作者：Neo
首语
随着人们对汽车功能需求越来越多样化、智能化，汽车的零部件（ECU，Electronic Control Unit）的数量也越来越多、越来越复杂，像自动驾驶、主动安全等功能加入，普通汽车搭载 ECU 数量大约为 50-100 个，而豪华智能汽车的 ECU 数量平均可达到 300 个以上。在如此庞大数量的 ECU 的汽车中，各个 ECU 之间是如何进行信息交换、共同协作，以及 ECU 是如何完成在线升级（OTA，On The Air）的呢？本文将介绍汽车电子中常用的通信协议——控制器局部网（CAN，Controller Area Network）。
CAN 基础概念介绍
CAN 通信技术是由博世（BOSCH）公司于 1986 年开发出面向汽车的一种通信协议，随后通过 ISO-11898 和 ISO-11519 对其进行标准化：
1、ISO-11898：定义了通信速率为 125 kbps～1 Mbps 的高速 CAN 通信标准，属于闭环总线，传输速率可达 1Mbps，总线长度 ≤ 40 米。
2、ISO-11519：定义了通信速率为 10～125 kbps 的低速 CAN 通信标准，属于开环总线，传输速率为 40kbps 时，总线长度可达 1000 米。
CAN 通信网络是欧洲汽车网络的标准协议，在发展过程中，其高性能和可靠性被广泛认可，所以也会被使用在工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备中。
CAN 是异步通信，与 I2C、SPI 这类具有时钟信号线的同步通信协议不同，CAN 通信只有两根信号线 CAN_HIGH 和 CAN_LOW 来组成一对差分信号线，下图是在汽车电子中常见的 ECU 在 CAN 网络的连接图：
差分信号
差分信号又称差模信号，与传统使用单根信号线电压表示逻辑的方式有区别，晶体管-晶体管逻辑电平（TTL）信号就是用的单根信号线的电压值来表示逻辑值，其电平信号规定：+5V 等价于逻辑 1，0V 等价于逻辑 0。而使用差分信号传输时，需要两根信号线，这两个信号线的振幅相等，相位相反，通过两根信号线的电压差值（Vdiff，Voltage Difference）来表示逻辑 0 和逻辑 1，Vdiff=CAN_H-CAN_L。CAN 差分信号如下图所示。
CAN 总线为隐性电平时代表逻辑 1，CAN_H 和 CAN_L 的电平为 2.5V（电位差 Vdiff 为 0V）；
CAN 总线为显性电平时代表逻辑 0，CAN_H 和 CAN_L 的电平分别是 3.5V 和 1.5V（电位差 Vdiff 为 2.0V 左右）。
位时序
前面提到 CAN 是一种异步通信，没有时钟信号线，其通信过程类似串口通信（Serial Communications），CAN 控制器之间通过事先约定好的时序进行通信，但 CAN 通信还会采用位同步（Bit Synchronization）的方式来抗干扰、吸收误差，从而使得 CAN 控制器可以对总线信号进行正确采样，保证正常通信。
CAN 协议把每一个数据位的时序分解成如图 3 所示的 Sync_Seg 段、Prop_Seg 段、Phase_Seg1 段、Phase_Seg2 段，这四段的长度加起来为一个 CAN 数据位的长度。最小的时间单位是 Tq（Time Quantum），一个完整的位由 8-25 个 Tq 组成。
- Sync_Seg（同步段）
若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在 Sync_Seg 段的范围之内，则表示节点与总线的时序是同步的，当节点与总线同步时，采样点（Sampling Point）采集到的总线电平可被认为该位的电平。Sync_Seg 的大小固定为 1Tq。
- Prop_Seg（传播时间段）
这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间。是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。Prop_Seg 段的大小可以为 1-8Tq。
- Phase_Seg1（相位缓冲段 1）
这个时间段主要用来补偿边沿阶段的误差，它的时间长度在重新同步的时候可以加长。Phase_Seg1 段的初始大小可以为 1-8Tq。
- Phase_Seg2（相位缓冲段 2）
这个时间段也是用来补偿边沿阶段误差的，它的时间长度在重新同步时可以缩短。Phase_Seg2 段的初始大小可以为 2-8Tq。
CAN 收发器
ECU 需要从总线中获取 CAN 帧中的信号电平，转化为逻辑电平，也就是将图 2 差分信号中的显性电平和隐性电平转换为对应的逻辑电平 0 和逻辑电平 1，这样在总线中的 CAN 帧就被转换成程序中使用的 CAN 报文了。
