嵌入式Linux下的Socket CAN驱动理解

由于Socket CAN涉及到CAN总线协议、套接字、Linux网络设备驱动等。因此，为了能够全面地了解Socket CAN的原理。我们需要了解以下几个方面的知识点：

(1)CAN总线协议;

(2)Socket原理;

(3)Linux网络设备驱动;

当熟悉以下三个方面的知识点后，我们再去分析基于Linux的Socket CAN的驱动。这样的话理解起来更加容易、易懂。

(4)Socket CAN的驱动;

一、CAN总线协议

由于CAN总线协议的内容太多，作为博文来说，不适宜很详细的讲解。需要深入了解的朋友们可以Google一下。以下只是作些简要的说明。

CAN是ControllerArea Network(控制器局域网)的缩写。CAN通信协议在1986年由德国电气商博世公司所开发，主要面向汽车的通信系统。现已是ISO国际标准化的串行通信协议。根据不同的距离、不同的网络，可配置不同的速度，最高速度为1MBit/s。

CAN被细分为三个层次：

(1)CAN对象层(the object layer);

(2)CAN传输层(the transfer layer);

(3)CAN物理层(the phyical layer);

对象层和传输层包括所有由ISO/OSI模型定义的数据链路层的服务和功能。

对象层的作用范围包括：

(1)查找被发送的报文。

(2)确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文。

(3)为应用层相关硬件提供接口。

传输层的作用主要：

(1)传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。

(2)总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接收报文，均在传输层里确定。

(3)位定时的一些普通功能也可以看作是传输层的一部分。

(4)传输层的修改是受到限制的。

物理层的作用：

在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。当然，同一网络内，物理层对于所有的节点必须是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还是很自由的。

图1 CAN协议所对应的ISO模型

CAN具有以下的属性：

(1)报文(Messages)：简单来说就是具有固定格式的数据包。

(2)信息路由(Information Routing)：即，报文寻找结点的方式。

(3)位速率(Bit rate)：数据位的传输速度。

(4)优先权(Priorities)：即报文发送的优先权。

(5)远程数据请求(Remote Data Request)：通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。

(6)多主机(Multimaster)：总线空闲时，任何结点都可以开始传送报文。

(7)仲裁(Arbitration)：当2个及以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。仲裁是确定哪个单元的具有发送优先权。

(8)安全性(Safety)：CAN的每一个节点均采取了强有力的措施以进行错误检测、错误标定及错误自检。

(9)错误检测(Error Detection)：包括监视、循环冗余检查、位填充、报文格式检查。

(10)错误检测的执行(Performance of Error Detection)

(11)错误标定和恢复时间(Error Sinalling and Recovery Time)：任何检测到错误的结点会标志出已损坏的报文。此报文会失效并将自动地开始重新传送。如果不再出现新的错误，从检测到错误到下一报文的传送开始为止，恢复时间最多为29个位的时间。

(12)故障界定(Fault Confinement)：CAN结点能够把永久故障和短暂扰动区分开来。永久故障的结点会被关闭。

(13)连接(Connections)：CAN串行通讯链路是可以连接许多结点的总线。理论上，可连接无数多的结点。但由于实际上受延迟时间或者总线线路上电气负载的影响，连接结点的数量是有限的。

(14)单通道(Single Channel)：总线是由单一进行双向位信号传送的通道组成。

(15)总线值(Bus value)：总线可以具有两种互补的逻辑值之一：“显性”(可表示为逻辑0)或“隐性”(可表示为逻辑1)。

(16)应答(Acknowledgment)：所有的接收器检查报文的连贯性。对于连贯的报文，接收器应答;对于不连贯的报文，接收器作出标志。

(17) 睡眠模式/唤醒(Sleep Mode / Wake-up)：为了减少系统电源的功率消耗，可以将CAN器件设为睡眠模式以便停止内部活动及断开与总线驱动器的连接。CAN器件可由总线激活，或系统内部状态而被唤醒。

