在這個(gè)“網(wǎng)文”興盛的時(shí)代，單純的技術(shù)帖越來(lái)越不招人喜歡了。

怎樣才能既傳遞技術(shù)的干貨，又不至于陷入專(zhuān)業(yè)概念的漩渦？或者說(shuō)，能不能像東方臻選的董宇輝那樣，既賣(mài)了貨，還能雙語(yǔ)授課？

灑家思索再三，唯一的方法也許是走下專(zhuān)業(yè)的神壇，拋開(kāi)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(jiǎn)單。

今天講的是在工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)等領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛的CAN總線。

CAN總線的多主結(jié)構(gòu)和內(nèi)容尋址

上個(gè)世紀(jì)七八十年代超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，開(kāi)啟了汽車(chē)行業(yè)轟轟烈烈延續(xù)至今的電子化進(jìn)程。

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

一支穿云箭，千軍萬(wàn)馬來(lái)相見(jiàn)。但在沒(méi)有CAN總線的年代里，一根實(shí)體線，只能單個(gè)信號(hào)來(lái)見(jiàn)面。

毫無(wú)疑問(wèn)，這種方式會(huì)導(dǎo)致線束數(shù)量不斷翻番，實(shí)在不是一個(gè)好方案，于是乎，汽車(chē)專(zhuān)家們把目光投向了串行總線。

當(dāng)時(shí)，RS232-RS422-RS485總線已經(jīng)將觸角延伸到了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，其中，RS485總線采用雙絞線差分傳輸，支持多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，似乎到上車(chē)只差臨門(mén)一腳。但是，RS485采取主從結(jié)構(gòu)以及分配設(shè)備地址這兩大缺陷，使得汽車(chē)專(zhuān)家決定另起爐灶，開(kāi)發(fā)新的串行總線。

新的串行總線-CAN，沒(méi)有主從的概念，以ID而非設(shè)備地址進(jìn)行尋址，完美克服了這倆在汽車(chē)應(yīng)用中格格不入的缺陷。

愛(ài)思考的小伙伴，端起了大蒲扇，主從結(jié)構(gòu)怎么就成了缺點(diǎn)？為不同節(jié)點(diǎn)分配各自的設(shè)備地址，又存在什么缺陷？

要搞明白第一點(diǎn)，需要先看看主從結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，至于第二點(diǎn)，需要對(duì)照一下汽車(chē)應(yīng)用的要求來(lái)看看。

武林至尊，寶刀屠龍，號(hào)令天下，莫敢不從。在主從結(jié)構(gòu)里，一主多從，主節(jié)點(diǎn)不發(fā)號(hào)令，從節(jié)點(diǎn)便永遠(yuǎn)沒(méi)有參與通信的可能。

在主子“翻牌子”之前，從節(jié)點(diǎn)唯一能做的便是洗得白白凈凈，耐心坐等！

據(jù)說(shuō)，這種方式主要是為了防止多個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致的錯(cuò)亂。

在沒(méi)有更好的方法解決大家同時(shí)訪問(wèn)總線的挑戰(zhàn)之前，這種主從結(jié)構(gòu)似乎是唯一的答案，但是，它的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)！

首先，從節(jié)點(diǎn)沒(méi)有主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)力，主機(jī)一旦癱瘓，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就玩完。

其次，由于不能同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線，通信效率也只能維持在較低的區(qū)間，對(duì)于有高速和實(shí)時(shí)要求的應(yīng)用場(chǎng)合，這種方式怎么玩得轉(zhuǎn)？

你就說(shuō)，在汽車(chē)的總線通信網(wǎng)絡(luò)里面，行車(chē)安全、動(dòng)力操控、告警顯示相關(guān)的那些小主兒，哪個(gè)能坐等？

