王璐杰 張鳳登 劉魯平 吳俊鵬

摘 要：針對CAN FD總線相較于CAN總線有更高的傳輸速率，但不能精確地限制給定報文的最壞情況響應(yīng)時間問題，從CAN FD報文格式出發(fā)，通過分析影響報文最壞響應(yīng)時間的阻塞因數(shù)，建立CAN FD報文時間響應(yīng)模型并利用可調(diào)度性條件限制報文最壞情況響應(yīng)時間。在模型中采用固定優(yōu)先級的調(diào)度方案，同時提出利用報文截止時間分析報文及系統(tǒng)的可調(diào)度性。實驗使用TrueTime工具箱進行仿真，在波特率為IMbps和SMbps時，各節(jié)點報文響應(yīng)迅速，最壞響應(yīng)時間的值遠遠小于各報文截止期。同125kbps和500kbps傳輸速率下的報文最壞響應(yīng)時間相比，lMbps和SMbps傳輸速率下的報文響應(yīng)較為迅速。實驗結(jié)果能夠充分體現(xiàn)出CAN FD總線在較高的有效傳輸負載和高傳輸速率下的報文傳輸優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：CAN總線;CAN FD;報文響應(yīng)時間;報文傳輸

DOI： 10. 11907/rjdk.192554

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP393

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7800（ 2020）001-0256-06

0 引言

CAN（ Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，是德國Bosch公司20世紀80年代初為解決汽車中大量控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議…，是國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。作為一種技術(shù)先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網(wǎng)絡(luò)通信控制方式，CAN總線已廣泛應(yīng)用于自動化控制系統(tǒng)中。然而，隨著系統(tǒng)復(fù)雜性和通信量的增加，傳統(tǒng)的CAN總線由于帶寬的限制已經(jīng)難以滿足市場應(yīng)用需求。為了進一步提高傳輸速率，CAN總線的升級版-CAN FD（ CAN with Flexible Data-Rate）應(yīng)運而生。因此在2011年，Bosch發(fā)布了CAN的替代總線CAN FD[2]。CAN FD繼承了CAN總線的絕大多數(shù)特性，即沒有改變物理層、采用雙線串行通訊協(xié)議、基于非破壞性仲裁技術(shù)、有可靠的錯誤處理和檢測機制等;并且，CAN FD彌補了CAN總線在總線帶寬和數(shù)據(jù)長度方面的不足。

文獻[3]分析了影響CAN報文響應(yīng)時間的阻塞因數(shù)，即低優(yōu)先級報文的阻塞和高優(yōu)先級報文的延遲。但未給出計算報文最壞傳輸時間Sm的一般公式;文獻[4]分析了計算CAN標(biāo)準幀和擴展幀最壞傳輸時間Sm的一般性公式，但沒有考慮報文釋放抖動;文獻[5]通過分析CAN FD報文幀格式、報文傳輸?shù)淖枞驍?shù)，給出計算報文最壞傳輸?shù)囊话阈怨剑俏纯紤]CAN FD報文在波特率切換時對傳輸時間的影響，也未在不同傳輸速度下進行對比實驗。本文給出了計算報文最壞傳輸時間Sm的一般公式，在考慮到CAN FD報文在波特率切換時對傳輸時間影響的前提下，展開了不同傳輸速率的實驗并進行了實驗結(jié)果對比。

1 CAN FD總線變化

相對于CAN總線，CAN FD總線主要有如下變化：

（1）新數(shù)據(jù)場長度。數(shù)據(jù)場由在數(shù)據(jù)幀中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組成，它在CAN格式幀中包含0-8個字節(jié)，CAN FD對數(shù)據(jù)場的長度作了擴充，CAN FD格式幀中數(shù)據(jù)場包含0-64個字節(jié)。

（2）兩種比特率。CAN FD采用了兩種比特率，從控制場的BRS位到CRC場的界定符為可變速率，當(dāng)?shù)竭_CRC界定符的（第一位）采樣點時，它從數(shù)據(jù)段速率切換回仲裁段速率[2.6-7]。兩種速率各有一套位時間定義寄存器，它們不僅采用了不同的位時間單位（TQ），而且位時間各段的分配比例也可以不同。

