）資料幀：用於發送結點向接收結點傳送資料的幀。

（2）遠程幀：匯流排結點發出遠程幀，請求發送具有同一識別符的資料幀。

（3）錯誤幀：任何結點檢測到一匯流排錯誤就發出錯誤幀。

（4）過載幀：過載幀用以在先行的和後續的資料幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時。

（5）幀間隔：用於將資料幀及遠程幀與前面的幀分離開來的幀。

資料幀由7個不同的位場組成：

幀起始

仲裁場

控制場

資料場

CRC場

ACK場

幀結束

資料幀有標準格式和和遠程格式，以下是其格式表示：

                                                 圖2    資料框架格式

遠程幀由6個不同的位場組成：

幀起始

仲裁場

控制場

CRC場

ACK場

幀結束

         遠程幀沒有資料幀的資料場，以下是其格式表示：

                                        圖3    遠程框架格式

錯誤幀用於在接收和發送訊息時檢測出錯誤，通知錯誤的幀。錯誤幀由錯誤標誌和錯誤界定符構成。

錯誤標誌包括主動錯誤標誌和被動錯誤標誌兩種。

主動錯誤標誌：6個位的顯性位，處於主動錯誤狀態的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標誌。

被動錯誤標誌：6個位的隱性位，處於被動錯誤狀態的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標誌。

錯誤界定符由8個位的隱性位構成。

錯誤框架格式如下表示：

                                       圖4    錯誤框架格式

過載幀是用於接收單元通知其尚未完成接收準備的幀。過載幀由過載標誌和過載界定符構成。過載框架格式如下表示：

                                         圖5    過載框架格式

幀間隔是用於分隔資料幀和遠程幀的幀。資料幀和遠程幀可通過插入幀間隔將本幀與前面的任何幀（資料幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀）分開。過載幀和錯誤幀前不能插入幀間隔。幀間隔如下圖所示：

                                    圖6    幀間隔格式

2、CAN匯流排的仲裁方式

         在匯流排空閑態，最先開始發送訊息的單元獲得發送權。多個單元同時開始發送時，各發送單元從仲裁段的第一位開始進行仲裁。連續輸出顯性電平最多的單元可繼續發送。即逐位地對比各個結點發出的報文ID。由於線與的關係，顯示位“0”可以覆蓋隱性位“1”，因此ID最小的節點贏得仲裁，匯流排上表現為該結點的報文，其他結點失去仲裁，退出發送，轉為接收狀態。

標準格式ID與具有相同ID的遠程幀或者擴充格式的資料幀在匯流排上競爭時，標準格式的RTR位為顯性位的具有優先權，可繼續發送。

                                              圖7    仲裁方式

3、位填充（BitStuffing）

         位填充是為了防止突發錯誤而設定的功能。位填充的規則如下：

（1）5位連續相同電平之後，必須填充一位反向位，即不允許有6個連續相同位；

（2）SOF之前為匯流排空閑狀態，不需要同步，因此不需要位填充；

（3）CRC之後為固定格式，不允許填充； （4）由CAN控制器自動實現；

4、CAN的錯誤處理

CAN控制器檢測錯誤共有以下5種：

（1）位填充錯誤；

在使用位填充的幀場內，結點如果檢測到6個連續相同的位值，則產生位填充錯誤，在下一位開始時，該結點將發送一個錯誤幀。

（2）位錯誤；

在發送期間，結點檢測到匯流排的位值與自身發送的位值不一致時，則產生位錯誤，在下一位開始時，該結點將發送一個錯誤幀。

（3）CRC錯誤；

接收結點計算的CRC碼與資料幀本身內建的CRC碼不一致，接收結點將丟棄該幀，並在ACK界定符之後發送一個錯誤幀。

（4）應答錯誤；

發送結點在ACK Slot位會發送隱性位，同時監聽匯流排是否為顯性位，如果是顯性位，則表明至少一個節點正確收到該幀；如果是隱性位，將產生ACK錯誤，發送結點發送一個錯誤幀。

（5）格式錯誤；

發送結節在（CRC界定符、ACK界定符、幀結束EOF）固定格式的位置檢測到顯性位時，將發生格式錯誤，並發送一個錯誤幀。

         5、CAN匯流排同步

         CAN匯流排的通訊方式為NRZ方式。各個位的開關或者結尾都沒有附加同步訊號。發送結點以與位時序同步的方式開始發送資料。另外，接收結點根據匯流排上電平的變化進行同步並進行接收工作。

         但是，發送結點和接收結點存在的時鐘頻率誤差及傳輸路徑上的（電纜、磁碟機等）相位延遲會引進同步偏差。因此接收結點需要通過同步的方式調整時序進行接收。

         同步的作用是盡量使本地位時序與總結訊號的位時序一致（本地同步段與總結訊號邊沿同步）。只有接收結點需要同步；同步只會發生在隱性到顯性電平的跳沿。

         同步的方式為硬體同步和再同步。

以上是CAN匯流排協議的一些簡要總結，不足之處，請指出，謝謝。下一篇文章將開始Socket原理的講解。