STM32之CAN ---CAN ID過濾器分析
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1 前言
在CAN協議里，報文的標識符不代表節點的地址，而是跟報文的內容相關的。因此，發送者以廣播的形式把報文發送給所有的接收者。節點在接收報文時,根據標識符(CAN ID)的值決定軟件是否需要該報文；如果需要，就拷貝到SRAM里；如果不需要，報文就被丟棄且無需軟件的干預。
為滿足這一需求，bxCAN為應用程序提供了14個位寬可變的、可配置的過濾器組(13~0)，以便只接收那些軟件需要的報文。硬件過濾的做法節省了CPU開銷，否則就必須由軟件過濾從而占用一定的CPU開銷。每個過濾器組x由2個32位寄存器，CAN_FxR0和CAN_FxR1組成。
為了讓大家了解STM32的bxCAN的接收過濾機制，首先大家需要了解幾個概念。
2 幾個重要的概念
2.1 過濾器組
STM32總共提供14個過濾器組來處理CAN接收過濾問題，每個過濾器組包含兩個32位寄存器CAN_FxR0和CAN_FxR1組成，在設置為屏蔽位模式下，其中一個作為標識符寄存器，另一個作為屏蔽碼寄存器。過濾器組中的每個過濾器，編號(叫做過濾器號)從0開始，到某個最大數值（這時最大值并非13，而是取決于14個過濾器組的模式和位寬的設置，當全部配置為位寬為16，且為標識符列表模式時，最大編號為14*4-1=55）。
2.2 過濾器的過濾模式
STM32提供兩種過濾模式供用戶設置：屏蔽位模式和標識符列表模式。
2.2.1 屏蔽位模式
在屏蔽位模式下，標識符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定報文標識符的任何一位，應該按照“必須匹配”或“不用關心”處理。
2.2.2 標識符列表模式
在標識符列表模式下，屏蔽寄存器也被當作標識符寄存器用。因此，不是采用一個標識符加一個屏蔽位的方式，而是使用2個標識符寄存器。接收報文標識符的每一位都必須跟過濾器標識符相同。
2.3 過濾器的位寬
每個過濾器組的位寬都可以獨立配置，以滿足應用程序的不同需求。根據位寬的不同，每個過濾器組可提供：
●1個32位過濾器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE和RTR位
●2個16位過濾器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR和EXTID[17:15]位
2.3 過濾器組的過濾模式和位寬設置
過濾器組可以通過相應的CAN_FMR寄存器（CAN過濾器主控寄存器）配置。但是不是什么時候都可以直接配置，在配置一個過濾器組前，必須通過清除CAN_FAR寄存器（CAN過濾器激活寄存器）的FACT位，把它設置為禁用狀態。然后才能設置或設置過濾器組的配置。
- 通過設置CAN_FS1R（CAN過濾器位寬寄存器）的相應FSCx位，可以配置一個過濾器組的位寬。
- 通過CAN_FM1R（CAN過濾器模式寄存器）的FBMx位，可以配置對應的屏蔽/標識符寄存器的標識符列表模式或屏蔽位模式。(見后續3.2節)
應用程序不用的過濾器組，應該保持在禁用狀態。
關于過濾器配置，可參見下圖:
圖1
2.4 過濾器匹配序號
一旦收到的報文被存入FIFO，就可被應用程序訪問。通常情況下，報文中的數據被拷貝到SRAM中；為了把數據拷貝到合適的位置，應用程序需要根據報文的標識符來辨別不同的數據。bxCAN提供了過濾器匹配序號，以簡化這一辨別過程。
根據過濾器優先級規則，過濾器匹配序號和報文一起，被存入郵箱中。因此每個收到的報文，都有與它相關聯的過濾器匹配序號。
過濾器匹配序號可以通過下面兩種方式來使用：
● 把過濾器匹配序號跟一系列所期望的值進行比較
● 把過濾器匹配序號當作一個索引來訪問目標地址
對于標識符列表模式下的過濾器(非屏蔽方式的過濾器)，軟件不需要直接跟標識符進行比較。
對于屏蔽位模式下的過濾器，軟件只須對需要的那些屏蔽位(必須匹配的位)進行比較即可。
在給過濾器編號時，并不考慮過濾器組是否為激活狀態。另外，每個FIFO各自對其關聯的過濾器進行編號,如下圖：
圖2
2.5 過濾器優先級規則
根據過濾器的不同配置，有可能一個報文標識符能通過多個過濾器的過濾；在這種情況下，存放在接收郵箱中的過濾器匹配序號，根據下列優先級規則來確定：
