汽車電子技術(shù)與單片機

1、汽車電子技術(shù)與單片機第1頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的新的技術(shù)領(lǐng)域。若干計算機用通信信道連接在一起，相互之間可以交換信息共享資源，就形成了計算機網(wǎng)絡(luò)。在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出的“開放系統(tǒng)互聯(lián)”（OSI）的參考模式中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為7層。從上到下依次是應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，如圖5-1所示。下面簡要介紹網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各層的功能。下一頁返回第2頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)一、物理層物理層（Physical La

2、yer）的作用是在物理傳輸媒體上傳輸各種數(shù)據(jù)的比特流，而不管數(shù)據(jù)的類型和結(jié)構(gòu)如何。這一層除了規(guī)定機械、電氣、功能、規(guī)程等特征外，主要考慮的問題還有：1.傳輸速率這里由波特率（每秒傳輸?shù)拇a元數(shù)）和比特率（每秒傳輸?shù)亩M制位數(shù)）之分。2.信道容量信道容量即信道能支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，它由信道的帶寬和信噪比來決定。上一頁下一頁返回第3頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.傳輸媒體傳輸媒體也就是傳輸電信號的物理介質(zhì)。4.調(diào)制/解調(diào)調(diào)制/解調(diào)就是將一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合在信道上傳輸?shù)哪撤N電信號形式。5.交換技術(shù)交換技術(shù)有三種：電路交換、報文交換和分組交換。（

3、1）電路交換：要求在通信雙方之間建立起一條實際的物理通路，并在整個通信過程中，這條通路被獨占。上一頁下一頁返回第4頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（2）報文交換：就是一個報文（長度無限制的數(shù)據(jù)塊）在通過從源站到目的站之間的中間站時采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式（有緩沖區(qū)）。（3）分組交換：就是將一個大報文分割成一定長度的信息單元（分組），各單元依次編號，以分組為單位進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。6.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲妇W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的互聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，如圖5-2所示，主要有以下幾種：（1）星型拓?fù)洌涸谛切屯負(fù)渲校總€站點通過點點連接到中央節(jié)點，任何兩站之間的通信都通過中央節(jié)點進行。星

4、型拓?fù)洳捎秒娐方粨Q，一個站點的故障只會影響本站，而不會影響到全網(wǎng)。上一頁下一頁返回第5頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（2）總線型拓?fù)洌翰捎脝我恍诺雷鳛閭鬏斀橘|(zhì)，所有站點通過相應(yīng)硬件接口接至這個公共信道（總線）上，任何一個站點發(fā)送的信息，所有其他站都能接收。（3）網(wǎng)型拓?fù)洌好總€站點都有一條或幾條鏈路同其他站點相連。（4）樹型拓?fù)洌簶湫屯負(fù)涫菑目偩€型拓?fù)溲葑兌鴣淼?。從樹根開始，每一個節(jié)點下都可以有多個分支。（5）環(huán)型拓?fù)洌涸诃h(huán)型拓?fù)渲?，站點和連接站點的點點鏈路組成一個閉合環(huán)路，每個站點從一條鏈路上接收數(shù)據(jù)，然后以同樣的速率從另一條鏈路發(fā)送出去。上

5、一頁下一頁返回第6頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)7.多路復(fù)用技術(shù)采用多路復(fù)用技術(shù)，可以將多路信號組合在一條物理信道上進行傳輸，到接收端再將各路信號分離開來。多路復(fù)用技術(shù)有多種形式，如頻分多路復(fù)用（FDM）、時分多路復(fù)用（TDM）和碼分多路復(fù)用（CDMA）等。（1）頻分多路復(fù)用：就是將信道帶寬按頻率分割為若干個子信道，每個子信道用來傳輸一路信號。上一頁下一頁返回第7頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（2）時分多路復(fù)用：就是將使用信道的時間分成為一個個時間片，按一定規(guī)律將這些時間片分配給各路信號，每

6、路信號只能在自己的時間片內(nèi)獨占信道進行傳輸。（3）碼分多址（使用所謂擴頻技術(shù)）：它允許所有站點在同一時間使用整個信道進行數(shù)據(jù)傳輸。二、數(shù)據(jù)鏈路層在物理線路上，由于噪聲干擾、信號衰減畸變等原因，傳輸過程中常常出現(xiàn)差錯，而物理層只負(fù)責(zé)透明地傳輸無結(jié)果的原始比特流，不可能繼續(xù)任何差錯控制。因此，當(dāng)需要在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時，除了必須有一條物理線路外，還必須有一些必要的規(guī)程來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸，把實現(xiàn)這些規(guī)程的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路層（Data. Link Layer）。上一頁下一頁返回第8頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層最重

