談?wù)凜AN優(yōu)先級倒置的原因和對策

CAN總線起始于1986年左右，至今仍廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在人們對安全的要求已大為提高，所以要不斷仔細審視CAN的安全性能。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的重要的CAN問題有：在消極報錯狀態(tài)下可能出現(xiàn)等效離線，使節(jié)點不能收發(fā)的時間相當(dāng)長［1］；錯幀漏檢率的估計不準，特別在誤碼率高時比Bosch CAN2.0數(shù)據(jù)高多個數(shù)量級［2］，在單目的地址時影響數(shù)據(jù)正確性，在多個目的地址時會影響數(shù)據(jù)一致性；標準的振蕩源精度要求偏低［3］，使誤用廉價器件成為可能，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；本文發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先級倒置的可能性，使調(diào)度分析結(jié)果的可信度下降；在數(shù)據(jù)幀倒數(shù)第二位的局部錯可能引起不一致的接收重復(fù)或丟失［4］。所以在FlexRay尚未達到預(yù)定目標、無論在可靠性還是價格上能取代CAN以前，對CAN作進一步的改進仍然是非常有意義的。
　　CAN是一種代表性的事件觸發(fā)通信協(xié)議，同時發(fā)生的多個通信請求將按照消息的優(yōu)先級進行無損仲裁，高優(yōu)先級的勝出。按照消息的優(yōu)先級進行無損仲裁是CAN原始專利的唯一權(quán)利要求［5］。對于低優(yōu)先級的消息而言，送達時間將受到高優(yōu)先級消息的阻擾，在高優(yōu)先級消息為周期性時，最壞送達時間是可以預(yù)先計算出的［6］。如果能安排好發(fā)送消息的初始相位并作寬松的時鐘同步，這個最壞送達時間可以大為減少。事件觸發(fā)協(xié)議的優(yōu)點是總線帶寬可以得到充分利用。另一個優(yōu)點是高優(yōu)先級消息可得到迅速發(fā)送。但是由于工業(yè)環(huán)境中普遍存在的電磁干擾，總線上會有毛刺，CAN總線的標準中已考慮到應(yīng)對方法?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)毛刺應(yīng)對方法可能使節(jié)點的同步受到影響，從而損及高優(yōu)先級消息的發(fā)送機會，出現(xiàn)優(yōu)先級的倒置，動搖了CAN總線的基本性能。
　　1　毛刺的存在
　　車內(nèi)電磁環(huán)境惡劣， ISO 76372/3總結(jié)出代表性的傳導(dǎo)和輻射干擾。有人專門作了輻射干擾的實驗，參考文獻［7］的實驗中用24 V蓄電池給車內(nèi)常用的繼電器供電（CAN系統(tǒng)供電是獨立的），電源線與CAN電纜靠得很近，在電纜線有屏蔽、線長為2 m時，手動開關(guān)繼電器時可以看到CAN波形上疊加的毛刺，輻射干擾實驗結(jié)果如圖1所示。
　　
　　圖1 輻射干擾實驗結(jié)果
　　實際汽車上也見到CAN總線失效的報告［8］：豐田汽車在經(jīng)銷商產(chǎn)品報告中確認，由任何原因召回的車中發(fā)現(xiàn)丟失CAN數(shù)據(jù)的記錄有292宗。毛刺是引起CAN總線出錯的可能原因，其具體誘發(fā)過程需要仔細分析，不能掉以輕心。
　　2　CAN位時間與消息仲裁原理
　　CAN總線把位時間劃分為NBT等分的時間片，稱為Tq。CAN總線控制器按Tq對總線上的差分電平進行采樣，以決定內(nèi)部狀態(tài)。當(dāng)總線上沒有通信時，稱為總線空閑，電平差在0~0.5 V，邏輯值為“1”。電平差為0.9 V以上時邏輯值為“0”。 由圖1可知，存在“0“毛刺，也存在“1“毛刺。CAN總線驅(qū)動器的特性是線與，當(dāng)“1”和“0”同時發(fā)生時，總線的電平為“0”，這便是仲裁功能。一幀開始發(fā)送的第一位是“0“，稱為SOF，然后是消息的標識符ID。ID代表了消息的優(yōu)先級，每個節(jié)點通過位采樣知道總線上仲裁的結(jié)果，正常工作時如果發(fā)送“1”而讀回“0”，表示本發(fā)送節(jié)點本次ID發(fā)送失敗，需等下一次幀發(fā)送機會。
　　總線空閑時，一個有發(fā)送要求的節(jié)點須先觀察是否有別的節(jié)點已經(jīng)開始發(fā)送，如已開始就不能發(fā)送。正是這里，由一個“0”毛刺開始的時段可以誤解為別的節(jié)點已開始傳送SOF，毛刺阻斷了該節(jié)點的發(fā)送（不管該節(jié)點要傳送的消息優(yōu)先級有多高）。
