can總線仲裁機制詳解

CAN總線是一種基于優(yōu)先級的串行通信網(wǎng)絡，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)的標識符，標識符可以區(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)絡上任意一節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上的其它節(jié)點同時發(fā)送消息。若兩個或兩個以上的節(jié)點同時開始傳送報文，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識符，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點繼續(xù)發(fā)送信息。在仲裁期間，CAN總線作“與”運算，每一個節(jié)點都對節(jié)點發(fā)送的電平與總線電平進行比較，如果電平相同，則節(jié)點可以繼續(xù)發(fā)送。如規(guī)定0 的優(yōu)先級高，當某一個節(jié)點發(fā)送1而檢測到0 時，此節(jié)點知道有更高優(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”(CSMA/CA) 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。

當總線處于空閑狀態(tài)時呈隱性電平，此時任何節(jié)點都可以向總線發(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總線解訣競爭的方法同以太網(wǎng)的CSMA/CD (Carrier Sense MulTIple Access with Collislon DetecTIon) 方法基本相似，如圖1所示。此外，CAN，總線做了改進并采用CSMA/CA (Carrier Sense MulTIple Access withCollision Avoidance) 訪問總線，按位對標識符進行仲裁。各節(jié)點在向總線發(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)點繼續(xù)上述過程，直到總線上只剩下1個節(jié)點發(fā)送的電平， 總線競爭結(jié)束，優(yōu)先級高的節(jié)點獲得總線的控制權(quán)。

CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳輸，報文的優(yōu)先級結(jié)合在44 位標識符中(擴展幀 的標識符29 位)，具有最小二進制數(shù)的標識符的節(jié)點具有最高的優(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訣。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)點能夠完整地實時傳輸，而且CSMA/CA 可以有效地避免沖突。

如圖2所示，節(jié)點A和節(jié)點B的標識符的第10、9、8位電平相同，因此兩個節(jié)點偵聽到的信息和它們發(fā)出的信息相同。第7 位節(jié)點B 發(fā)出一個“1”，但從節(jié)點上接收到的消息卻是“O“，說明有更高優(yōu)先級的節(jié)點占用總線發(fā)送消息。節(jié)點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A 的報文將被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于，在網(wǎng)絡最終確定哪個節(jié)點被傳送前，報文的起始部分 已經(jīng)在網(wǎng)絡中傳輸了，因此具有高優(yōu)先級的節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸沒有任何延時。在獲得總線控制 權(quán)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，其他節(jié)點成為報文的接收節(jié)點，并且不會在總線再次空閑之前發(fā)送報文。

CAN非破壞性逐位仲裁示意圖

圖3 為CAN總線上節(jié)點的電平邏輯，總線上的節(jié)點電平對于總線電平而言是相與的關(guān)系，只有當3 個節(jié)點的電壓都等于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)點切換到0狀態(tài)(顯性電平)，總線就會被強制在顯性狀態(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。

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 制搶占總線，優(yōu)先級低的報文退出競爭。正因為CAN 有這樣的仲裁機制，它難以抵抗高優(yōu) 先級攻擊和重發(fā)報文攻擊。

舉例：

1〉因為CAN 的模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，也同時會對總線進行監(jiān)聽，假設(shè)兩個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，A節(jié)點發(fā)送的前3 個位是100，B節(jié)點為101，在前2 個位發(fā)送完畢的時候，兩個節(jié)點都會認為自己發(fā)送成功，但是當發(fā)送到第三個位的時候，B 節(jié)點會失去仲裁，因為0 的優(yōu)先級高于1的優(yōu)先級，B 節(jié)點監(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)絡都是自己管理的，那么可以通過應用層協(xié)議來調(diào)整每個節(jié)點的發(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)您的項目來把握) 則暫停發(fā)送，讓其他節(jié)點發(fā)送?；蛘呙總€節(jié)點都在某個特定時間觸發(fā)發(fā)送，以便每個節(jié)點都有機會。總的意思就是一定要做時間管理。如果項目不是像你說的優(yōu)先級高占用帶寬那么嚴重，就采用(非實時信息空閑時候) 輪詢+ (實時信息) 主動發(fā)送的方式管理網(wǎng)絡。