1、CAN总线的报文格式

CAN传输的报文，可分为五种类型：

(1)数据帧：用于发送结点向接收结点传送数据的帧。

(2)远程帧：总线结点发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。

(3)错误帧：任何结点检测到一总线错误就发出错误帧。

(4)过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧(或远程帧)之间提供一附加的延时。

(5)帧间隔：用于将数据帧及远程帧与前面的帧分离开来的帧。

数据帧由7个不同的位场组成：

数据帧有标准格式和和远程格式，以下是其格式表示：

图2 数据帧格式

远程帧由6个不同的位场组成：

远程帧没有数据帧的数据场，以下是其格式表示：

图3 远程帧格式

错误帧用于在接收和发送消息时检测出错误，通知错误的帧。错误帧由错误标志和错误界定符构成。

错误标志包括主动错误标志和被动错误标志两种。

主动错误标志：6个位的显性位，处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志。

被动错误标志：6个位的隐性位，处于被动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志。

错误界定符由8个位的隐性位构成。

错误帧格式如下表示：

图4 错误帧格式

过载帧是用于接收单元通知其尚未完成接收准备的帧。过载帧由过载标志和过载界定符构成。过载帧格式如下表示：

图5 过载帧格式

帧间隔是用于分隔数据帧和远程帧的帧。数据帧和远程帧可通过插入帧间隔将本帧与前面的任何帧(数据帧、远程帧、错误帧、过载帧)分开。过载帧和错误帧前不能插入帧间隔。帧间隔如下图所示：

图6 帧间隔格式

2、CAN总线的仲裁方式

在总线空闲态，最先开始发送消息的单元获得发送权。多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送。即逐位地对比各个结点发出的报文ID。由于线与的关系，显示位“0”可以覆盖隐性位“1”，因此ID最小的节点赢得仲裁，总线上表现为该结点的报文，其他结点失去仲裁，退出发送，转为接收状态。

标准格式ID与具有相同ID的远程帧或者扩展格式的数据帧在总线上竞争时，标准格式的RTR位为显性位的具有优先权，可继续发送。

图7 仲裁方式

3、位填充(BitStuffing)

位填充是为了防止突发错误而设定的功能。位填充的规则如下：

(1)5位连续相同电平之后，必须填充一位反向位，即不允许有6个连续相同位;

(2)SOF之前为总线空闲状态，不需要同步，因此不需要位填充;

(3)CRC之后为固定格式，不允许填充;

(4)由CAN控制器自动实现;

4、CAN的错误处理

CAN控制器检测错误共有以下5种：

(1)位填充错误;

在使用位填充的帧场内，结点如果检测到6个连续相同的位值，则产生位填充错误，在下一位开始时，该结点将发送一个错误帧。

(2)位错误;

在发送期间，结点检测到总线的位值与自身发送的位值不一致时，则产生位错误，在下一位开始时，该结点将发送一个错误帧。

(3)CRC错误;

接收结点计算的CRC码与数据帧本身自带的CRC码不一致，接收结点将丢弃该帧，并在ACK界定符之后发送一个错误帧。

(4)应答错误;

发送结点在ACK Slot位会发送隐性位，同时监听总线是否为显性位，如果是显性位，则表明至少一个节点正确收到该帧;如果是隐性位，将产生ACK错误，发送结点发送一个错误帧。

(5)格式错误;

发送结节在(CRC界定符、ACK界定符、帧结束EOF)固定格式的位置检测到显性位时，将发生格式错误，并发送一个错误帧。

5、CAN总线同步

CAN总线的通信方式为NRZ方式。各个位的开关或者结尾都没有附加同步信号。发送结点以与位时序同步的方式开始发送数据。另外，接收结点根据总线上电平的变化进行同步并进行接收工作。

但是，发送结点和接收结点存在的时钟频率误差及传输路径上的(电缆、驱动器等)相位延迟会引进同步偏差。因此接收结点需要通过同步的方式调整时序进行接收。

同步的作用是尽量使本地位时序与总结信号的位时序一致(本地同步段与总结信号边沿同步)。只有接收结点需要同步;同步只会发生在隐性到显性电平的跳沿。

同步的方式为硬件同步和再同步。