7、要的作用就是通過一系列數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在不可靠的物理鏈路上實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。為此，通常將原始數(shù)據(jù)分割成一定長度的數(shù)據(jù)單元（幀），一幀內(nèi)應(yīng)包含同步信號、差錯控制、流量控制、控制信息、數(shù)據(jù)信息、尋址等。這里主要介紹幀的結(jié)構(gòu)和差錯控制。1.組幀與幀同步在組幀方式中，關(guān)鍵問題是使接收方能夠準(zhǔn)確地從接收到的比特流中識別出幀的邊界，取出幀來，這就是所謂幀同步。上一頁下一頁返回第9頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)這種協(xié)議有兩大類：一是面向字符的，就是說，在鏈路上所傳送的數(shù)據(jù)都必須是由字符集中的字符所組成，而且在鏈路上傳送的控制信息也必須由同一字符集中的字符

8、組成。另一個是1974年出現(xiàn)的面向比特的規(guī)程，后來修改為高級數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）。下面簡單介紹HDLC的主要內(nèi)容。HDLC使用一個特殊的比特模式01111110作為幀的起始與結(jié)束標(biāo)志F。為了防止在傳輸過程中，幀中其他地方出現(xiàn)于幀標(biāo)志相同的比特模式，發(fā)送方邊發(fā)送邊檢查數(shù)據(jù)，每連續(xù)發(fā)送5個“1”后，在其后自動插入一個“0”。上一頁下一頁返回第10頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)這樣除了幀標(biāo)志之外，最多只會有5個“1”相連。接收方在收到5個連續(xù)的“1”后，將后面緊跟的一個“0”刪去，恢復(fù)原來的數(shù)據(jù)。這種方法稱為比特填充，很容易由硬件來實現(xiàn)。采用這

9、種方法組幀，數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇潜忍囟皇亲址?，因此可以用來傳輸任何長度的二進制比特串及任何編碼長度的字符，通用性很強，一個HDLC幀的結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。在起始和結(jié)束標(biāo)志F之間有：上一頁下一頁返回第11頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)地址字段A：在點多點線路中，它用于指明通信的地址。地址的種類有單地址、組地址、廣播地址和無站地址?？刂谱侄蜟：它用于構(gòu)成各種命令和響應(yīng)，以便對鏈路進行監(jiān)視和控制。信息字段I：它可以是任意的二進制比特串，其長度上限由外FCS字段或站點的緩沖區(qū)容量來決定。幀校驗序列字段FCS：使用16位的CRC對兩個標(biāo)志字段之間的內(nèi)

10、容進行校驗，F(xiàn)CS的生成多項式是CRC-CCITT:X16+X12+X5+1。上一頁下一頁返回第12頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2.差錯控制這里涉及兩個方面的問題：一是如何檢測出錯誤；二是發(fā)現(xiàn)錯誤后，如果糾正錯誤。要判斷一個數(shù)據(jù)塊是否存在錯誤，發(fā)送端必須在數(shù)據(jù)塊中加入一些冗余信息，是數(shù)據(jù)塊中的各比特建立起某種形式的關(guān)聯(lián)，接收端通過驗證這種關(guān)聯(lián)是否存在，來判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出錯。在數(shù)據(jù)塊中加入冗余信息的過程稱為差錯編碼。上一頁下一頁返回第13頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)有兩種基本的差

11、錯編碼策略：一種是使碼字只具有檢錯功能，即接收方只能判斷數(shù)據(jù)塊有錯，但不能確切地知道錯誤的位置，從而也不能糾錯，這種碼字稱為檢錯碼；另一種是使碼字具有一定的糾錯功能，即接收方不僅能知道數(shù)據(jù)塊有錯，還知道錯在什么地方，這時只需將錯誤位取反即可，這種碼字稱為糾錯碼。一般是檢錯或糾錯能力越強，所需冗余信息就越多，編碼效率就越低。在這里簡單介紹幾種常見的差錯編碼。上一頁下一頁返回第14頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（1）海明碼。海明碼是由R.Hamming在1950年提出的，是一種可以糾正一個比特錯誤的編碼。（2）循環(huán)冗余碼。在計算機和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中

