Socket CAN理解

小咪咪 2023-08-17 17:04 129阅读 0赞

# [对Socket CAN的理解（1）——【CAN总线原理】][Socket CAN_1_CAN] #

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由于Socket CAN涉及到CAN总线协议、套接字、[Linux][]网络设备驱动等。因此，为了能够全面地了解Socket CAN的原理。我们需要了解以下几个方面的知识点：

（1）CAN总线协议；

（2）Socket原理；

（3）Linux网络设备驱动；

当熟悉以下三个方面的知识点后，我们再去分析基于Linux的Socket CAN的驱动。这样的话理解起来更加容易、易懂。

（4）Socket CAN的驱动；

**一、CAN总线协议**

由于CAN总线协议的内容太多，作为博文来说，不适宜很详细的讲解。需要深入了解的朋友们可以Google一下。以下只是作些简要的说明。

CAN是ControllerArea Network（控制器局域网）的缩写。CAN通信协议在1986年由德国电气商博世公司所开发，主要面向汽车的通信系统。现已是ISO国际标准化的串行通信协议。根据不同的距离、不同的网络，可配置不同的速度，最高速度为1MBit/s。

CAN被细分为三个层次：

（1）CAN对象层（the object layer）；

（2）CAN传输层（the transfer layer）；

（3）CAN物理层（the phyical layer）；

对象层和传输层包括所有由ISO/OSI模型定义的数据链路层的服务和功能。

对象层的作用范围包括：

（1）查找被发送的报文。

（2）确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文。（即选择报文对象）

（3）为应用层相关硬件提供接口。

传输层的作用主要：

（1）传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。

（2）总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接收报文，均在传输层里确定。

（3）位定时的一些普通功能也可以看作是传输层的一部分。

（4）传输层的修改是受到限制的。

物理层的作用：

在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。当然，同一网络内，物理层对于所有的节点必须是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还是很自由的。

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图1  CAN协议所对应的ISO模型

CAN具有以下的属性：

（1）报文（Messages）：简单来说就是具有固定格式的数据包。

（2）信息路由（Information Routing）：即，报文寻找结点的方式。

（3）位速率（Bit rate）：数据位的传输速度。

（4）优先权（Priorities）：即报文发送的优先权。

（5）远程数据请求（Remote Data Request）：通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。

（6）多主机（Multimaster）：总线空闲时，任何结点都可以开始传送报文。

（7）仲裁（Arbitration）：当2个及以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。仲裁是确定哪个单元的具有发送优先权。

（8）安全性（Safety）：CAN的每一个节点均采取了强有力的措施以进行错误检测、错误标定及错误自检。

（9）错误检测（Error Detection）：包括监视、循环冗余检查、位填充、报文格式检查。

（10）错误检测的执行（Performance of Error Detection）

（11）错误标定和恢复时间（Error Sinalling and Recovery Time）：任何检测到错误的结点会标志出已损坏的报文。此报文会失效并将自动地开始重新传送。如果不再出现新的错误，从检测到错误到下一报文的传送开始为止，恢复时间最多为29个位的时间。

（12）故障界定（Fault Confinement）：CAN结点能够把永久故障和短暂扰动区分开来。永久故障的结点会被关闭。

（13）连接（Connections）：CAN串行通讯链路是可以连接许多结点的总线。理论上，可连接无数多的结点。但由于实际上受延迟时间或者总线线路上电气负载的影响，连接结点的数量是有限的。

（14）单通道（Single Channel）：总线是由单一进行双向位信号传送的通道组成。

（15）总线值（Bus value）：总线可以具有两种互补的逻辑值之一：**“显性”（可表示为逻辑0）或“隐性”（可表示为逻辑1）**。

（16）应答（Acknowledgment）：所有的接收器检查报文的连贯性。对于连贯的报文，接收器应答；对于不连贯的报文，接收器作出标志。

（17） 睡眠模式／唤醒（Sleep Mode / Wake-up）：为了减少系统电源的功率消耗，可以将CAN器件设为睡眠模式以便停止内部活动及断开与总线驱动器的连接。CAN器件可由总线激活，或系统内部状态而被唤醒。

