CAN總線仲裁機(jī)制

1、CAN總線是一種基于優(yōu)先級(jí)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(shí)符，標(biāo)識(shí)符可以區(qū)分消息又可以表示消息的優(yōu)先級(jí)(0的優(yōu)先級(jí)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(shí)刻主 動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送消息。若兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始傳送報(bào)文，就會(huì)產(chǎn)生總線訪問(wèn)沖突，根據(jù)逐位仲裁原則，借助幀開始部分的標(biāo)識(shí)符，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止 發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)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(gè)節(jié)點(diǎn)都對(duì)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(jí)高，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)

2、送1而檢測(cè)到0時(shí)，此節(jié)點(diǎn)知道有更高優(yōu)先級(jí)的信息在發(fā) 送，它就停止發(fā)送消息，直到再一次檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑。CAN總線采用的是一種叫做“載波監(jiān)測(cè)，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(gè)設(shè)各都有機(jī)會(huì)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(shí)刻有2個(gè)或2個(gè)以上的設(shè)各要求發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)產(chǎn)生總線沖突，CAN總線能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)這些沖突并對(duì)其進(jìn)行仲裁，從而使具有高優(yōu)先級(jí)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(shí)呈隱性電平，此時(shí)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(gè)或2個(gè)以上同時(shí)發(fā)送就會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。CAN總線解決競(jìng)爭(zhēng)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(wèn)總線，按位對(duì)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行仲裁。各節(jié)點(diǎn)在向總線發(fā)送電平的同 時(shí)，也對(duì)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(jìng)爭(zhēng)。剩余的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)上述過(guò)程，直到總線上只剩下1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的電平，總線競(jìng)爭(zhēng)結(jié)束，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)獲得總線的控制權(quán)。圖1 CSMA /

4、 CD總線訪問(wèn)過(guò)程送報(bào)文?？偩€2 CAN總線節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)總線過(guò)程CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在44位標(biāo)識(shí)符中（擴(kuò)展幀的標(biāo)識(shí)符29位），具有最小二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符的節(jié)點(diǎn)具有最高的優(yōu)先級(jí)。這種優(yōu)先級(jí)一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)避免沖突，主要是為了保證具有更高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)能夠完整地實(shí)時(shí)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(shí)符的第10、9、8位電平相同，因此兩個(gè)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(gè)1；但從節(jié)點(diǎn)上接收到的消息卻是“0；說(shuō)

5、明有更高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)占用總線發(fā)送消息。節(jié)點(diǎn)B會(huì)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(hào)持續(xù)跟蹤最后獲得總線控制權(quán)發(fā)出的報(bào)文，本例中節(jié)點(diǎn)A的報(bào)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(gè)節(jié)點(diǎn)被傳送前，報(bào)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(jí)的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸沒有任何延時(shí)。在秋得總線控制權(quán)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中,其他節(jié)點(diǎn)成為報(bào)文的接收節(jié)點(diǎn),并且不會(huì)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(duì)于總線電平而

6、言是相與的關(guān) 系，只有當(dāng)3個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓都等于1（隱性電平），總線才會(huì)保持在vcc（隱性電平）狀態(tài)。 只要有1個(gè)節(jié)點(diǎn)切換到0狀態(tài)（顯性電平），總線就會(huì)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(jí)的消息沒有延時(shí)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(jí)高的報(bào)文根據(jù)此機(jī)制搶占總線，優(yōu)先級(jí)低的報(bào)文退出競(jìng)爭(zhēng)。正因?yàn)镃AN有這樣的仲裁機(jī)制， 它難以抵抗高優(yōu)先級(jí)攻擊和重發(fā)報(bào)文攻擊。舉例:1

7、因?yàn)镃AN的模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，也同時(shí)會(huì)對(duì)總線進(jìn)行監(jiān)聽，假設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí) 發(fā)送數(shù)據(jù)，A節(jié)點(diǎn)發(fā)送的前3個(gè)位是100,B節(jié)點(diǎn)為101,在前2個(gè)位發(fā)送完畢的時(shí)候， 兩個(gè)節(jié) 點(diǎn)都會(huì)認(rèn)為自己發(fā)送成功，但是當(dāng)發(fā)送到第三個(gè)位的時(shí)候，B節(jié)點(diǎn)會(huì)失去仲裁，因?yàn)?的優(yōu)先 級(jí)高于1的優(yōu)先級(jí)，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(huì)自動(dòng)重發(fā)。如果高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文一直占用著 總線，則其他低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文將無(wú)法獲得仲裁，但是會(huì)嘗試重新發(fā)送。只有當(dāng)高優(yōu)先級(jí)報(bào)文不再占用總線時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文才可能發(fā)送成功。否則低優(yōu)先級(jí)報(bào)文會(huì)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(shí)器來(lái)防止報(bào)文假餓死）2如果在某一時(shí)刻CAN總線上的多個(gè)單元同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)高的繼續(xù)發(fā) 送，那么怎樣保證優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)不丟失呢？如果整個(gè)can網(wǎng)絡(luò)都是自己管理的，那么可 以通過(guò)應(yīng)用層協(xié)議來(lái)調(diào)整每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間，無(wú)論優(yōu)先級(jí)高低，如果發(fā)送時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（長(zhǎng)短程度這個(gè)根據(jù)您的項(xiàng)目來(lái)把握）則暫