12、使用最廣泛地檢錯碼是循環(huán)冗余碼CRC，又名多項式碼，其漏檢率很低，而且只要用一個簡單的電路就可以實現(xiàn)。（3）奇偶校驗碼。最常見的檢錯碼是最簡單的奇偶校驗碼，只要一個比特，但它只能檢出奇數(shù)個錯，漏檢率達50%。（4）“校驗和”碼。這也是常用的檢錯方式，它是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊中各字節(jié)累加后得到的一個字節(jié)或按字節(jié)異或的結(jié)果。上一頁下一頁返回第15頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)三、介質(zhì)訪問控制子層MAC和邏輯鏈路控制子層LLC通信信道又稱為介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)中采用的傳輸介質(zhì)不同或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，所使用的介質(zhì)訪問控制協(xié)議就不同。為了不使局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)鏈路層過于復(fù)雜

13、，將它劃分為兩個子層，其中一個為介質(zhì)訪問控制子層MAC，專門解決廣播網(wǎng)中信道分配的問題。MAC是數(shù)據(jù)鏈路的底層，在點點網(wǎng)中沒有這一子層。另一個是邏輯鏈路控制子層LLC，它完成通常意義下的數(shù)據(jù)鏈路層的功能。上一頁下一頁返回第16頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)信道分配策略可分為靜態(tài)分配和動態(tài)分配。在靜態(tài)分配中，由于各個站點有自己的專用頻帶或時間片，彼此之間不會產(chǎn)生干擾。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)站點數(shù)目少，且每個站點都有大量數(shù)據(jù)要發(fā)送時，采用靜態(tài)分配策略不僅控制協(xié)議簡單，而且傳輸效率高。動態(tài)分配又名多點接入或多點訪問技術(shù)，是指異步時分多路復(fù)用，即各站點僅當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送

14、時，才占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)。動態(tài)分配又有受控訪問和隨機訪問兩種。受控訪問一般有輪詢（輪轉(zhuǎn)）和預(yù)約兩種。上一頁下一頁返回第17頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)輪轉(zhuǎn)是使每個站輪流獲得發(fā)送的機會，沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送的站將發(fā)送權(quán)傳給下一站。預(yù)約是使各站首先聲明自己有數(shù)據(jù)要發(fā)送，然后根據(jù)預(yù)約的順序依次發(fā)送數(shù)據(jù)。隨機訪問又名爭用，意思就是所有的站點發(fā)送前不需要取得發(fā)送權(quán)，都可以隨時發(fā)送信息，發(fā)生沖突之后再采取措施解決沖突。隨機訪問適用于負(fù)載較輕的網(wǎng)絡(luò)，其信道利用率一般不高，但網(wǎng)絡(luò)延遲時間較短。上一頁下一頁返回第18頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，

15、星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)四、網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）向上面的傳輸層提供面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和無連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（即虛電路服務(wù)和數(shù)據(jù)報服務(wù)）。所謂“連接”，是指首先在通信雙方建立一條虛電路，以后的數(shù)據(jù)傳送都是沿著這條虛電路傳送的，在通信結(jié)束后，還要把這條“電路”釋放掉。這里的虛電路是指在通信雙方之間數(shù)據(jù)傳送的一個固定的路由（“路徑”）。無連接是指通信雙方的每一組數(shù)據(jù)都可獨立地選擇路由（走不同的路線），因此它不能保證每組數(shù)據(jù)按順序交付目的站。上一頁下一頁返回第19頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層除了負(fù)責(zé)路由選擇外，還要進

16、行流量控制。因為網(wǎng)絡(luò)的資源，如處理機的能力、節(jié)點的緩沖區(qū)的容量、線路的傳輸速率等總是有限的。當(dāng)需求超出資源的可用部分時，就會產(chǎn)生擁塞。為了提高資源的利用效率，應(yīng)當(dāng)采用流量控制，其總目標(biāo)是在網(wǎng)絡(luò)中有效動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源。它的主要功能是：防止網(wǎng)絡(luò)因過載而引起吞吐量下降和時延增加；避免死鎖；在互相競爭的各用戶之間公平地分配資源。網(wǎng)絡(luò)層的尋址，如公用電話網(wǎng)，一個全球網(wǎng)絡(luò)層尋址標(biāo)準(zhǔn)時互聯(lián)系統(tǒng)中大家都必須遵守的一個標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在的地址編碼方法有兩大類：一個是非等級地址，另一個是分級地址。上一頁下一頁返回第20頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)非等級地址編碼的特點是

17、每個地址的編號都是平等的且彼此無關(guān)，這在全球范圍內(nèi)實際是不可行的。分級地址編碼是將全球的地址劃分為若干子域，子域下又劃分更小的子域就像公用電話號碼的劃分。TCP/IP協(xié)議中IP地址得分配就是這個方式。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是將分組從源端機器經(jīng)選定的路由送到目的端機器。在大多數(shù)通信子網(wǎng)中，分組的整個旅途需經(jīng)過多次轉(zhuǎn)發(fā)。路由選擇算法和它們使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計的一個主要任務(wù)。上一頁下一頁返回第21頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)五、傳輸層傳輸層的任務(wù)是為高層從源端機到目的及提供可靠、經(jīng)濟的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)而與具體網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，傳輸?/p>