　　由于傳送電纜延遲以及中間器件（如光隔離）的延遲τ，節(jié)點將見不到提前量τ以內(nèi)發(fā)送的別的節(jié)點的SOF。同理，別的節(jié)點要經(jīng)過τ以后才見到該節(jié)點發(fā)送的SOF，τ以后別的節(jié)點就因總線上已有發(fā)送而不允許發(fā)送了。這樣，在本節(jié)點請求時刻±τ內(nèi)的發(fā)送被認為是“同時”請求發(fā)送，它們將按ID仲裁。對遲于其τ的其他低優(yōu)先級幀的發(fā)送，它也是必然勝出的。
　　3　CAN位時間同步的有關(guān)規(guī)定
　　CAN的位時間分為同步段（Sync）、傳輸段（Tprop）、緩沖1段（Ph1）與緩沖2段（Ph2），位值采樣在Ph1 與Ph2之間。位值變化時將有跳變沿，只有1/0為同步用的跳變沿。跳變沿決定了相位差e，跳變沿在Ph2內(nèi)e為負，在Sync內(nèi)為0，在Tprop和Ph1內(nèi)為正。每個節(jié)點根據(jù)e實行同步，同步的修正量受同步的種類限制。同步分兩種：硬同步與重同步。硬同步對應(yīng)幀開始時的情況，重同步對應(yīng)幀內(nèi)有同步沿時的情況。對重同步而言，每次的修正量不能大于稱為重同步寬度的可預(yù)先設(shè)定的量SJW，SJW=min（Ph1，Ph2）。
　　有關(guān)本文討論內(nèi)容的CAN總線標準為ISO 118981（2003）［9］及ISO 16845（2004）［10］，正是這些條款的規(guī)定保證了CAN總線協(xié)議在高度干擾的環(huán)境下能可靠工作。
　　ISO 118981第10.4.2.2款規(guī)定，節(jié)點只有在總線空閑時可以發(fā)SOF，在服務(wù)間隔第3位（I.M.3）的“0”視為SOF。
　　ISO 118981第12.4.2.1款規(guī)定硬同步在幀間的間隔中實行。而幀間間隔包括服務(wù)間隔和總線空閑，對上次發(fā)送的消極報錯節(jié)點還包括禁發(fā)時間。因此，在I.M.3的跳變沿也是作硬同步用的。
　　ISO 118981第12.4.2.4款規(guī)定，重同步的目的是校正采樣點的位置，e為“+”時延長Ph1，e為“-”時縮短Ph2。校正量在e小于或等于SJW時為e，反之為SJW。
　　ISO 16845第7.7.2款規(guī)定了接收節(jié)點對SOF的硬同步驗證方法意味著同步段SYNC直接同步于1/0跳變沿。
　　ISO 16845第8.7.2.1款規(guī)定了發(fā)送節(jié)點在I.M.3位值采樣點前有1/0沿時的硬同步驗證方法：測試設(shè)備在被測單元I.M.3采樣點前Tq加被測單元內(nèi)部處理時間前發(fā)0，要求被測單元在跳變沿1位后發(fā)ID最高位。這意味著發(fā)送節(jié)點要與I.M.3內(nèi)1/0跳變沿硬同步，0值被采樣，下一位不再發(fā)SOF而是發(fā)ID最高位。
　　ISO 16845第8.7.3.1款規(guī)定了發(fā)送節(jié)點在I.M.3位值采樣點后有1/0沿時的硬同步驗證方法：測試設(shè)備在被測單元I.M.3采樣點后1個被測單元內(nèi)部處理時間后發(fā)0，要求被測單元在跳變沿后1 Tq立即發(fā)SOF。這意味著發(fā)送節(jié)點是硬同步，但開始發(fā)SOF。
　　ISO 118981第4.18和4.16款規(guī)定了發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的定義。發(fā)送節(jié)點指的是發(fā)數(shù)據(jù)幀或遠程幀的節(jié)點，其狀態(tài)維持到仲裁失敗退出或總線再度空閑，否則就是接收節(jié)點。因此總線空閑時遇到毛刺，則大家都是接收節(jié)點。
　　ISO 16845第7.7.9款規(guī)定了接收節(jié)點在總線空閑時對毛刺濾除的驗證方法：要確定對總線空閑時短于Tprop+Ph1-1的0不作SOF處理。也就是說硬同步后未被采樣到就不算作SOF。
　　4　毛刺造成優(yōu)先級倒置
　　4.1　總線空閑時毛刺引起的倒置
　　總線空閑時，局部錯的0毛刺被Tq采樣到，發(fā)送節(jié)點就會按ISO 16845 7.7.2規(guī)定實行硬同步，然后就要按ISO 16845 7.7.9款確定是別的節(jié)點發(fā)送的SOF還是毛刺。如果節(jié)點H在毛刺后Tq有發(fā)送請求ReqH（如圖2所示），它也必須等待Tprop+Ph1以確定總線是否空閑。另一個節(jié)點L如有發(fā)送ReqL，其到H的傳送延遲為τ，只要它能在H的硬同步后的采樣點采到，H就不再有發(fā)送機會。此時H、L請求的時間差為Tprop+Ph1-τ。如果2個節(jié)點靠得很近，τ≈0，那么H甚至無法與比它遲Tprop+Ph1的L競爭。同時它也無法與比它早τ-1的其他節(jié)點的發(fā)送相競爭。針對第1節(jié)中所講的“同時”情況，它已完全無法參與競爭。