（3）新添加位。在CAN FD格式幀中新增加了3個控制位。①EDL：擴展數(shù)據(jù)長度位，它只存在于CAN FD格式幀中，可用來區(qū)分CAN格式幀和CAN FD格式幀，該位為隱性位時表示CAN FD報文，該位為顯性位時表示CAN報文;②BRS：位速率開關(guān)位，該位決定位速率是否在CAN FD格式幀內(nèi)切換。如果該位為隱形位，則比特率從仲裁階段的標(biāo)稱比特率切換到數(shù)據(jù)階段預(yù)配置的替代比特率，如果它為顯性位，則不切換比特率;③ESI：錯誤狀態(tài)指示位，由錯誤主動節(jié)點標(biāo)志顯性，由錯誤被動節(jié)點標(biāo)志隱性。

（4）新CRC算法。CAN FD節(jié)點對不同的格式幀使用不同的CRC生成多項式，CRC_15多項式用于CAN格式的所有幀，CRC_17多項式用于CAN FD格式的幀，數(shù)據(jù)字段為16個字節(jié)，CRC_21多項式用于數(shù)據(jù)字段大于16字節(jié)的CAN FD格式幀。①CRC_15=X15+X'4+X10+X8+X7+X4+X3+1;②C RC_17=X17+X16+X'4+X13+X11+X6+X4+X3+X2+X+1;③CRC_21=X21+X20+X13+X11+X7+X4+X3+1.

（5）新DLC編碼。數(shù)據(jù)場中的字節(jié)數(shù)由DLC指示，其編碼在CAN和CAN FD中不同。1-8字節(jié)的數(shù)據(jù)長度的DLC編碼相同，在CAN FD中有更長的數(shù)據(jù)場，因此有特有的9-64字節(jié)數(shù)據(jù)長度的DLC編碼。DLC編碼方式如表1所示。

（6）遠程數(shù)據(jù)請求。CAN FD格式中沒有遠程幀，但每個CAN FD節(jié)點能夠以標(biāo)準CAN格式發(fā)送遠程幀。

2 CAN FD模型分析

2.1 報文收發(fā)規(guī)則

每當(dāng)總線空閑時，任何節(jié)點均可以發(fā)送報文。如果兩個或多個節(jié)點同時開始發(fā)送報文，則總線通過使用載波監(jiān)聽多路訪問（ CSMAICA）解決訪問沖突。如果同時發(fā)送具有相同標(biāo)示符的數(shù)據(jù)幀和遠程幀，則數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠程幀。在仲裁期間，每個節(jié)點將自己發(fā)送的位電平與總線上監(jiān)視的電平進行比較。如果這些電平相等，則單元可以繼續(xù)發(fā)送。當(dāng)發(fā)送隱性電平（邏輯‘1）并監(jiān)視顯性電平（邏輯‘0）時，該節(jié)點仲裁失敗退出仲裁。

2.1. 1報文有效接收

ACK場包含ACK間隙和ACK界定符。在ACK字段中，發(fā)送器發(fā)送隱性位。已正確接收到有效報文幀的接收器在ACK間隙時發(fā)送一個顯性位重寫發(fā)送器的隱性位以報告這一點。在CAN FD格式中，所有節(jié)點接受重疊ACK位的兩位顯性位作為有效ACK，以補償接收器之間的相移。

報文被認為有效的時間點對于報文發(fā)送器和接收器而言是不同的。如果在“幀結(jié)束”結(jié)束前沒有錯誤，則該報文對發(fā)送器有效。根據(jù)優(yōu)先級報文會自動重傳，在報文被破壞之后。為了能夠與其它報文競爭總線訪問，只要總線空閑，重傳就必須開始。重傳嘗試的次數(shù)可以通過配置被限制到特定值。默認情況下，重傳次數(shù)不受限制。如果在幀結(jié)束的最后一個位之前不出現(xiàn)錯誤，則報文對接收器是有效的。

2.1.2 位流編碼

CAN FD格式幀中[8]的比特流根據(jù)不歸零（NRZ）方法進行編碼。無論何時發(fā)送器在要發(fā)送的比特流中檢測到5個連續(xù)比特的相同值，它自動將極性相反的比特（稱為填充比特）插入到實際發(fā)送的比特流中。接收器將識別相同值5個連續(xù)位的序列，并丟棄填充位。在CAN FD格式幀中，采用新的CRC填充方法[9]。如圖1所示，填充位應(yīng)當(dāng)被插入在固定位置。即使前一個字段的最后一個位不滿足CAN FD填充條件，在CRC序列的第一個位之前也應(yīng)該有固定的填充位。在CRC序列的每4個比特位之后固定插入一個極性相反的比特位。接收器應(yīng)從CRC校驗的比特流中丟棄固定填充比特，如果固定填充比特具有與其前一比特相同的值，則它將檢測填充錯誤。