**1、CAN总线的报文格式**

CAN传输的报文，可分为五种类型：

（1）数据帧：用于发送结点向接收结点传送数据的帧。

（2）远程帧：总线结点发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。

（3）错误帧：任何结点检测到一总线错误就发出错误帧。

（4）过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。

（5）帧间隔：用于将数据帧及远程帧与前面的帧分离开来的帧。

数据帧由7个不同的位场组成：

数据帧有标准格式和和远程格式，以下是其格式表示：

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图2    数据帧格式

远程帧由6个不同的位场组成：

远程帧没有数据帧的数据场，以下是其格式表示：

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图3    远程帧格式

错误帧用于在接收和发送消息时检测出错误，通知错误的帧。错误帧由错误标志和错误界定符构成。

错误标志包括主动错误标志和被动错误标志两种。

主动错误标志：6个位的显性位，处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志。

被动错误标志：6个位的隐性位，处于被动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志。

错误界定符由8个位的隐性位构成。

错误帧格式如下表示：

![format_png 3][]

图4    错误帧格式

过载帧是用于接收单元通知其尚未完成接收准备的帧。过载帧由过载标志和过载界定符构成。过载帧格式如下表示：

![format_png 4][]

图5    过载帧格式

帧间隔是用于分隔数据帧和远程帧的帧。数据帧和远程帧可通过插入帧间隔将本帧与前面的任何帧（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧）分开。过载帧和错误帧前不能插入帧间隔。帧间隔如下图所示：

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图6    帧间隔格式

**2、CAN总线的仲裁方式**

**         **在总线空闲态，最先开始发送消息的单元获得发送权。多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送。即逐位地对比各个结点发出的报文ID。由于线与的关系，显示位“0”可以覆盖隐性位“1”，因此ID最小的节点赢得仲裁，总线上表现为该结点的报文，其他结点失去仲裁，退出发送，转为接收状态。

标准格式ID与具有相同ID的远程帧或者扩展格式的数据帧在总线上竞争时，标准格式的RTR位为显性位的具有优先权，可继续发送。

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图7    仲裁方式

**3、位填充（BitStuffing）**

**         **位填充是为了防止突发错误而设定的功能。位填充的规则如下：

（1）5位连续相同电平之后，必须填充一位反向位，即不允许有6个连续相同位；

（2）SOF之前为总线空闲状态，不需要同步，因此不需要位填充；

（3）CRC之后为固定格式，不允许填充；

（4）由CAN控制器自动实现；

**4、CAN的错误处理**

CAN控制器检测错误共有以下5种：

（1）位填充错误；

在使用位填充的帧场内，结点如果检测到6个连续相同的位值，则产生位填充错误，在下一位开始时，该结点将发送一个错误帧。

（2）位错误；

在发送期间，结点检测到总线的位值与自身发送的位值不一致时，则产生位错误，在下一位开始时，该结点将发送一个错误帧。

（3）CRC错误；

接收结点计算的CRC码与数据帧本身自带的CRC码不一致，接收结点将丢弃该帧，并在ACK界定符之后发送一个错误帧。

（4）应答错误；

发送结点在ACK Slot位会发送隐性位，同时监听总线是否为显性位，如果是显性位，则表明至少一个节点正确收到该帧；如果是隐性位，将产生ACK错误，发送结点发送一个错误帧。

（5）格式错误；

发送结节在（CRC界定符、ACK界定符、帧结束EOF）固定格式的位置检测到显性位时，将发生格式错误，并发送一个错误帧。

**5、CAN总线同步**

CAN总线的通信方式为NRZ方式。各个位的开关或者结尾都没有附加同步信号。发送结点以与位时序同步的方式开始发送数据。另外，接收结点根据总线上电平的变化进行同步并进行接收工作。

但是，发送结点和接收结点存在的时钟频率误差及传输路径上的（电缆、驱动器等）相位延迟会引进同步偏差。因此接收结点需要通过同步的方式调整时序进行接收。

同步的作用是尽量使本地位时序与总结信号的位时序一致（本地同步段与总结信号边沿同步）。只有接收结点需要同步；同步只会发生在隐性到显性电平的跳沿。

同步的方式为硬件同步和再同步。

以上是CAN总线协议的一些简要总结，不足之处，请指出，谢谢！下一篇文章将开始Socket原理的讲解。

[Socket CAN_1_CAN]: https://www.cnblogs.com/tureno/articles/6288338.html
[http_blog.csdn.net_Righthek]: http://blog.csdn.net/Righthek
[Linux]: http://lib.csdn.net/base/linux
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