18、上必須實現(xiàn)差錯控制、流量控制等功能；為了向用于提供經(jīng)濟有效的服務(wù)，傳輸層還提供多路復(fù)用和分流的功能。上一頁下一頁返回第22頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.傳輸服務(wù)傳輸層的最終目標(biāo)是向其用戶提供有效、可靠且價格合理的服務(wù)。為了達到這一目標(biāo)，傳輸層李永樂網(wǎng)絡(luò)層所提供的服務(wù)。傳輸層中完成這一工作的硬件和軟件稱為傳輸實體。傳輸實體可能在操作系統(tǒng)內(nèi)核中，或在一個單獨的用戶進程內(nèi)，也可能是包含在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的程序庫中，或是位于網(wǎng)絡(luò)接口卡上。正如存在兩種類型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（面向連接的和無連接的）一樣，傳輸服務(wù)也有兩種類型。面向連接的服務(wù)在很多方面類似于面向連接的

19、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，二者的連接都包括三個階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和釋放連接，兩者的尋址和流量控制方式也類似。無連接的傳輸服務(wù)與無連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)也很類似。上一頁下一頁返回第23頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2.傳輸協(xié)議的要素傳輸服務(wù)是通過建立連接的兩個傳輸實體之間所用的傳輸協(xié)議來實現(xiàn)的。在某些方面，傳輸協(xié)議類似在前面討論過的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。二者都必須解決差錯控制、分組順序、流量控制及其他問題。但二者之間也存在著顯著地差異。這些差異主要是因為兩個協(xié)議所運行的環(huán)境不同所造成的。在數(shù)據(jù)鏈路層，兩個節(jié)點通過武力通道直接通信；而在傳輸層，兩個物理通道由整個子網(wǎng)所取

20、代。上一頁下一頁返回第24頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)這一差異對協(xié)議產(chǎn)生了很多重要的影響。首先，在數(shù)據(jù)鏈路層，不必為一個節(jié)點指明它要與哪個節(jié)點通話每條輸出線對應(yīng)唯一的一個節(jié)點。在傳輸層里，需要顯式地給出目的端地址。其次，在數(shù)據(jù)鏈路層，建立連接的過程很簡單，其另一端總是存在的，每一方都沒有太多的事情要做。對傳輸層而言，初始連接的建立要復(fù)雜的多。第三，數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層之間的另一個區(qū)別是子網(wǎng)的存儲能力。第四，數(shù)據(jù)鏈路層與傳輸層之間的最后一個區(qū)別是，在兩次中都需要有數(shù)據(jù)緩沖和流量控制，但在傳輸層中可能需要使用與在數(shù)據(jù)鏈路層中不同的處理方法。上一頁

21、下一頁返回第25頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)六、會話層會話層（Session Layer）最主要的目的是在傳輸層的基礎(chǔ)上增加一些協(xié)調(diào)對話的功能。它管理不同主機上各進程間的對話。例如，兩個會話層用戶之間對話連接的建立和清除，在半雙工對話時授權(quán)哪一方發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)進程間要進行長時間數(shù)據(jù)傳輸時，而通信子網(wǎng)故障率又比較高，會話層可以在數(shù)據(jù)流中插入若干同步點；在每次網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，僅需從最近的一個同步點開始重傳，不必每次都從頭開始。上一頁下一頁返回第26頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)七、表示層表示層（

22、Presentation Layer）下面的5層是用于將數(shù)據(jù)比特從源站按順序傳送到目的站，而表示層則要保證經(jīng)傳送后的數(shù)據(jù)其意義不變。由于各種計算機都可能有自己描述數(shù)據(jù)的方法，因此不同類計算機之間交換的數(shù)據(jù)一般要經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換才能保證數(shù)據(jù)的意義不變?？梢姳硎緦拥墓δ苁菍υ凑镜臄?shù)據(jù)進行編碼，形成適合于傳輸?shù)谋忍亓鳎坏搅四康恼驹龠M行解碼，轉(zhuǎn)化成用戶所要求的格式。所以表示層為上層用戶提供數(shù)據(jù)或信息語法的表示變換，即負(fù)責(zé)某及其內(nèi)部的數(shù)據(jù)表示與抽象數(shù)據(jù)表示之間的變換，以便信息的相互理解。上一頁下一頁返回第27頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第一節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)八、應(yīng)用層前

