CAN總線仲裁示意圖_CAN總線位仲裁技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)

　　本文首先介紹了CAN總線仲裁是什么，其次介紹了CAN總線仲裁的示意圖，最后詳細(xì)的闡述了CAN總線位仲裁技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下吧。

　　CAN總線仲裁簡(jiǎn)介

　　CAN總線采用的是一種叫做“載波監(jiān)測(cè)，多主掌控／沖突避免”（CSMA／CA）的通信模式。這種總線仲裁方式允許總線上的任何一個(gè)設(shè)各都有機(jī)會(huì)取得總線的控制權(quán)并向外發(fā)送數(shù)據(jù)。如果在同一時(shí)刻有2個(gè)或2個(gè)以上的設(shè)各要求發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)產(chǎn)生總線沖突，CAN總線能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)這些沖突并對(duì)其進(jìn)行仲裁，從而使具有高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)不受任何損壞地傳輸。

　　當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)呈隱性電平，此時(shí)任何節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送顯性電平作為幀的開(kāi)始。如果2個(gè)或2個(gè)以上同時(shí)發(fā)送就會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。CAN總線解決競(jìng)爭(zhēng)的方法同以太網(wǎng)的CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access with Collislon Detection）方法基本相似，如圖1所示。此外，CAN總線做了改進(jìn)并采用CSMA／CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）訪問(wèn)總線，按位對(duì)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行仲裁。各節(jié)點(diǎn)在向總線發(fā)送電平的同時(shí)，也對(duì)總線上的電平讀取，并與自身發(fā)送的電平進(jìn)行比較，如果電平相同繼續(xù)發(fā)送下一位，不同則停止發(fā)送退出總線競(jìng)爭(zhēng)。剩余的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)上述過(guò)程，直到總線上只剩下1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的電平，總線競(jìng)爭(zhēng)結(jié)束，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)獲得總線的控制權(quán)。

　　圖1 Ethernet采用的CSMA／ CD總線訪問(wèn)過(guò)程

　　CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在44位標(biāo)識(shí)符中（擴(kuò)展幀的標(biāo)識(shí)符29位），具有最小二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符的節(jié)點(diǎn)具有最高的優(yōu)先級(jí)。這種優(yōu)先級(jí)一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)確定就不能隨意地更改，總線讀取產(chǎn)生的沖突主要靠這些位仲裁解決。之所以CAN總線不采用以太網(wǎng)使用的延時(shí)避免沖突，主要是為了保證具有更高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)能夠完整地實(shí)時(shí)傳輸，而且CSMA／CA可以有效地避免沖突。

　　如圖2所示，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的標(biāo)識(shí)符的第lO、9、8位電平相同，因此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到的信息和它們發(fā)出的信息相同。第7位節(jié)點(diǎn)B發(fā)出一個(gè)“1”，但從節(jié)點(diǎn)上接收到的消息卻是“0”，說(shuō)明有更高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)占用總線發(fā)送消息。節(jié)點(diǎn)B會(huì)退出發(fā)送處于單純監(jiān)聽(tīng)方式而不發(fā)送數(shù)據(jù)；節(jié)點(diǎn)A成功發(fā)送仲裁位從而獲得總線的控制權(quán)，繼而發(fā)送全部消息?？偩€中的信號(hào)持續(xù)跟蹤最后獲得總線控制權(quán)發(fā)出的報(bào)文，本例中節(jié)點(diǎn)A的報(bào)文將被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)被傳送前，報(bào)文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸了，因此具有高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸沒(méi)有任何延時(shí)。在獲得總線控制權(quán)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，其他節(jié)點(diǎn)成為報(bào)文的接收節(jié)點(diǎn)，并且不會(huì)在總線再次空閑之前發(fā)送報(bào)文。

　　圖2 CAN總線節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)總線過(guò)程

　　圖3為CAN總線上節(jié)點(diǎn)的電平邏輯，總線上的節(jié)點(diǎn)電平對(duì)于總線電平而言是相與的關(guān)系，只有當(dāng)3個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓都等于1（隱性電平），總線才會(huì)保持在ycc（隱性電平）狀態(tài)。只要有1個(gè)節(jié)點(diǎn)切換到0狀態(tài)（顯性電平），總線就會(huì)被強(qiáng)制在顯性狀態(tài)（0）。這種避免總線沖突的仲裁方式能夠使具有高優(yōu)先級(jí)的消息沒(méi)有延時(shí)地占用總線傳輸。

