洞察幽微 初探CAN總線的一些小門道

在這個“網文”興盛的時代，單純的技術帖越來越不招人喜歡了。

怎樣才能既傳遞技術的干貨，又不至于陷入專業概念的漩渦？或者說，能不能像東方臻選的董宇輝那樣，既賣了貨，還能雙語授課？

灑家思索再三，唯一的方法也許是走下專業的神壇，拋開拗口的概念，靠著侵淫多年的思考把背后的原理講得有趣、直白又簡單。

今天講的是在工業自動化、汽車等領域應用很廣泛的CAN總線。

CAN總線的多主結構和內容尋址

上個世紀七八十年代超大規模集成電路的發展，開啟了汽車行業轟轟烈烈延續至今的電子化進程。

各種電子控制單元（ECU）的出現，讓ECU之間的信息交互變得越來越普遍。在ECU交互比較簡單時，最直接也最簡單的方案便是一個信號一根線。

一支穿云箭，千軍萬馬來相見。但在沒有CAN總線的年代里，一根實體線，只能單個信號來見面。

毫無疑問，這種方式會導致線束數量不斷翻番，實在不是一個好方案，于是乎，汽車專家們把目光投向了串行總線。

當時，RS232-RS422-RS485總線已經將觸角延伸到了工業自動化領域，其中，RS485總線采用雙絞線差分傳輸，支持多節點數據通信，似乎到上車只差臨門一腳。但是，RS485采取主從結構以及分配設備地址這兩大缺陷，使得汽車專家決定另起爐灶，開發新的串行總線。

新的串行總線-CAN，沒有主從的概念，以ID而非設備地址進行尋址，完美克服了這倆在汽車應用中格格不入的缺陷。

愛思考的小伙伴，端起了大蒲扇，主從結構怎么就成了缺點？為不同節點分配各自的設備地址，又存在什么缺陷？

要搞明白第一點，需要先看看主從結構的特點，至于第二點，需要對照一下汽車應用的要求來看看。

武林至尊，寶刀屠龍，號令天下，莫敢不從。在主從結構里，一主多從，主節點不發號令，從節點便永遠沒有參與通信的可能。

在主子“翻牌子”之前，從節點唯一能做的便是洗得白白凈凈，耐心坐等！

據說，這種方式主要是為了防止多個節點向總線上發送數據導致的錯亂。

在沒有更好的方法解決大家同時訪問總線的挑戰之前，這種主從結構似乎是唯一的答案，但是，它的缺點顯而易見！

首先，從節點沒有主動發送數據的權力，主機一旦癱瘓，整個網絡就玩完。

其次，由于不能同時競爭總線，通信效率也只能維持在較低的區間，對于有高速和實時要求的應用場合，這種方式怎么玩得轉？

你就說，在汽車的總線通信網絡里面，行車安全、動力操控、告警顯示相關的那些小主兒，哪個能坐等？

所以，必須拋棄主從結構，尋找一種新的解決方案。競爭和仲裁就是CAN總線標準給出的答案。

再來看分配設備地址的缺點。

汽車電子化是隨著半導體技術的發展而不斷升級的一個進程，主機廠為了保持產品的競爭力或者滿足用戶的期待，會引入新的ECU，加入新的功能，在這種升級、擴展需求面前，固定設備地址等于自套枷鎖，給掛接新節點的網絡升級帶來困難。

CAN總線，通過報文ID這種內容性的尋址，解決了升級擴展的挑戰。

最后總結一下CAN總線的突出特點：

不分主從，可自由競爭總線；

通過ID“尋址”，可以靈活擴展。

CAN總線的競爭和仲裁

說到對資源的競爭，灑家總會想起電影《1942》里頭，那些饑餓的難民拿著耙子、鐵鍬、木棍攻打大地主家，以爭奪糧食這個能活命的資源的畫面。

資源，有時候就是生命線！

不過，計算機的世界很體面，盡管CAN總線只有兩根線（CANH和CANL），沒有了主節點這個“話事人”在中間調度轉圜，但是，博世的天才工程師們依然想出了方法，可以避免沒高沒低的節點對總線資源的爭搶。