23、面介紹的各個層次，其功能都是為應(yīng)用層（Application Layer）提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，但和用戶的實際應(yīng)用沒有什么直接的聯(lián)系。直接為用戶提供各種應(yīng)用程序的是應(yīng)用層。應(yīng)用層可以包含各種應(yīng)用程序，有些由于使用非常普通而實行了標(biāo)準(zhǔn)化。這些標(biāo)準(zhǔn)就形成了應(yīng)用層上的各種應(yīng)用協(xié)議，如電子郵件（E-mail）、萬維網(wǎng)（WWW）、遠(yuǎn)程登錄（TELNET）、文件傳輸（FTP）等。除此之外，應(yīng)用層上還有一些協(xié)議支持應(yīng)用程序的工作，比如各種網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議、域名服務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等。上一頁返回第28頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第二節(jié) 車用總線技術(shù)的產(chǎn)生及應(yīng)用現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)的迅速

24、發(fā)展和在汽車上的廣泛應(yīng)用，汽車電子化程度越來越高。從發(fā)動機控制到傳動系控制，從行駛、制動、轉(zhuǎn)向系控制到安全保證系統(tǒng)及儀表報警系統(tǒng)，從電源管理到為提高舒適性而做的各種努力，使汽車電子系統(tǒng)形成了一個復(fù)雜的大系統(tǒng)。這些系統(tǒng)除了各自的電源線外，還需要互相通信，不難想象，若仍沿用常規(guī)的點點間的布線法進行布線，那么整個汽車的布線將會如一團亂麻，其布線網(wǎng)絡(luò)如圖5-4（a）所示。若采用總線方式布線（如CAN總線）其布線如圖5-4（b）所示。下一頁返回第29頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第二節(jié) 車用總線技術(shù)的產(chǎn)生及應(yīng)用現(xiàn)狀目前總線的種類有很多，如CAN總線、LIN總線、IDB-M、MO

25、ST、USB和IEEE1394等。現(xiàn)階段的車載網(wǎng)絡(luò)業(yè)必須用到多種總線。這些車用總線由于在應(yīng)用對象和網(wǎng)絡(luò)性能上各有特色，將會在競爭中共存相當(dāng)長一段時間。另外，隨著車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展進步，一些特定用途的新型總線還會被陸續(xù)研發(fā)出來。一、SAE分類總線目前，絕大多數(shù)車用總線都被SAE（Society of Automotive Engineers:美國汽車工程師協(xié)會）下屬的汽車網(wǎng)絡(luò)委員會按照協(xié)議特性劃分為A、B、C、D四類。上一頁下一頁返回第30頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第二節(jié) 車用總線技術(shù)的產(chǎn)生及應(yīng)用現(xiàn)狀A(yù)類是面向傳感器或執(zhí)行器管理的低速網(wǎng)絡(luò)，它傳輸數(shù)據(jù)的位速率通常小于

26、10Kb/s，主要用于調(diào)整后視鏡、電動窗和燈光照明燈設(shè)備；B類是面向獨立控制模塊間的信息共享的中速網(wǎng)絡(luò)，位速率一般在10125Kb/s之間，主要用在車身電子的舒適性模塊和顯示儀表等設(shè)備中；C類是面向閉環(huán)實時控制的多路傳輸高速網(wǎng)絡(luò)，位速率多在125Kb/s1Mb/s之間，主要服務(wù)于動力傳動系統(tǒng)；D類則是面向多媒體設(shè)備、高速數(shù)據(jù)流傳輸?shù)母咝阅芫W(wǎng)絡(luò)，位速率一般在2KMb/s以上，主要用于CD播放機、VCD/DVD播放機和液晶顯示等設(shè)備。上一頁下一頁返回第31頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第二節(jié) 車用總線技術(shù)的產(chǎn)生及應(yīng)用現(xiàn)狀1.A類總線大多數(shù)A類總線都遵循UART（Unive

27、rsal Asynchronous Receiver/Transmitter:通用異步接收/發(fā)送器）標(biāo)準(zhǔn)，它們用起來簡單經(jīng)濟，但估計在2005年以后將隨UART的過時而退出車用領(lǐng)域。A類總線以LIN（Local Interconnect Network:本地互聯(lián)網(wǎng)）規(guī)范最有前途。它是由摩托羅拉與奧迪等知名企業(yè)聯(lián)手推出的一種新型低成本的開放式串行通訊協(xié)議，主要用于車內(nèi)分布式電控系統(tǒng)，尤其是面向智能傳感器或執(zhí)行器的數(shù)字化通訊場合。表5-1為對現(xiàn)有A類總線的調(diào)查結(jié)果。上一頁下一頁返回第32頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第二節(jié) 車用總線技術(shù)的產(chǎn)生及應(yīng)用現(xiàn)狀2.B類總線B類總線