所以，必須拋棄主從結(jié)構(gòu)，尋找一種新的解決方案。競(jìng)爭(zhēng)和仲裁就是CAN總線標(biāo)準(zhǔn)給出的答案。

再來(lái)看分配設(shè)備地址的缺點(diǎn)。

汽車(chē)電子化是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而不斷升級(jí)的一個(gè)進(jìn)程，主機(jī)廠為了保持產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力或者滿足用戶(hù)的期待，會(huì)引入新的ECU，加入新的功能，在這種升級(jí)、擴(kuò)展需求面前，固定設(shè)備地址等于自套枷鎖，給掛接新節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)帶來(lái)困難。

CAN總線，通過(guò)報(bào)文ID這種內(nèi)容性的尋址，解決了升級(jí)擴(kuò)展的挑戰(zhàn)。

最后總結(jié)一下CAN總線的突出特點(diǎn)：

不分主從，可自由競(jìng)爭(zhēng)總線；

通過(guò)ID“尋址”，可以靈活擴(kuò)展。

CAN總線的競(jìng)爭(zhēng)和仲裁

說(shuō)到對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)，灑家總會(huì)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(zhēng)奪糧食這個(gè)能活命的資源的畫(huà)面。

資源，有時(shí)候就是生命線！

不過(guò)，計(jì)算機(jī)的世界很體面，盡管CAN總線只有兩根線（CANH和CANL），沒(méi)有了主節(jié)點(diǎn)這個(gè)“話事人”在中間調(diào)度轉(zhuǎn)圜，但是，博世的天才工程師們依然想出了方法，可以避免沒(méi)高沒(méi)低的節(jié)點(diǎn)對(duì)總線資源的爭(zhēng)搶。

將一頭大象放進(jìn)冰箱需要三步，博世解決CAN節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)總線的方案卻只需要兩步。

第一步，只有在總線空閑時(shí)，才開(kāi)始發(fā)送報(bào)文；

第二步，如果大家同時(shí)開(kāi)始發(fā)送報(bào)文，則在仲裁場(chǎng)一決勝負(fù)。

為了講明白這一點(diǎn)，需要先給出CAN總線的報(bào)文格式，或者說(shuō)幀結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

關(guān)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(biāo)準(zhǔn)里，將總線上出現(xiàn)連續(xù)11個(gè)位的隱性電平定義為總線空閑。

隱性電平即CAN總線上數(shù)據(jù)為1時(shí)對(duì)應(yīng)的總線電平（數(shù)據(jù)為0時(shí)便是顯性電平），這里的總線電平，可以認(rèn)為是CANH和CANL上各自的電壓，也可以認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)。

這里，以ISO11898-2為例進(jìn)行說(shuō)明。

CANH對(duì)地3.5V，CANL對(duì)地1.5V時(shí)，總線電平為顯性電平，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)0。

CANH對(duì)地2.5V，CANL對(duì)地2.5V時(shí)，總線電平為隱性電平，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)1。

或者說(shuō)，電壓差在2V左右時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)1，電壓差在0V左右時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)0。

這里面，大家經(jīng)常搞混淆的便是顯性電平對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)0，隱性電平對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)1。因?yàn)?，根?jù)大家的“直覺(jué)”，道生一，一生萬(wàn)物，沒(méi)有前面的1，后面隱藏了多少0也無(wú)濟(jì)于事，所以，本該顯性為1、隱性為0的嘛。

據(jù)說(shuō)，女孩子的“直覺(jué)”很準(zhǔn)，不過(guò)好在，這個(gè)世界，不講直覺(jué)，講科學(xué)！

CAN總線之所以把0定義為顯性，是因?yàn)?/span>CAN總線執(zhí)行“線與”機(jī)制，0&1還是0，所以，在0面前，1自動(dòng)隱身，總線上顯出來(lái)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?yàn)?/span>1有了這種包容的精神，才能1生萬(wàn)物！

至于為何連續(xù)11個(gè)隱性位代表總線空閑，這一點(diǎn)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(diǎn)是節(jié)點(diǎn)可發(fā)送可接收，但是不能同時(shí)發(fā)送。在CAN通信中對(duì)應(yīng)的情況便是，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)占據(jù)了總線并發(fā)送報(bào)文時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)只能處于接收狀態(tài)。

