CAN總線仲裁機(jī)制

1、CAN總線是一種基于優(yōu)先級的串行通信網(wǎng)絡(luò)，采用載波監(jiān)聽多路轉(zhuǎn)換沖突避免協(xié)議，CAN總線中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的起始部分為數(shù)據(jù)的標(biāo)識符，標(biāo)識符可以區(qū)分消息又可以表示消息的優(yōu)先級(0的優(yōu)先級最高)。CAN總線為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意一節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主 動向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送消息。若兩個或兩個以上的節(jié)點(diǎn)同時開始傳送報文，就會產(chǎn)生總線訪問沖突，根據(jù)逐位仲裁原則，借助幀開始部分的標(biāo)識符，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止 發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送信息。在仲裁期間，CAN總線作“與”運(yùn)算，每一個節(jié)點(diǎn)都對節(jié)點(diǎn)發(fā)送的電平與總線電平進(jìn)行比較，如果電平相同，則節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)發(fā)送。如規(guī)定0的優(yōu)先級高，當(dāng)某一個節(jié)點(diǎn)發(fā)

2、送1而檢測到0時，此節(jié)點(diǎn)知道有更高優(yōu)先級的信息在發(fā) 送，它就停止發(fā)送消息，直到再一次檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑。CAN總線采用的是一種叫做“載波監(jiān)測，多主掌控/沖突避免” (CSMA7CA)的通信模式。這種總線仲裁方式允許總線上的任何一個設(shè)各都有機(jī)會取得總線的控制權(quán)并向外發(fā)送數(shù) 據(jù)。如果在同一時刻有2個或2個以上的設(shè)各要求發(fā)送數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生總線沖突，CAN總線能夠?qū)崟r地檢測這些沖突并對其進(jìn)行仲裁，從而使具有高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)不受任何損壞地傳 輸。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時呈隱性電平，此時任何節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送顯性電平作為幀的開始。如果2個或2個以上同時發(fā)送就會產(chǎn)生競爭。CAN總線解決競爭的方法同以太網(wǎng)的CSMA/

3、CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)方法基本相似，如圖1所示。此外， CAN總線做了改進(jìn)并采用CSMA7CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)訪問總線，按位對標(biāo)識符進(jìn)行仲裁。各節(jié)點(diǎn)在向總線發(fā)送電平的同 時，也對總線上的電平讀取， 并與自身發(fā)送的電平進(jìn)行比較，如果電平相同繼續(xù)發(fā)送下一位，不同則停止發(fā)送退出總線競爭。剩余的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)上述過程，直到總線上只剩下1個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的電平，總線競爭結(jié)束，優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)獲得總線的控制權(quán)。圖1 CSMA /

4、 CD總線訪問過程送報文?？偩€2 CAN總線節(jié)點(diǎn)訪問總線過程CAN總線以報文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，報文的優(yōu)先級結(jié)合在44位標(biāo)識符中（擴(kuò)展幀的標(biāo)識符29位），具有最小二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識符的節(jié)點(diǎn)具有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時確定就不能隨意地更改，總線讀取產(chǎn)生的沖突主要靠這些位仲裁解決。之所以CAN總線不采用以太網(wǎng)使用的延時避免沖突，主要是為了保證具有更高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)能夠完整地實(shí)時傳輸，而且CSMA / CA可以有效地避免沖突。如圖2所示，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的標(biāo)識符的第10、9、8位電平相同，因此兩個節(jié)點(diǎn)偵聽到的信息和它們發(fā)出的信息相同。第7位節(jié)點(diǎn)B發(fā)出一個1；但從節(jié)點(diǎn)上接收到的消息卻是“0；說

5、明有更高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)占用總線發(fā)送消息。節(jié)點(diǎn)B會退出發(fā)送處于單純監(jiān)聽方式而不發(fā)送數(shù)據(jù)；節(jié)點(diǎn)A成功發(fā)送仲裁位從而獲得總線的控制權(quán)，繼而發(fā)送全部消息?？偩€中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線控制權(quán)發(fā)出的報文，本例中節(jié)點(diǎn)A的報文將被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪個節(jié)點(diǎn)被傳送前，報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸了， 因此具有高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸沒有任何延時。在秋得總線控制權(quán)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)過程中,其他節(jié)點(diǎn)成為報文的接收節(jié)點(diǎn),并且不會在總線再次空閑之前發(fā)節(jié)點(diǎn)A+1starts IDltk|- ID9i-jjID8*ID6卜圖3為CAN總線上節(jié)點(diǎn)的電平邏輯， 總線上的節(jié)點(diǎn)電平對于總線電平而

6、言是相與的關(guān) 系，只有當(dāng)3個節(jié)點(diǎn)的電壓都等于1（隱性電平），總線才會保持在vcc（隱性電平）狀態(tài)。 只要有1個節(jié)點(diǎn)切換到0狀態(tài)（顯性電平），總線就會被強(qiáng)制在顯性狀態(tài)（0）。這種避免總 線沖突的仲裁方式能夠使具有高優(yōu)先級的消息沒有延時地占用總線傳輸。Node1Node2Node3High :隱性位(1)highhighhighhighLow :顯性位(0)highlowhighlowlowlowhighlow按位仲裁是CAN總線特有的仲裁方式，顯性位覆蓋隱性位。優(yōu)先級高的報文根據(jù)此機(jī)制搶占總線，優(yōu)先級低的報文退出競爭。正因?yàn)镃AN有這樣的仲裁機(jī)制， 它難以抵抗高優(yōu)先級攻擊和重發(fā)報文攻擊。舉例:1

7、因?yàn)镃AN的模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，也同時會對總線進(jìn)行監(jiān)聽，假設(shè)兩個節(jié)點(diǎn)同時 發(fā)送數(shù)據(jù)，A節(jié)點(diǎn)發(fā)送的前3個位是100,B節(jié)點(diǎn)為101,在前2個位發(fā)送完畢的時候， 兩個節(jié) 點(diǎn)都會認(rèn)為自己發(fā)送成功，但是當(dāng)發(fā)送到第三個位的時候，B節(jié)點(diǎn)會失去仲裁，因?yàn)?的優(yōu)先 級高于1的優(yōu)先級，B節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到總線上不是1,因此失去仲裁，等待重新發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN節(jié)點(diǎn)在仲裁丟失后，根據(jù)CAN2.0B協(xié)議規(guī)范，會自動重發(fā)。如果高優(yōu)先級的報文一直占用著 總線，則其他低優(yōu)先級的報文將無法獲得仲裁，但是會嘗試重新發(fā)送。只有當(dāng)高優(yōu)先級報文不再占用總線時，低優(yōu)先級的報文才可能發(fā)送成功。否則低優(yōu)先級報文會出現(xiàn)“假餓死”狀態(tài)。（例如在CAN_NM的邏輯環(huán)網(wǎng)絡(luò)管理中，利用T_max，T_type等定時器來防止報文假餓死）2如果在某一時刻CAN總線上的多個單元同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級高的繼續(xù)發(fā) 送，那么怎樣保證優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)不丟失呢？如果整個can網(wǎng)絡(luò)都是自己管理的，那么可 以通過應(yīng)用層協(xié)議來調(diào)整每個節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時間，無論優(yōu)先級高低，如果發(fā)送時間過長（長短程度這個根據(jù)您的項(xiàng)目來把握）則暫