28、以CAN最為著名。CAN是20世紀(jì)80年代中期由德國博世公司開發(fā)出來的一種車用現(xiàn)場總線，不久便在業(yè)界得到了推廣普及。表5-2是對B類總線的調(diào)查結(jié)果。3.C類總線C類總線主要用于車上動力傳動系統(tǒng)中對通訊的實時性要求比較高的場合。表5-3是對C類總線的調(diào)查結(jié)果。上一頁下一頁返回第33頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第二節(jié) 車用總線技術(shù)的產(chǎn)生及應(yīng)用現(xiàn)狀4.D類總線D類總線一度被稱為多媒體總線，隨著汽車信息娛樂系統(tǒng)的興起，它近期才被采納入SAE對總線的分類范疇之中。D類總線的帶寬范圍相當(dāng)大，用到的傳輸介質(zhì)也有好幾種。針對這種情況，D類總線又被劃出低速、高速和無線三大范疇，分別對

29、應(yīng)于SAE中的IDB-C（Intelligent Transportation System Data Bus-CAN:基于CAN的智能交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線）、IDB-M（IDB-Multimedia:智能交通系統(tǒng)多媒體數(shù)據(jù)總線）和IDB-Wireless（基于無線通訊方式的智能交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線）。多媒體總線所涉及的車用區(qū)域相當(dāng)廣，所服務(wù)的對象在汽車電子系統(tǒng)中也占有相當(dāng)重的份量，表5-4就是對D類總線的調(diào)查結(jié)果。上一頁下一頁返回第34頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第二節(jié) 車用總線技術(shù)的產(chǎn)生及應(yīng)用現(xiàn)狀二、新型專用總線1.故障診斷總線表5-5是對汽車故障診斷系統(tǒng)現(xiàn)有總線標(biāo)準(zhǔn)的

30、情況。2.安全總線安全總線是為了增進汽車的被動安全性而被單獨開發(fā)出來的，它專用于實現(xiàn)對安全氣囊的管理。表5-6是對目前比較有名的幾種安全系統(tǒng)總線的調(diào)查結(jié)果，它們大多還處在研發(fā)階段，尚未形成正式標(biāo)準(zhǔn)。上一頁下一頁返回第35頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第二節(jié) 車用總線技術(shù)的產(chǎn)生及應(yīng)用現(xiàn)狀3.X-by-wire總線X-by-wire誕生于航空業(yè)，最初被稱為“電氣控制”，已在飛機的電控系統(tǒng)中用的非常成熟。近年來隨著車載網(wǎng)絡(luò)對可靠性的要求日益增加，汽車電子系統(tǒng)業(yè)開始嘗試引進X-by-wire技術(shù)。該技術(shù)有望在未來510年內(nèi)，把轉(zhuǎn)向和剎車這類傳統(tǒng)機械系統(tǒng)改造成經(jīng)由高速容錯總線連

31、接、高性能CPU管理下的電控系統(tǒng)。目前，這類總線標(biāo)準(zhǔn)尚在研發(fā)之中，被普遍看好的主要有TTP（Time-Triggered Protocol:時間觸發(fā)協(xié)議）、TTCAN（Time-Triggered CAN:時間觸發(fā)CAN）、Byteflight和FlexRay幾種。表5-7是當(dāng)前比較有知名度的幾種X-by-wire總線的調(diào)查結(jié)果，它們均為成為正式標(biāo)準(zhǔn)。上一頁返回第36頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第三節(jié) 車用總線的市場前景多種多樣的車用總線使汽車的動力經(jīng)濟性、安全性和舒適性都有了很大的提高，車載網(wǎng)絡(luò)的市場規(guī)模必將不斷發(fā)展壯大。然而在近期，不可能出現(xiàn)一套統(tǒng)一的解決方案，

32、能夠完全滿足人們針對車載網(wǎng)絡(luò)在性能及成本上所提出的一切要求。車用總線領(lǐng)域還將長期維持目前這種多套協(xié)議規(guī)范互相競爭的態(tài)勢，甚至?xí)霈F(xiàn)在同一國際標(biāo)準(zhǔn)下并存有多種兼容總線的格局。基于前面對車用總線應(yīng)用現(xiàn)狀的敘述，圖5-5對各類典型總線在應(yīng)用領(lǐng)域上所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)特性與節(jié)點成本進行了統(tǒng)計。下一頁返回第37頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第三節(jié) 車用總線的市場前景在圖5-5中，J1850即將被淘汰，Byteflight也未得到廣泛認(rèn)同，所以它們均被放在了圖形的底層位置。只有頂層中的各類車用總線，才代表著不同應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的市場主流。針對各類主流總線，圖5-5的統(tǒng)計結(jié)果呈現(xiàn)一個顯著地特點，