將一頭大象放進冰箱需要三步，博世解決CAN節點競爭總線的方案卻只需要兩步。

第一步，只有在總線空閑時，才開始發送報文；

第二步，如果大家同時開始發送報文，則在仲裁場一決勝負。

為了講明白這一點，需要先給出CAN總線的報文格式，或者說幀結構，如下圖所示。

關于第一步，需要著重搞清楚的是何謂“總線空閑”，以及，為什么總線空閑能有效避免大家伙一哄而上地搞亂了總線。

總線空閑

在CAN總線標準里，將總線上出現連續11個位的隱性電平定義為總線空閑。

隱性電平即CAN總線上數據為1時對應的總線電平（數據為0時便是顯性電平），這里的總線電平，可以認為是CANH和CANL上各自的電壓，也可以認為是兩者的電壓差。

至于具體什么樣的電壓水平，ISO11898-2和3中分別給出了高速CAN和低速CAN的電壓標準。

這里，以ISO11898-2為例進行說明。

CANH對地3.5V，CANL對地1.5V時，總線電平為顯性電平，對應數據0。

CANH對地2.5V，CANL對地2.5V時，總線電平為隱性電平，對應數據1。

或者說，電壓差在2V左右時，對應數據1，電壓差在0V左右時，對應數據0。

這里面，大家經常搞混淆的便是顯性電平對應數據0，隱性電平對應數據1。因為，根據大家的“直覺”，道生一，一生萬物，沒有前面的1，后面隱藏了多少0也無濟于事，所以，本該顯性為1、隱性為0的嘛。

據說，女孩子的“直覺”很準，不過好在，這個世界，不講直覺，講科學！

CAN總線之所以把0定義為顯性，是因為CAN總線執行“線與”機制，0&1還是0，所以，在0面前，1自動隱身，總線上顯出來的是0，故顯性為0，隱性為1。

在顯性面前，1是默默含藏的，1是甘愿隱身的，正是因為1有了這種包容的精神，才能1生萬物！

至于為何連續11個隱性位代表總線空閑，這一點可以從幀格式里找到答案。

首先，CAN總線是半雙工通信，半雙工的特點是節點可發送可接收，但是不能同時發送。在CAN通信中對應的情況便是，當一個節點占據了總線并發送報文時，其它節點只能處于接收狀態。

那么，最有效率的半雙工通信做法是什么？等待發送報文的節點接收完報文后就馬上發送報文！

其次，CAN通信里有一個位填充機制，不允許在報文的SOF、仲裁場、控制場、數據場、CRC場中連續出現6個相同的邏輯位，換句話說，在CAN報文傳輸的主要過程（即上述那幾個場，有的技術帖稱之為“域”或“段”，對應的英文為Field）中，不可能出現11個位的隱性電平。

但是，為了保證總線通信的效率，允許在EOF場（End Of Frame）和IFS（Inter Frame Space）中出現。

根據CAN幀結構，報文結尾的EOF場和IFS場為連續7+3=10個隱性位，那么，為了讓等待發送報文的節點可以在確認總線空閑的第一時間啟動報文發送，是不是11個隱性位正好合適？

在外行的眼里，上個報文的結尾10個隱性位，總線空閑定義為11個隱性位，簡直巧的不能再巧。

可在內行者的眼中，這是設計上的巧妙，是嚴絲合縫的獨到，是天才的光芒，在灼灼閃耀！

競爭與仲裁

在人類社會中，看到他人在忙就不打擾是一種基本的素養，如前所述，CAN節點也是這樣有涵養的謙謙君子。

但，君子待時而動，順勢而為，CAN節點一邊監聽總線是否空閑，一邊在確認總線空閑的第一時間去競爭寶貴的總線資源。 

CAN節點通過SOF，打響了爭奪總線資源的第一槍。

顯然，為了避免混亂，需要有一種合適的手段，盡快地仲裁出答案，決定自己是繼續占有還是放棄對總線的主權。

博世的科學家們，引入了一種非破壞性仲裁的方案。

即，各個節點在仲裁場里拿出報文ID，通過比大小的方式公平競爭。

在這里，ID越小，優先級越高，其競爭總線的勝率也就越高。

之所以如此，還要回到前面講解顯性電平和隱性電平的“線與”機制。

圖例中，節點A的報文ID最大，節點C的報文ID最小。節點A、B、C在未決出勝負之前，都一邊向總線發送報文ID里的數據位，一邊監聽總線。

因為總線的線與機制，節點A發出的1和節點B/C發出的0進行“與運算”之后，總線上的數據位依然為0。節點A監測到自己發送了1卻回讀到0后，自動退出總線競爭，轉入接受模式，同理，節點B也在隨后退出了對總線的競爭，ID最小的節點C最終奪魁。

比大小，這個人類社會解決分歧的最原始、最有效的方式，竟然在CAN總線這么一個高大上的地方找到了用武之地。

只能感嘆，這個世界真奇妙！

CAN總線的門道還很多，且等咱家慢慢跟你聊~~

文：三德子