嵌入式Linux下的Socket CAN驅動理解

由于Socket CAN涉及到CAN總線協(xié)議、套接字、Linux網(wǎng)絡設備驅動等。因此，為了能夠全面地了解Socket CAN的原理。我們需要了解以下幾個方面的知識點：

(1)CAN總線協(xié)議;

(2)Socket原理;

(3)Linux網(wǎng)絡設備驅動;

當熟悉以下三個方面的知識點后，我們再去分析基于Linux的Socket CAN的驅動。這樣的話理解起來更加容易、易懂。

(4)Socket CAN的驅動;

一、CAN總線協(xié)議

由于CAN總線協(xié)議的內(nèi)容太多，作為博文來說，不適宜很詳細的講解。需要深入了解的朋友們可以Google一下。以下只是作些簡要的說明。

CAN是ControllerArea Network(控制器局域網(wǎng))的縮寫。CAN通信協(xié)議在1986年由德國電氣商博世公司所開發(fā)，主要面向汽車的通信系統(tǒng)?，F(xiàn)已是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。根據(jù)不同的距離、不同的網(wǎng)絡，可配置不同的速度，最高速度為1MBit/s。

CAN被細分為三個層次：

(1)CAN對象層(the object layer);

(2)CAN傳輸層(the transfer layer);

(3)CAN物理層(the phyical layer);

對象層和傳輸層包括所有由ISO/OSI模型定義的數(shù)據(jù)鏈路層的服務和功能。

對象層的作用范圍包括：

(1)查找被發(fā)送的報文。

(2)確定由實際要使用的傳輸層接收哪一個報文。

(3)為應用層相關硬件提供接口。

傳輸層的作用主要：

(1)傳送規(guī)則，也就是控制幀結構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障界定。

(2)總線上什么時候開始發(fā)送新報文及什么時候開始接收報文，均在傳輸層里確定。

(3)位定時的一些普通功能也可以看作是傳輸層的一部分。

(4)傳輸層的修改是受到限制的。

物理層的作用：

在不同節(jié)點之間根據(jù)所有的電氣屬性進行位信息的實際傳輸。當然，同一網(wǎng)絡內(nèi)，物理層對于所有的節(jié)點必須是相同的。盡管如此，在選擇物理層方面還是很自由的。

圖1 CAN協(xié)議所對應的ISO模型

CAN具有以下的屬性：

(1)報文(Messages)：簡單來說就是具有固定格式的數(shù)據(jù)包。

(2)信息路由(Information Routing)：即，報文尋找結點的方式。

(3)位速率(Bit rate)：數(shù)據(jù)位的傳輸速度。

(4)優(yōu)先權(Priorities)：即報文發(fā)送的優(yōu)先權。

(5)遠程數(shù)據(jù)請求(Remote Data Request)：通過發(fā)送遠程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點可以請求另一節(jié)點發(fā)送相應的數(shù)據(jù)幀。

(6)多主機(Multimaster)：總線空閑時，任何結點都可以開始傳送報文。

(7)仲裁(Arbitration)：當2個及以上的單元同時開始傳送報文，那么就會有總線訪問沖突。仲裁是確定哪個單元的具有發(fā)送優(yōu)先權。

(8)安全性(Safety)：CAN的每一個節(jié)點均采取了強有力的措施以進行錯誤檢測、錯誤標定及錯誤自檢。

(9)錯誤檢測(Error Detection)：包括監(jiān)視、循環(huán)冗余檢查、位填充、報文格式檢查。

(10)錯誤檢測的執(zhí)行(Performance of Error Detection)

(11)錯誤標定和恢復時間(Error Sinalling and Recovery Time)：任何檢測到錯誤的結點會標志出已損壞的報文。此報文會失效并將自動地開始重新傳送。如果不再出現(xiàn)新的錯誤，從檢測到錯誤到下一報文的傳送開始為止，恢復時間最多為29個位的時間。

(12)故障界定(Fault Confinement)：CAN結點能夠把永久故障和短暫擾動區(qū)分開來。永久故障的結點會被關閉。

(13)連接(Connections)：CAN串行通訊鏈路是可以連接許多結點的總線。理論上，可連接無數(shù)多的結點。但由于實際上受延遲時間或者總線線路上電氣負載的影響，連接結點的數(shù)量是有限的。

(14)單通道(Single Channel)：總線是由單一進行雙向位信號傳送的通道組成。

(15)總線值(Bus value)：總線可以具有兩種互補的邏輯值之一：“顯性”(可表示為邏輯0)或“隱性”(可表示為邏輯1)。

(16)應答(Acknowledgment)：所有的接收器檢查報文的連貫性。對于連貫的報文，接收器應答;對于不連貫的報文，接收器作出標志。

(17) 睡眠模式/喚醒(Sleep Mode / Wake-up)：為了減少系統(tǒng)電源的功率消耗，可以將CAN器件設為睡眠模式以便停止內(nèi)部活動及斷開與總線驅動器的連接。CAN器件可由總線激活，或系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)而被喚醒。