2.2 調(diào)度理論

目前，常用的可調(diào)度性分析方法有兩種[3]：

（1）基于CPU利用率的分析方法。這種方法首先算出處理器的利用率，繼而使用一個測試條件（與該利用率相關(guān)）去鑒定系統(tǒng)的可調(diào)度性。

（2）基于最大響應(yīng)時間的分析方法。分析過程被該辦法分成兩個階段：分析和判定。分析階段分析每個任務(wù)的最大響應(yīng)時間，判定階段將分析階段得到的任務(wù)最大響應(yīng)時間與該任務(wù)的截止時間相比較。若每個任務(wù)的最大響應(yīng)時間全小于或等于其截止期，那么該系統(tǒng)可調(diào)度。

CAN FD總線上的報文調(diào)度類似于任務(wù)的固定優(yōu)先級調(diào)度。對于最高優(yōu)先級報文的最壞情況響應(yīng)時間，能夠很容易確定并計算，而對于較低優(yōu)先級的報文，不能如此容易地獲得最壞情況響應(yīng)時間，由此產(chǎn)生的一般性問題是，在CAN FD上只有最高優(yōu)先級報文才能得到保證。

2.2.1 任務(wù)模型

為了保證任務(wù)遵守時間約束，實時系統(tǒng)執(zhí)行必須了解任務(wù)的定時特性。

（1）到達規(guī)律。隨著時間的推移，任務(wù)（Ti）激活請求的重復(fù)情況，一般分成4類（見圖2）。①周期性到達：任務(wù)激活請求是周期性的，設(shè)周期為pi;②零星到達：任務(wù)激活請求連續(xù)兩次到達之間存在一個最短時間間隔，該最短到達間隔大于周期pi;③非周期性到達：任務(wù)到達不能以任何規(guī)律表征，可在任何時刻到達，零星任務(wù)是非周期性任務(wù)的一種特殊情況;④到達一個滑動窗口：某個任務(wù)到達一個滑動時間窗口Wi的次數(shù)最多為ni次。洛朗·喬治指出，一個任務(wù)ni次到達一個窗口Wi等同于周期為Wi的ni個獨立的零星任務(wù)，應(yīng)該使用零星模型研究該模型。

（2）激活時刻。任務(wù)激活時刻是指任務(wù)被激活的時間點，當(dāng)把一個特定的激活方案強加給任務(wù)時，任務(wù)被認為是具體的，如果沒有對任務(wù)的激活時刻作出假設(shè)，那么任務(wù)被認為是不具體的。例如，對于周期性到達規(guī)律，研究一個具體任務(wù)模型意味著定義任務(wù)的第一次激活時刻。

（3）執(zhí)行時間。它是指任務(wù)本身在處理器內(nèi)的執(zhí)行時間。一般情況下，最壞情況執(zhí)行時間（Ci）被作為量化參數(shù)，在驗證是否遵守與任務(wù)相關(guān)的時間約束時，將它作為所用方法的一個重要輸入?yún)?shù)。

（4）響應(yīng)時間。它是任務(wù)的激活請求時刻和任務(wù)執(zhí)行結(jié)束時刻之間的時間間隔，其中，最壞情況響應(yīng)時間（Ri）表示任務(wù)的最長響應(yīng)時間。該參數(shù)不僅與所用調(diào)度算法有關(guān)，而且與更高優(yōu)先級任務(wù)引入的時間延遲有關(guān)。任何情況下，Ri≥Ci始終成立。

2.2.2 CAN FD接口

如圖3所示，主機處理器正在將一個報文排列到用于標(biāo)識符“1”的插槽中;標(biāo)識符“4”的插槽已經(jīng)被另一個報文占用[10]。

這些插槽通常作為在處理器之間共享的雙端口存儲器實現(xiàn)。當(dāng)總線空閑時，接口處理器將嘗試發(fā)送報文“1”。對于給定標(biāo)識符，不存在報文隊列：如果在報文“1”正在被發(fā)送時，另一個具有相同標(biāo)識符[5]的報文被排隊，則該時隙中的報文被覆蓋和破壞。其中隱含了周期性排隊報文的截止時間：報文必須在后續(xù)報文排隊之前發(fā)送。