33、就是除藍牙技術(shù)外，它們在位速率和成本上所占據(jù)的范圍幾乎不存在重疊區(qū)域。這反映出網(wǎng)絡(luò)在汽車領(lǐng)域已被不同的車用總線“瓜分殆盡”，而且這些車用總線在各自領(lǐng)域中呈現(xiàn)出“獨霸一方”的情形。上一頁下一頁返回第38頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第三節(jié) 車用總線的市場前景圖5-5還有一個特別引入注目之處，就是CAN-8、CAN-C和TTCAN這三類同是由CAN規(guī)范所衍生出來的總線標(biāo)準(zhǔn)。其中，CAN-8指的是用于SAE中B類場合下的CAN，也就是低速容錯CAN；同理，CAN-C指的是高速CAN。它們連同TTCAN一起，覆蓋了汽車中絕大部分可以用到網(wǎng)絡(luò)的范圍。另外，從節(jié)點成本上看，這三類

34、基于CAN規(guī)范的車用總線也比較有市場競爭力。因此，如今在汽車行業(yè)中，CAN受到人們的格外青睞，它被普通認(rèn)為是車載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有發(fā)展前途的總線規(guī)范之一，有關(guān)這方面的內(nèi)容在下一節(jié)中會進行詳細(xì)的介紹。上一頁返回第39頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第四節(jié) CAN總線介紹一、CAN的發(fā)展歷程CAN總線方案最初出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代末的汽車工業(yè)中，由德國Bosch公司最先提出。當(dāng)關(guān)于這種革新的通訊方案的大部分文字內(nèi)容制定之后，與1987年中期，Intel提前計劃2個月交付了首枚CAN控制器：82526，這是CAN方案首次通過硬件實現(xiàn)。不久之后，Philips半導(dǎo)體推出了82C200

35、。90年代初，Philips公司生產(chǎn)了帶有CAN總線控制器的單片機，之后又推出了帶數(shù)字/模擬輸入輸出功能的CAN總線控制器，可用于傳感器等非開關(guān)量的傳輸，使CAN總線應(yīng)用技術(shù)向成熟發(fā)展。下一頁返回第40頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第四節(jié) CAN總線介紹從90年代中期起，Infineon公司和Motorola公司已向歐洲的客車廠商提供了大量的CAN控制器，從1990年后期起，遠(yuǎn)東的半導(dǎo)體廠商也開始提供CAN控制器。表5-8是目前philips公司提供的CAN芯片。二、CAN的高層協(xié)議CAN高層協(xié)議即應(yīng)用層協(xié)議，是一種在現(xiàn)有的CAN底層協(xié)議之上實現(xiàn)的協(xié)議。高層協(xié)議是在C

36、AN規(guī)范的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的應(yīng)用層。上一頁下一頁返回第41頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第四節(jié) CAN總線介紹目前已經(jīng)有很多標(biāo)準(zhǔn)得到了廣泛地接受，如CAL和OSEK。CAL可以被認(rèn)為是不依賴應(yīng)用的應(yīng)用層，它適用于各種基于CAN且直接使用應(yīng)用層服務(wù)的應(yīng)用里，而OSEK-Com/Net標(biāo)準(zhǔn)則具有應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層管理的功能，主要用于汽車網(wǎng)絡(luò)中。CAL（CAN Application Layer）發(fā)布于1993年，是CiA的首批的發(fā)布條款之一。CAL為基于CAN的分布式系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一個不依賴于應(yīng)用、面向?qū)ο蟮沫h(huán)境。它為通訊、標(biāo)識符分布、網(wǎng)絡(luò)和層管理提供了對象和服務(wù)。CAL的主

37、要應(yīng)用在基于CAN的分布式系統(tǒng)，這個系統(tǒng)不要求可配置性以及標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備建模。CAL的其中一個子集是作為CANopen的應(yīng)用層。因此，CANopen的設(shè)備可以用在指定應(yīng)用的CAL系統(tǒng)。上一頁下一頁返回第42頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第四節(jié) CAN總線介紹OSEK/VDX是汽車行業(yè)里的一個聯(lián)合項目，其目的是為汽車的分布式系統(tǒng)提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以便具有開放式的結(jié)構(gòu)。這個標(biāo)準(zhǔn)包括一個實時操作系統(tǒng)的定義和軟件接口的定義，以及一個通訊和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的定義。OSEK操作系統(tǒng)提供有服務(wù)以便于任務(wù)管理和同步、終端管理、警告和錯誤處理。這個操作系統(tǒng)的主要目的是規(guī)定一個通用平臺以集成不同廠家