● 位寬為32位的過濾器，優先級高于位寬為16位的過濾器
● 對于位寬相同的過濾器，標識符列表模式的優先級高于屏蔽位模式
● 位寬和模式都相同的過濾器，優先級由過濾器號決定，過濾器號小的優先級高
如下圖:
圖3
如上圖，在接收一個報文時，其標識符首先與配置在標識符列表模式下的過濾器相比較；如果匹配上，報文就被存放到相關聯的FIFO中，并且所匹配的過濾器的序號（這時為4）被存入過濾器匹配序號中。如同例子中所顯示，報文標識符跟#4標識符匹配，因此報文內容和FMI4被存入FIFO。
如果沒有匹配，報文標識符接著與配置在屏蔽位模式下的過濾器進行比較。
如果報文標識符沒有跟過濾器中的任何標識符相匹配，那么硬件就丟棄該報文，且不會對軟件有任何打擾。
3 與過濾器相關的寄存器
3.1 CAN 過濾器主控寄存器 (CAN_FMR)
地址偏移量: 0x200
復位值: 0x2A1C 0E01
注： 該寄存器的非保留位完全由軟件控制。
圖4
| 位31:1 | 保留位，強制為復位值。 |
| 位0 | FINIT : 過濾器初始化模式 針對所有過濾器組的初始化模式設置。 0: 過濾器組工作在正常模式； 1: 過濾器組工作在初始化模式。 |
3.2 CAN 過濾器模式寄存器 (CAN_FM1R)
地址偏移量: 0x204
復位值: 0x0000 0000
注： 只有在設置CAN_FMR(FINIT=1)，使過濾器處于初始化模式下，才能對該寄存器寫入。
圖5
| 位31:14 | 保留位，硬件強制為0 |
| 位13:0 | FBMx : 過濾器模式 過濾器組x的工作模式。 0: 過濾器組x的2個32位寄存器工作在標識符屏蔽位模式； 1: 過濾器組x的2個32位寄存器工作在標識符列表模式。 |
3.3 CAN 過濾器位寬寄存器 (CAN_FS1R)
地址偏移量: 0x20C
復位值: 0x0000 0000
注： 只有在設置CAN_FMR(FINIT=1)，使過濾器處于初始化模式下，才能對該寄存器寫入。
圖6
| 位31:14 | 保留位，硬件強制為0 |
| 位13:0 | FSCx : 過濾器位寬設置 過濾器組x(13～0)的位寬。 0：過濾器位寬為2個16位； 1：過濾器位寬為單個32位。 |
3.4 CAN 過濾器FIFO關聯寄存器 (CAN_FFA1R)
地址偏移量: 0x214
復位值: 0x0000 0000
注： 只有在設置CAN_FMR(FINIT=1)，使過濾器處于初始化模式下，才能對該寄存器寫入。
圖7
| 位31:14 | 保留位，硬件強制為0。 |
| 位13:0 | FFAx : 過濾器位寬設置 報文在通過了某過濾器的過濾后，將被存放到其關聯的FIFO中。 0：過濾器被關聯到FIFO0； 1：過濾器被關聯到FIFO1。 |
3.5 CAN 過濾器激活寄存器 (CAN_FA1R)
地址偏移量: 0x21C
復位值: 0x0000 0000
圖7
| 位31:14 | 保留位，硬件強制為0。 |
| 位13:0 | FACTx : 過濾器激活 軟件對某位設置1來激活相應的過濾器。只有對FACTx位清0，或對CAN_FMR寄存器的FINIT位設置1后，才能修改相應的過濾器寄存器x(CAN_FxR[0:1])。 0：過濾器被禁用； 1：過濾器被激活。 |
3.6 CAN 過濾器組x寄存器 (CAN_FiRx) (i＝0..13，x=1..2)
地址偏移量：0x240h..0x2AC
復位值：未定義位
注： 共有14組過濾器：i=0..13。每組過濾器由2個32位的寄存器，CAN_FiR[2:1]組成。只有在CAN_FaxR寄存器（CAN過濾器激活寄存器）相應的FACTx位清’0’，或CAN_FMR寄存器（CAN過濾器主控寄存器）的FINIT位為’1’時，才能修改相應的過濾器寄存器。
圖8
| 位31:0 | FB[31:0] : 過濾器位
0: 期望相應位為顯性位； 1: 期望相應位為隱性位。
0: 不關心，該位不用于比較； 1: 必須匹配，到來的標識符位必須與濾波器對應的標識符寄存器位相一致。 |
屏蔽位模式下的屏蔽/標識符寄存器，跟標識符列表模式下的寄存器位定義相同。
4 代碼實例
4.1 CAN ID值的結構分析