3 CAN FD報文響應(yīng)時間模型分析

基于上述分析，本文對CAN FD報文時間響應(yīng)模型進行分析。CAN FD主要是基于固定優(yōu)先級的總線[11-13]，分配了唯一標(biāo)識符的CAN FD報文。假設(shè)給定報文周期性地排隊（即每隔一段時間，報文源使具有相同大小和相同標(biāo)識符的報文排入隊列）。給定報文在一個站點上的排隊窗口內(nèi)排隊，后續(xù)排隊窗口之間具有最小的時間間隔（報文不必是嚴格周期性的：報文可以是零星的，但報文排隊之間必須有最短時間），如圖4所示。

在實時系統(tǒng)調(diào)度中如果消息響應(yīng)時間小于消息截止時間，則該消息被認為是可調(diào)度的。為了限制CAN FD報文的響應(yīng)時間，本文利用可調(diào)度性條件以限制CAN FD報文最壞情況響應(yīng)時間。響應(yīng)模型由{Jm，Sm，Tm，Dm，Qm）5個時間參數(shù)決定，如圖5所示。

假設(shè)給定報文m的周期為Tm，報文m列隊的釋放抖動時間為Jm，即報文到達和被釋放之間的最壞情況延遲。用bm表示報文中的字節(jié)數(shù)，Sm表示在總線上傳輸報文的最壞情況傳輸時間[15]，由于CAN FD總線上一個報文按照每5個相同極性的比特位之后要添加一個極性相反的比特位，一個報文所能添加的最多填充位即為最壞情況，傳輸這樣一個報文的時間就是最壞傳輸時間，因此.Sm是bm的函數(shù)。Dm為報文m的截止時間，給定報文m的最壞情況響應(yīng)時間用Rm表示。本文采用WCRT（最壞情況響應(yīng)時間）分析網(wǎng)絡(luò)中的延遲時間，主要考慮兩種延遲：排隊延遲和傳輸延遲。

Rm= Qm+ Sm

（1）

其中，Qm是一個報文的阻塞時間，即排隊延遲時間。Qm本身由兩個時間組成：低優(yōu)先級報文帶來的延遲Bm[16]以及報文m最終被傳輸之前所有較高優(yōu)先級報文可能用于排隊和占用總線的最長時間Hm。

當(dāng)一個報文被認為是可以調(diào)度的，需要滿足截止時間要求，即：

Rm≤Dm

（2）

對于最壞響應(yīng)時間，上文提到需要防止報文被覆蓋，已排隊的報文必須在其下一次排隊之前被發(fā)送，因此要滿足下列約束：

由式（1）和式（2）可以得到可調(diào)度報文的響應(yīng)時間（用最壞情況響應(yīng)時間Rm表示）。

為了找出任務(wù)最壞情況響應(yīng)時間，先假設(shè)所有報文在到達時都被釋放[17]，且報文不會暫停。

式（5）中的hp（m）表示比報文m優(yōu)先級高的任務(wù)集合，等式兩邊都出現(xiàn)了Rm通過迭代[18]方法可得式（6）。

其中，Rm =Sm。當(dāng)滿足式（2）時，一個報文被認為是可調(diào)度的，因此如果序列收斂大于截止時間的最壞響應(yīng)時間值是無效的。

但是，實際情況中，報文排隊時會發(fā)生抖動[10]。針對任務(wù)調(diào)度，CAN FD報文響應(yīng)模型的分析中引入釋放抖動[19]和阻塞時間。

其中，lp（m）是所有優(yōu)先級低于m的報文集合。

針對最壞情況傳輸時間，需要考慮最壞情況的位填充場景。位填充的方法對幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場和CRC序列進行編碼。首先是BRS位之前的位填充情況，EDL、r0和BRS位狀態(tài)分別為‘1，‘0，‘1（CAN FD幀在BRS位進行波特率切換，否則為CAN幀），因此有13個比特位受位填充規(guī)則約束。最壞情況的比特位排列按照1111100001111…，此時有3個填充位。其次是BRS位到CRC場之間的位填充，BRS為1并且ESI也可以作為1發(fā)送，需要在最壞情況的比特序列中考慮這兩個附加比特。因此，BRS位到CRC場之間位填充的最大位數(shù)是L6+ 8p/4]=1+2p。最終可以得出具有p個字節(jié)的CAN FD標(biāo)準幀的最壞情況傳輸時間Sm為：