那么，最有效率的半雙工通信做法是什么？等待發(fā)送報(bào)文的節(jié)點(diǎn)接收完報(bào)文后就馬上發(fā)送報(bào)文！

其次，CAN通信里有一個(gè)位填充機(jī)制，不允許在報(bào)文的SOF、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng)中連續(xù)出現(xiàn)6個(gè)相同的邏輯位，換句話說(shuō)，在CAN報(bào)文傳輸?shù)闹饕^(guò)程（即上述那幾個(gè)場(chǎng)，有的技術(shù)帖稱(chēng)之為“域”或“段”，對(duì)應(yīng)的英文為Field）中，不可能出現(xiàn)11個(gè)位的隱性電平。

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

根據(jù)CAN幀結(jié)構(gòu)，報(bào)文結(jié)尾的EOF場(chǎng)和IFS場(chǎng)為連續(xù)7+3=10個(gè)隱性位，那么，為了讓等待發(fā)送報(bào)文的節(jié)點(diǎn)可以在確認(rèn)總線空閑的第一時(shí)間啟動(dòng)報(bào)文發(fā)送，是不是11個(gè)隱性位正好合適？

在外行的眼里，上個(gè)報(bào)文的結(jié)尾10個(gè)隱性位，總線空閑定義為11個(gè)隱性位，簡(jiǎn)直巧的不能再巧。

可在內(nèi)行者的眼中，這是設(shè)計(jì)上的巧妙，是嚴(yán)絲合縫的獨(dú)到，是天才的光芒，在灼灼閃耀！

競(jìng)爭(zhēng)與仲裁

在人類(lèi)社會(huì)中，看到他人在忙就不打擾是一種基本的素養(yǎng)，如前所述，CAN節(jié)點(diǎn)也是這樣有涵養(yǎng)的謙謙君子。

但，君子待時(shí)而動(dòng)，順勢(shì)而為，CAN節(jié)點(diǎn)一邊監(jiān)聽(tīng)總線是否空閑，一邊在確認(rèn)總線空閑的第一時(shí)間去競(jìng)爭(zhēng)寶貴的總線資源。 

CAN節(jié)點(diǎn)通過(guò)SOF，打響了爭(zhēng)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(xù)占有還是放棄對(duì)總線的主權(quán)。

博世的科學(xué)家們，引入了一種非破壞性仲裁的方案。

即，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在仲裁場(chǎng)里拿出報(bào)文ID，通過(guò)比大小的方式公平競(jìng)爭(zhēng)。

在這里，ID越小，優(yōu)先級(jí)越高，其競(jìng)爭(zhēng)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(jī)制。

圖例中，節(jié)點(diǎn)A的報(bào)文ID最大，節(jié)點(diǎn)C的報(bào)文ID最小。節(jié)點(diǎn)A、B、C在未決出勝負(fù)之前，都一邊向總線發(fā)送報(bào)文ID里的數(shù)據(jù)位，一邊監(jiān)聽(tīng)總線。

因?yàn)榭偩€的線與機(jī)制，節(jié)點(diǎn)A發(fā)出的1和節(jié)點(diǎn)B/C發(fā)出的0進(jìn)行“與運(yùn)算”之后，總線上的數(shù)據(jù)位依然為0。節(jié)點(diǎn)A監(jiān)測(cè)到自己發(fā)送了1卻回讀到0后，自動(dòng)退出總線競(jìng)爭(zhēng)，轉(zhuǎn)入接受模式，同理，節(jié)點(diǎn)B也在隨后退出了對(duì)總線的競(jìng)爭(zhēng)，ID最小的節(jié)點(diǎn)C最終奪魁。

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

只能感嘆，這個(gè)世界真奇妙！

CAN總線的門(mén)道還很多，且等咱家慢慢跟你聊~~

文：三德子