　　圖3 CAN總線上節(jié)點(diǎn)的電平邏輯

　　CAN總線仲裁示意圖

　　CAN是多主機(jī)的方式，所有節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送時(shí)，標(biāo)識(shí)符是本機(jī)的標(biāo)識(shí)符，發(fā)送數(shù)據(jù)為群發(fā)方式，廣播方式，具體數(shù)據(jù)，所有CAN節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)得到，但可以每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置CAN標(biāo)識(shí)符濾波，可設(shè)置只接收需要的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，設(shè)置后由硬件完成篩選，這樣優(yōu)于485單主機(jī)的主從傳輸總線傳輸方式，物理上采用差分信號(hào)傳輸。

　　因?yàn)镃AN收發(fā)器的特點(diǎn)，適合多主機(jī)的發(fā)送方式，多主機(jī)是否可以同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)呢？是可以的，因?yàn)镃AN 總線相當(dāng)于一個(gè)“線與”的結(jié)構(gòu)，顯性（邏輯0）與隱性（邏輯1）相遇，變?yōu)轱@性（邏輯0），就像孫悟空說(shuō)的，雄的與雌的，雌的見(jiàn)了雄的，就不靈了。其實(shí)就是邏輯運(yùn)算里的：0&0=0， 0&1=0，這里就是顯性為主。所有CAN節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)個(gè)與門(mén)，低電平（邏輯0）有效，一個(gè)拉低，所有全低。

　　總線仲裁的示意圖（標(biāo)準(zhǔn)幀格式）如下：

　　因此得到標(biāo)識(shí)符是有優(yōu)先級(jí)的，因?yàn)楦呶辉谇?，低位在后，CAN標(biāo)識(shí)符組成的數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。

　　CAN總線位仲裁技術(shù)

　　只要總線空閑，任何單元都可以開(kāi)始發(fā)送報(bào)文。

　　要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，就必須將數(shù)據(jù)快速傳送，這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，要求快速地進(jìn)行總線分配。

　　如果2個(gè)或2 個(gè)以上的單元同時(shí)開(kāi)始傳送報(bào)文，那么就會(huì)有總線訪問(wèn)沖突。通過(guò)使用識(shí)別符的位形式仲裁可以解決這個(gè)沖突。

　　CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在11位標(biāo)識(shí)符中，具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符有最高的優(yōu)先級(jí)。這種優(yōu)先級(jí)一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)被確立后就不能再被更改。總線讀取中的沖突可通過(guò)位仲裁解決。

　　仲裁的機(jī)制確保信息和時(shí)間均不會(huì)損失。當(dāng)具有相同識(shí)別符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)初始化時(shí)，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。

　　CAN總線采用非歸零（NRZ）編碼，所有節(jié)點(diǎn)以“線與”方式連接至總線。如果存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線傳輸邏輯0，則總線呈現(xiàn)邏輯0狀態(tài)，而不管有多少個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送邏輯1。CAN網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)可能試圖同時(shí)發(fā)送，但其簡(jiǎn)單的仲裁規(guī)則確保僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)控制總線、并發(fā)送信息。低有效輸出狀態(tài)（0）起決定性作用。

　　仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都對(duì)發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進(jìn)行比較。如果電平相同，則這個(gè)單元可以繼續(xù)發(fā)送。如果發(fā)送的是一“隱性”電平（邏輯1）而監(jiān)測(cè)到一“顯性”電平（邏輯0），那么該單元就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。

　　所有標(biāo)識(shí)符都有相同的兩位01，直到第3位進(jìn)行比較時(shí)，站1的報(bào)文被丟掉，因?yàn)樗牡?位為高，而其它兩個(gè)站的報(bào)文第3位為低。站2和站3報(bào)文的4、5、6位相同，直到第7位時(shí)，站3的報(bào)文才被丟失。

　　CAN總線位仲裁技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)

　　在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個(gè)站的報(bào)文被傳送以前，報(bào)文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。

　　所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的接收站，并且不會(huì)在總線再次空閑前發(fā)送報(bào)文。

　　CAN具有較高的效率是因?yàn)榭偩€僅僅被那些請(qǐng)求總線懸而未決的站利用，這些請(qǐng)求是根據(jù)報(bào)文在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。

　　缺點(diǎn)

　　由于CAN總線采用的是固定優(yōu)先級(jí)，當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)的向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，具有低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)是比具有高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)具有較大的發(fā)送失敗幾率。

　　每次具有較低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)都會(huì)在總線競(jìng)爭(zhēng)中失敗，從而導(dǎo)致它一個(gè)數(shù)據(jù)都發(fā)不出去，或者發(fā)送的數(shù)據(jù)有較大的延時(shí)。