1、CAN總線的報文格式

CAN傳輸?shù)膱笪模煞譃槲宸N類型：

(1)數(shù)據(jù)幀：用于發(fā)送結點向接收結點傳送數(shù)據(jù)的幀。

(2)遠程幀：總線結點發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀。

(3)錯誤幀：任何結點檢測到一總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。

(4)過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀(或遠程幀)之間提供一附加的延時。

(5)幀間隔：用于將數(shù)據(jù)幀及遠程幀與前面的幀分離開來的幀。

數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成：

數(shù)據(jù)幀有標準格式和和遠程格式，以下是其格式表示：

圖2 數(shù)據(jù)幀格式

遠程幀由6個不同的位場組成：

遠程幀沒有數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)場，以下是其格式表示：

圖3 遠程幀格式

錯誤幀用于在接收和發(fā)送消息時檢測出錯誤，通知錯誤的幀。錯誤幀由錯誤標志和錯誤界定符構成。

錯誤標志包括主動錯誤標志和被動錯誤標志兩種。

主動錯誤標志：6個位的顯性位，處于主動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志。

被動錯誤標志：6個位的隱性位，處于被動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志。

錯誤界定符由8個位的隱性位構成。

錯誤幀格式如下表示：

圖4 錯誤幀格式

過載幀是用于接收單元通知其尚未完成接收準備的幀。過載幀由過載標志和過載界定符構成。過載幀格式如下表示：

圖5 過載幀格式

幀間隔是用于分隔數(shù)據(jù)幀和遠程幀的幀。數(shù)據(jù)幀和遠程幀可通過插入幀間隔將本幀與前面的任何幀(數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀)分開。過載幀和錯誤幀前不能插入幀間隔。幀間隔如下圖所示：

圖6 幀間隔格式

2、CAN總線的仲裁方式

在總線空閑態(tài)，最先開始發(fā)送消息的單元獲得發(fā)送權。多個單元同時開始發(fā)送時，各發(fā)送單元從仲裁段的第一位開始進行仲裁。連續(xù)輸出顯性電平最多的單元可繼續(xù)發(fā)送。即逐位地對比各個結點發(fā)出的報文ID。由于線與的關系，顯示位“0”可以覆蓋隱性位“1”，因此ID最小的節(jié)點贏得仲裁，總線上表現(xiàn)為該結點的報文，其他結點失去仲裁，退出發(fā)送，轉為接收狀態(tài)。

標準格式ID與具有相同ID的遠程幀或者擴展格式的數(shù)據(jù)幀在總線上競爭時，標準格式的RTR位為顯性位的具有優(yōu)先權，可繼續(xù)發(fā)送。

圖7 仲裁方式

3、位填充(BitStuffing)

位填充是為了防止突發(fā)錯誤而設定的功能。位填充的規(guī)則如下：

(1)5位連續(xù)相同電平之后，必須填充一位反向位，即不允許有6個連續(xù)相同位;

(2)SOF之前為總線空閑狀態(tài)，不需要同步，因此不需要位填充;

(3)CRC之后為固定格式，不允許填充;

(4)由CAN控制器自動實現(xiàn);

4、CAN的錯誤處理

CAN控制器檢測錯誤共有以下5種：

(1)位填充錯誤;

在使用位填充的幀場內(nèi)，結點如果檢測到6個連續(xù)相同的位值，則產(chǎn)生位填充錯誤，在下一位開始時，該結點將發(fā)送一個錯誤幀。

(2)位錯誤;

在發(fā)送期間，結點檢測到總線的位值與自身發(fā)送的位值不一致時，則產(chǎn)生位錯誤，在下一位開始時，該結點將發(fā)送一個錯誤幀。

(3)CRC錯誤;

接收結點計算的CRC碼與數(shù)據(jù)幀本身自帶的CRC碼不一致，接收結點將丟棄該幀，并在ACK界定符之后發(fā)送一個錯誤幀。

(4)應答錯誤;

發(fā)送結點在ACK Slot位會發(fā)送隱性位，同時監(jiān)聽總線是否為顯性位，如果是顯性位，則表明至少一個節(jié)點正確收到該幀;如果是隱性位，將產(chǎn)生ACK錯誤，發(fā)送結點發(fā)送一個錯誤幀。

(5)格式錯誤;

發(fā)送結節(jié)在(CRC界定符、ACK界定符、幀結束EOF)固定格式的位置檢測到顯性位時，將發(fā)生格式錯誤，并發(fā)送一個錯誤幀。

5、CAN總線同步

CAN總線的通信方式為NRZ方式。各個位的開關或者結尾都沒有附加同步信號。發(fā)送結點以與位時序同步的方式開始發(fā)送數(shù)據(jù)。另外，接收結點根據(jù)總線上電平的變化進行同步并進行接收工作。

但是，發(fā)送結點和接收結點存在的時鐘頻率誤差及傳輸路徑上的(電纜、驅動器等)相位延遲會引進同步偏差。因此接收結點需要通過同步的方式調(diào)整時序進行接收。

同步的作用是盡量使本地位時序與總結信號的位時序一致(本地同步段與總結信號邊沿同步)。只有接收結點需要同步;同步只會發(fā)生在隱性到顯性電平的跳沿。

同步的方式為硬件同步和再同步。