對于CAN FD擴展幀，BRS位之前共有36個比特位，因此可以推出CAN FD擴展幀的最壞傳輸時間為：

4 CAN FD報文響應(yīng)時間模型仿真

4.1 仿真模型

CAN FD總線網(wǎng)絡(luò)由多個CAN FD節(jié)點組成（見圖6），若干個CAN FD節(jié)點通過CAN FD總線收發(fā)器連接在一個網(wǎng)絡(luò)中，通過相互的通訊和協(xié)作完成控制任務(wù)[1]。

在CAN FD總線報文響應(yīng)時間仿真系統(tǒng)中（見圖7），用仿真的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點取代真實網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。仿真實驗所采用的報文如表2所示。

4.2 TrueTime仿真結(jié)果分析

在t=0時刻，同時釋放表2中的所有報文，通過仿真系統(tǒng)可以得到報文在總線上不同的波特率，如125kbps、500kbps、IMbps、5Mbps條件下的響應(yīng)時間，仿真結(jié)果如表3和圖8所示。

在波特率為500kbps時，各節(jié)點報文響應(yīng)較為迅速，雖然各節(jié)點間存在抖動，例如報文6的最壞響應(yīng)時間是2.3ms，報文7的最壞響應(yīng)時間是2.037ms。但是從圖8可以看出，報文6和報文7的最壞響應(yīng)時間小于截止期，因此報文6和報文7滿足可調(diào)度性條件。

在波特率為125kbps時，雖然出現(xiàn)了低優(yōu)先級報文搶先發(fā)送情況，但是從圖8可以看出被低優(yōu)先級報文搶先報文的最壞響應(yīng)時間小于截止期。報文14的最壞響應(yīng)時間為13.93ms，雖然與截止期相差很小，但小于截止期。

在波特率為lMbps和SMbps時，各節(jié)點報文響應(yīng)迅速，最壞響應(yīng)時間的值遠遠小于各報文截止期。同125kb-ps和500kbps傳輸速率下的報文最壞響應(yīng)時間相比較，可以看出lMbps和SMbps傳輸速率下的報文響應(yīng)較為迅速，體現(xiàn)了CAN FD總線在較高的有效傳輸負載和高傳輸速率下傳輸報文的優(yōu)勢。

5 結(jié)語

本文在介紹CAN FD協(xié)議內(nèi)容的基礎(chǔ)上，詳細描述了CAN FD協(xié)議的報文收發(fā)準則;簡述了處理器調(diào)度理論，借鑒調(diào)度理論對CAN FD報文最壞響應(yīng)時間進行了模型建立;在模型基礎(chǔ)上對影響CAN FD報文最壞響應(yīng)時間的因數(shù)進行了詳細分析。本文采用固定優(yōu)先級算法分配報文ID，在不同波特率下對報文最壞情況響應(yīng)時間進行實驗驗證，并得出了具體結(jié)論：在波特率為IMbps和SMbps時，各節(jié)點報文響應(yīng)迅速，最壞響應(yīng)時間的值遠遠小于各報文截止期。同125kbps和500kbps傳輸速率下的報文最壞響應(yīng)時間相比較，可以得出在IMbps和SMbps傳輸速率下的報文響應(yīng)較為迅速。由于CAN FD數(shù)據(jù)段波特率遠高于CAN，可以大大提高總線帶寬利用率，降低總線沖突概率。因此，CAN FD總線更加適合汽車行業(yè)對高速總線的需求。但是本文未考慮報文在傳輸出錯情況下的最壞響應(yīng)時間，也未建立真實的硬件節(jié)點對理論進行驗證，后續(xù)研究中可以搭建真實硬件系統(tǒng)對理論進行驗證。

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（責(zé)任編輯 ：孫娟 ）

基金項目：上海市自然科學(xué)基金項目（ 15ZR1429300）

作者簡介：王璐杰（1994-），男，上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為現(xiàn)場總線、汽車電子;張鳳登（1963-），男，博士，上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院教授，研究方向為現(xiàn)場總線、汽車電子;劉魯平（1992-），女，上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為汽車電子、嵌入式系統(tǒng);吳俊鵬（1993-）.男，上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為現(xiàn)場總線、嵌入式系統(tǒng)。