在講到代碼實例之前，首先大家都弄懂一件事，當給定一個CAN ID，如0x1800f001,當然這個是擴展ID，這里要問的是，這個CAN ID的值本身包含兩部分，即基本ID與擴展ID，即么你知道這個擴展ID0x1800f001的哪些位是基本ID，哪些位又是擴展ID？（在基本CANID格式下不存在這個問題）
在回答這個問題之前我們來看看ISO11898的定義，如下圖：
圖9
如上圖，基本格式不存在擴展ID，而擴展格式中ID0~ID17為Extension ID,而ID18~ID28為Base ID.
因此CAN ID值0x1800f001用二進制表示為：0b 0001 1000 0000 0000 1111 0000 0000 0001,用括號分別區別為：0b 000[1 1000 0000 00][00 1111 0000 0000 0001]，紅色部分為擴展ID，藍色部分為基本ID。那么知道這些有什么用呢？接下來的代碼示例中你就會有什么用了。
4.2 位寬為32位的屏蔽模式
在此種模式下中過濾多個CAN ID，此時，過濾器包含兩個寄存器，屏蔽碼寄存器和標識符寄存器。此模式下最多只存在一個屏蔽過濾器。
如下圖所示：
圖10
如上圖，上面的ID為標識符寄存器，中間部分的MASK為屏蔽碼寄存器。每個寄存器都是32位的。最下邊顯示的是與CAN ID各位定位的映射關系。由4.1的知識很快可以發現，上圖最下邊的映射關系恰好等于擴展CAN值左移3位再補上IDE（擴展幀標識），RTR（遠程幀標志）。
因此，我們初步得出這樣的推論：對于一個擴展CAN ID，不能單純地將它看到的一個數，而應該將它看成兩部分，基本ID和擴展ID(當然標準CAN ID只包含基本ID部分)，過濾器屏蔽碼寄存器和標識符寄存器也應該看成多個部分，然后問題就變成了如何將CAN ID所表示的各部分如何針對過濾器寄存器各部分對號入座的問題了。
對號入座的方法多種多樣，但萬變不離其心，主要是掌握其核心思想即可：1:在各種過濾器模式下，CAN ID與寄存器相應位置一定要匹配；2：在屏蔽方式下，屏蔽碼寄存器某位為1表示接收到的CAN ID對應的位必須對驗證碼寄存器對應的位相同。
下面給出一個代碼例子，假設我們要接收多個ID：0x7e9,0x1800f001,前面為標準ID，后面為擴展ID，要同時能接收這兩個ID，那么該如何設置這個過濾器呢?
- CAN_FilterInitTypeDefCAN_FilterInitStructure;
- U16std_id=0x7e9;
- U32ext_id=0x1800f001;
- U32mask=0;
- CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);//初始化CAN_FilterInitStructrue結構體變量
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0;//設置過濾器組0，范圍為0~13
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdMask;//設置過濾器組0為屏蔽模式
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit;//設置過濾器組0位寬為32位
- //標識位寄存器的設置
- //ext_id<<3對齊，見上圖9，再>>16取高16位
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=（(ext_id<<3)>>16)&0xffff;//設置標識符寄存器高字節。
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=(U16)(ext_id<<3)|CAN_ID_EXT;//設置標識符寄存器低字節
- //這里也可以這樣設置
- //CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=std_id<<5;//設置標識符寄存器高字節.這里為什么是左移5位呢？從上圖可以看出，CAN_FilterIdHigh包含的是STD[0~10]和EXID[13~17],標準CANID本身是不包含擴展ID數據，因此為了要將標準CANID放入此寄存器，標準CANID首先應左移5位后才能對齊.