38、的軟件模塊。由于想把操作系統(tǒng)使用在任何類型的控制單元中，因此它必須支持大多數(shù)硬件的實時應(yīng)用。OSEK通訊規(guī)定定義了一個硬件以及總線系統(tǒng)獨立地應(yīng)用接口。本地和遠(yuǎn)程任務(wù)的通訊是由操作系統(tǒng)通過“信息對象”執(zhí)行的。這里要區(qū)分兩種信息：“狀態(tài)信息”和“事件信息”。狀態(tài)信息通常表示大多數(shù)系統(tǒng)變量的實際狀態(tài)，并通過事件信息報告事件。上一頁下一頁返回第43頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第四節(jié) CAN總線介紹由于汽車內(nèi)系統(tǒng)的通訊要求非常高，為了確保通訊網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性提出了一個完善的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)使用“節(jié)點監(jiān)控”，即每個節(jié)點都被網(wǎng)絡(luò)中的所有其他節(jié)點監(jiān)控。被監(jiān)控的節(jié)點根據(jù)一個專門

39、和統(tǒng)一的算法發(fā)送一個NM信息。直接節(jié)點監(jiān)控要求網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的NM信息要同步。因此，這里使用了一個邏輯環(huán)。任何節(jié)點都必須能夠?qū)M信息發(fā)送到所有其他節(jié)點并從其他節(jié)點接收信息。如果覺得直接監(jiān)控對于一個設(shè)備來說太復(fù)雜，可以使用“間接監(jiān)控”原則。這個原則基于應(yīng)用信息的觀察，并受限于定期發(fā)送信息的節(jié)點。這種類型的節(jié)點可能被一個或更多的其他節(jié)點監(jiān)控。上一頁下一頁返回第44頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第四節(jié) CAN總線介紹還有一個十分不同的開放式系統(tǒng)，其解決方案由SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)提供。這個標(biāo)準(zhǔn)是由汽車工程師重型汽車社團和總線部門為了向電子系統(tǒng)提供一個開放的互聯(lián)系統(tǒng)而定義的。這

40、個系統(tǒng)主要的應(yīng)用范圍是面向路面或非路面設(shè)計的輕、中、重型機車，以及為 獲得部件而專有的靜止應(yīng)用場合。工業(yè)應(yīng)用中主要代表開放式分布系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)是CANopen、DeviceNet和SDS。開放式分布系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)應(yīng)用包括工業(yè)自動化中由工業(yè)器件組成的低層網(wǎng)絡(luò)。這種應(yīng)用主要要求有：可配置性、靈活性和可擴展性。為了保持生產(chǎn)廠商的獨立性，必須以“設(shè)備子協(xié)議”的形式定義器件的功能性。上一頁下一頁返回第45頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第四節(jié) CAN總線介紹CANopen標(biāo)準(zhǔn)是由CiA旨在解答EU-研究程序結(jié)果的一組成員編制的。CANopen在通訊和系統(tǒng)服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)管理的方面使用了C

41、AL子集。DeviceNetTM是由Allen-Bradley開發(fā)的非常成熟的開放式網(wǎng)絡(luò)。它根據(jù)抽象對象模型來定義。DeviceNet標(biāo)準(zhǔn)由一個獨立的供應(yīng)者組織管理，這個組織也同時廣泛地支持DeviceNet的市場。SDSTM是由Honeywell Micro Switch開發(fā)的一個開放式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。由于它基于特定的應(yīng)用層協(xié)議，因此定義了一個面向?qū)ο蟮牡燃壴O(shè)備模型以便在SDS設(shè)備之間建立互用性。SDS是特別為分布式二進制傳感器和執(zhí)行器設(shè)計的。上一頁下一頁返回第46頁，共65頁，2022年，5月20日，9點26分，星期四第四節(jié) CAN總線介紹三、CAN總線的特點CAN總線由于采用了許多獨特的設(shè)計，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，其特點可以概括如下：（1）低成本；（2）極高的總線利用率；（3）很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離（長達10km）；（4）高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1Mb/s）；（5）可根據(jù)報文的ID決定接收和屏蔽該報文；（6）可靠的錯誤處理和檢錯機制；（7）發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；（8）節(jié)點在