这个步骤就是由 CAN 收发器（CAN Transceiver）来完成的，如图 1 ECU 连接图所示，其位于 MCU 和 CAN Network 之间，接收 CAN 总线上的 CAN 帧相关的信号电平并将其转化为逻辑信息电平转发给 CAN 控制器，并且也接收从 CAN 控制器传输过来的逻辑电平信息并将其转化为信号电平传从到 CAN 总线上。
CAN 帧
CAN 有五种帧的类型：数据帧（Data Frame）、远程帧（Remote Frame）、错误帧（Error Frame）、间隔帧（Can Interval Frame）和过载帧（Overload Frame） ，其中最复杂的帧类型为数据帧，其作用是传输数据，数据长度是可变的，一个经典 CAN（Classical CAN）数据帧可传输 0-8 个字节的数据（数据内容长度，不含 CAN 帧的控制信息），而一个 CAN FD（CAN with Flexible Data rate）的可传输的数据长度可达 64 个字节，后文提到的 CAN 为经典 CAN。CAN 帧会因其 ID 位数的不同而不同，以 ID 位数分为两类：标准帧（11 位 CAN Identifier）和扩展帧（29 位 CAN Identifier）。
标准帧
如图 4 所示，一个带有 11 位 CAN Identifier 的帧以 SOF（Start Of Frame）开始，以 EOF（End Of Frame）结束，其中包含五个区域，分别为仲裁区（Arbitration Field）、控制区（Control Field）、数据区（Data Field）、校验区（CRC Field）、应答区（ACK Field）。
- 仲裁区
这个区域包含 CAN Identifier 的[28:18]，总共 11 位，其范围为 0x000-0x7FF，CAN Identifier 的值越小会在 CAN 总线仲裁时拥有更高的优先级（Priority）。RTR 位用来指示该帧是否位远程帧（用来区分没有数据的数据帧和远程帧）。
- 控制区
IDE 位用来指示该帧是否为扩展帧；r0 为保留位；DLC 指示该帧数据区的长度。
- 数据区
这里放着 0-8 个字节需要传输的数据。
- 校验区
CRC（Cyclic Redundancy Check）：循环冗余校验；Delimiter：分隔符。
- 应答区
ACK SLOT：应答槽，发送方会将此位作为隐性电平发送，接收方成功接收后会将此位重写，以此来让发送方知道此帧是否被成功发送。
扩展帧
设计扩展帧的目的是为了完成对更长的 CAN Identifier 的传输，所以扩展帧中的 CAN Identifier 使用到了 ID[28:0]，一共是 29 位，如图 5 所示，扩展帧和标准帧大致相同，只有几个地方有一些小的区别。
SRR 位（Substitute Remote Request）：替代远程请求位
r0/r1 位：保留位
CAN 控制器
虽然有相应的标准来规范 CAN 通信，但是不同的芯片厂商对其功能的具体实现却各不相同，不同点主要在 CAN 外设在芯片中的寄存器设计，各自驱动程序自然也有区别，但在 CAN 总线上发出和接收的 CAN 帧都和标准规定的一致。下面是一些具体的例子来描述 CAN 控制器的大致工作机制。
Cypress Traveo II 系列芯片是英飞凌专为汽车应用设计的 32 位 MCU，其 CAN 控制器支持经典 CAN 和 CAN FD（ISO 11898-1:2015）。收发 CAN 帧时支持多种模式，给应用带来更多可能，方便实现不同的场景需要。
消息区
Traveo II 系列 MCU 的 CAN 控制器具有一块消息区（MRAM，Message RAM），其地址范围与程序运行时使用的 RAM 地址范围是隔离的，也就是说 CAN 控制器用来存储接收/发送的 CAN 帧以及自身的配置信息的 MRAM 和程序规定的堆、栈等 RAM 区域是不冲突的，这样也可以有效避免程序的可能存在的错误导致 CAN 帧的数据被篡改。图 6 是 Trave II MRAM 中关于 CAN 的配置。
从图中可以看出，Traveo II 的 CAN 控制器的 MRAM 的地址是以 32 位对齐的，从上向下看，首先是 CAN ID 的配置信息，根据配置 CAN 控制器中相关寄存器，可将 CAN ID 初始化为 11 位或 29 位，并将不同的 CAN ID 写入不同的区域。
接下来是存储 CAN 帧的关键区域，这里存着 CAN 控制器从总线接收到符合上面已经配置好的 CAN ID 的 CAN 帧、即将要发送的 CAN 帧，从图中可以看出接收/发送时可以使用 FIFO（实际也有 Queue）模式和 Buffer 模式，后面会详细介绍不同的模式的工作方式以及 CAN 帧的内部构造。