- //CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=0|CAN_ID_EXT;//設置標識符寄存器低字節,這里也可以設置為CAN_ID_STD
- //屏蔽寄存器的設置
- //這里的思路是先將標準CANID和擴展CANID對應的ID值先異或后取反，為什么？異或是為了找出兩個CANID有哪些位是相同的，是相同的位則說明需要關心，需要關心的位對應的屏蔽碼位應該設置為1，因此需要取反一下。最后再整體左移3位。
- mask=(std_id<<18);//這里為什么左移18位？因為從ISO11898中可以看出，標準CANID占ID18~ID28，為了與CAN_FilterIdHigh對齊，應左移2位，接著為了與擴展CAN對應，還應該再左移16位，因此，總共應左移2+16＝18位。也可以用另一個方式來理解：直接看Mapping的內容，發現STDID相對EXID[0]偏移了18位,因此左移18位.
- mask^=ext_id;//將對齊后的標準CAN與擴展CAN異或后取反
- mask=~mask;
- mask<<=3;//再整體左移3位
- mask|=0x02;//只接收數據幀，不接收遠程幀
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh=(mask>>16)&0xffff;//設置屏蔽寄存器高字節
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow=mask&0xffff;//設置屏蔽寄存器低字節
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=CAN_FIFO0;//此過濾器組關聯到接收FIFO0
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE;//激活此過濾器組
- CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);//設置過濾器
總結可知，當過濾器為屏蔽模式時，標識符寄存器對應的ID內容可為任意一需求接收的ID值，當同時要接收標準幀和擴展幀時，標識符寄存器對應IDE位也隨意設置，屏蔽寄存器的IDE位設置為0，表示不關心標準幀還是擴展幀。而屏蔽寄存器對應的ID內容為各需求接收的ID值依次異或的結果再取反。
4.3 位寬為32位的標識符列表模式
在此種模式下，過濾器組包含的兩個寄存器含義一樣，此模式下只多存在兩個標識符列表過濾器如下圖：
圖11
- CAN_FilterInitTypeDefCAN_FilterInitStructure;
- U16std_id=0x7e9;
- U32ext_id=0x1800f001;
- CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);//初始化CAN_FilterInitStructrue結構體變量
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0;//設置過濾器組0，范圍為0~13
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdList;//設置過濾器組0為標識符列表模式
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit;//設置過濾器組0位寬為32位
- //設置屏蔽寄存器，這里當標識符寄存器用
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=std_id<<5);//為什么左移5位？與上面相同道理，這里不再重復解釋
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=0|CAN_ID_STD;//設置標識符寄存器低字節,CAN_FilterIdLow的ID位可以隨意設置，在此模式下不會有效。
- //設置標識符寄存器
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh=((ext_id<<3)>>16)&0xffff;//設置屏蔽寄存器高字節
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow=((ext_id<<3)&0xffff)|CAN_ID_EXT;//設置屏蔽寄存器低字節
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=CAN_FIFO0;//此過濾器組關聯到接收FIFO0
- CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE;//激活此過濾器組
- CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);//設置過濾器
4.4 位寬為16位的屏蔽碼模式
在此模式下，最多存在兩個屏蔽碼過濾器，如下圖：
圖12
由上圖映射可知，最下面的映射只包含STDID0~ID10,因此，此模式下的兩個屏蔽過濾器只能實現對標準ID的過濾。具體代碼就不介紹了，參見上圖的映射即可。
4.5 位寬為16位的標識符列表模式
圖13
在此模式下，由于標識符寄存器的高16位和低16位，屏蔽寄存器的高16位和低16位都用來做標識符寄存器，因此，最多可存在4個標識符過濾器。同樣，只能實現對標準幀的過濾。具體代碼就不介紹了，參見上圖的映射即可。
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