接收
前面提到接收有两种工作模式，分别是 FIFO（Queue）和 Buffer，Buffer 模式工作过程简单，一旦有 CAN 帧被 CAN 控制器存入 Buffer 内，相应的中断处理函数就会被触发来处理对应的 CAN 帧。而 FIFO 和 Queue 模式就复杂一些，如图 7 所示，这是一个拥有 8 个 Rx CAN 帧块（英飞凌 Traveo II 官方手册中称为 Rx Element）的 FIFO 区域，不难看出，有两个关键的标志 Get Pos 和 Put Pos，分别用来指示当前 CAN 帧获取位置和下一个 CAN 帧存放位置。此时 FIFO 区域中已经存在了 3 个 CAN 帧等待读取，当驱动程序将 CAN 帧从 MRAM 中读取完毕时，会设置对应寄存器来通知 CAN 控制器，然后 Get Pos 和 Put Pos 会指向同一个 CAN 帧块（为空状态）。
如图 8 所示，这是一个由 CAN 控制器从 CAN 收发器上传来的 CAN 帧的内部构造，这里还是把它称作 Rx CAN 帧块，其内容包含了一些前面讲到的 CAN 数据帧的一些控制位、数据位，还有一些是为了兼容 CAN FD 所预留的，这里只介绍和经典 CAN 的相关内容，CAN FD 的大同小异。
XTD 位：指示该帧为标准帧还是扩展帧，若此位为 0 则该帧是标准帧，ID 中[28:18]是有效 CAN ID，即该帧 CAN ID 为 11 位；若此位为 1 则该帧是扩展帧，ID 中[28:0]全部是有效 CAN ID 内容，即该帧 CAN ID 为 29 位。
RTR 位：用来区分该帧为远程请求帧还是数据帧，若此位为 0 则该帧是数据帧，若此位为 1 则该帧是远程请求帧。
DLC[3:0]：此 4 位数据用来指示该帧含有的数据的字节数，本文只讨论经典 CAN，所以 DLC 规定的范围应该在 0-8 字节。
R2-R3：这两行数据就是数据帧中的数据域中的内容，经典 CAN 最多传输 8 个字节数据，从图中可以看出，这样一个 CAN 帧块最大支持 8 个字节的数据，DB0-DB7。
发送
CAN 控制发送过程就相对复杂一些，因为上层应用可能需要发多种 CAN ID 报文，其报文优先级有高有低，高优先级需要尽快发出，低优先级则可以在缓冲区中等待优先级更高的 CAN 帧发送完，再发出。
如图 9 所示，当同时使用 Tx Buffer 和 Tx FIFO 时，CAN 控制器每次都会扫描这些区域，当前状态下，Tx Buffer 中一个 CAN ID 为 2 的 CAN 帧等待发送，因为它是 Tx Buffer 区域中 CAN ID 最小的，并且比 Tx FIFO 中处于 Get Pos 的这一帧（CAN ID 为 4）小，所以它拥有最高优先级，这一帧将会最先被发出去，第二次 CAN 控制器再次扫描这些区域，发现处于 Tx FIFO 中 Get Pos 的这一帧（CAN ID 为 4）是这些区域中最小的（包括 Tx Buffer），所以第二次将会发送 CAN ID 为 4 的这一帧，如此往复，直到这些区域内的所有 Tx CAN 帧块被全部通过 CAN 收发器转换为信号电平发送到总线上。
如图 10 所示，与 Rx Element 类似，XTD、RTR、ID、DLC 以及 DB0-DB7 的用法与 Rx Element 一致，只有部分内容有不同。
MM[7:0]：Message Marker，这是一个与发送事件（Tx Event）相关的信息。
EFC（Event FIFO Control）位：该位表示该帧是否有将发送事件存在对应的 MRAM 中。
FDF 位：此位用来标识该帧是否为一个 CAN FD 帧。
BRS（Bit Rate Switching）位：当该帧位 CAN FD 帧（即 FDF 为 1 时），此位才有效，决定该帧在发送时是否启用速率切换（Rate Switching），以更高的速度传输。
更多与 Traveo II 发送和接收 CAN 帧相关的细节，大家可以去查阅英飞凌提供的技术手册 TRM。
总结
CAN 通信已经存在了相当长的时间了，其强大的性能和相对高的稳定性让其不仅在汽车领域大显身手，还被广泛用在各种有性能和稳定性有要求的领域，但在人民日益增长的需求下，其缺点被逐渐放大，例如其每一帧的数据负载量较小（每一帧都需要带有 CAN ID 和一些控制信息）、速率有限，好在 CAN FD 的出现，将每一帧可传输的字节数增加至 6 4 字节，并增加了波特率，极大的改进了经典 CAN 通信。
随着时代的变化，大家对新能源车的要求越来越高，更复杂的娱乐功能、高级辅助驾驶、自动驾驶功能等等，CAN 通信在这些功能的就有点力不从心了，现在出现 FlexRay、车载以太网等一些新的通信技术，随着这些有趣的技术快速发展，让我们来看看会发生什么。
