CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層有哪些部分

CAN（Controller Area Network）總線協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層是CAN通信中至關(guān)重要的一部分，它負(fù)責(zé)在物理層之上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層不僅管理著幀的同步、差錯(cuò)控制、流量控制等關(guān)鍵功能，還通過仲裁機(jī)制確保多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的高效通信。

一、CAN總線協(xié)議概述

CAN協(xié)議最早由德國Bosch公司于1983年提出，旨在解決汽車電子系統(tǒng)中的通信問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，CAN協(xié)議逐漸被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、智能家居等領(lǐng)域。CAN協(xié)議采用多主控制、廣播通信、非破壞性仲裁和錯(cuò)誤檢測與處理等機(jī)制，確保了通信的實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性。

二、數(shù)據(jù)鏈路層的組成

CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層主要由以下幾個(gè)部分組成：

1. MAC子層（媒體訪問控制子層）

MAC子層是CAN協(xié)議的關(guān)鍵組成部分，它主要負(fù)責(zé)將物理層接收到的信號組織成具有實(shí)際意義的信息，并管理錯(cuò)誤控制等傳輸流程。MAC子層的主要功能包括：

• 消息的幀化處理 ：將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝成符合CAN協(xié)議規(guī)范的幀格式。
• 仲裁 ：通過非破壞性仲裁機(jī)制解決多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的沖突。
• 應(yīng)答 ：接收節(jié)點(diǎn)通過應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)數(shù)據(jù)的正確接收。
• 錯(cuò)誤的檢測和報(bào)告 ：檢測通信過程中的錯(cuò)誤，并通過錯(cuò)誤幀向其他節(jié)點(diǎn)報(bào)告。

2. LLC子層（邏輯鏈路控制子層）

雖然CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確劃分LLC子層，但通常我們可以將幀過濾、報(bào)文重發(fā)等邏輯控制功能歸為LLC子層的范疇。LLC子層主要負(fù)責(zé)：

• 報(bào)文過濾 ：通過過濾器對接收的報(bào)文進(jìn)行過濾，只保留感興趣的報(bào)文。
• 報(bào)文重發(fā) ：在檢測到通信錯(cuò)誤或未收到應(yīng)答時(shí)，自動重發(fā)報(bào)文。

三、數(shù)據(jù)鏈路層的功能

1. 幀同步

幀同步是數(shù)據(jù)鏈路層的基本功能之一，用于確保發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)能夠正確識別信息幀的開始和結(jié)束。在CAN信息幀中，幀起始位（SOF）用于標(biāo)識信息幀的開始，而幀結(jié)束位（EOF）則用于標(biāo)識信息幀的結(jié)束。發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送幀起始位來啟動一個(gè)幀的傳輸，接收節(jié)點(diǎn)則通過檢測幀起始位來實(shí)現(xiàn)幀同步。

2. 差錯(cuò)控制

差錯(cuò)控制是數(shù)據(jù)鏈路層的另一個(gè)重要功能，它包括錯(cuò)誤檢測和錯(cuò)誤糾正。CAN協(xié)議采用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）進(jìn)行錯(cuò)誤檢測，以確保數(shù)據(jù)的完整性。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前會生成CRC校驗(yàn)碼，并將其附加到數(shù)據(jù)場之后。接收節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后，會重新計(jì)算CRC校驗(yàn)碼，并與接收到的CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，以檢測數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。如果檢測到錯(cuò)誤，接收節(jié)點(diǎn)會發(fā)送錯(cuò)誤幀來通知其他節(jié)點(diǎn)。

3. 流量控制

流量控制用于防止發(fā)送節(jié)點(diǎn)過快地發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)無法處理。在CAN協(xié)議中，流量控制主要通過仲裁機(jī)制和應(yīng)答機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。仲裁機(jī)制確保了在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，具有較高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)能夠優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)。而應(yīng)答機(jī)制則要求接收節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后發(fā)送應(yīng)答信號，以確認(rèn)數(shù)據(jù)的正確接收。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)未收到應(yīng)答信號，則會認(rèn)為通信失敗并可能重發(fā)報(bào)文。

4. 訪問控制

訪問控制是數(shù)據(jù)鏈路層的另一個(gè)關(guān)鍵功能，它用于協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信。在CAN協(xié)議中，訪問控制主要通過非破壞性仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它們會競爭總線的使用權(quán)。仲裁機(jī)制通過比較仲裁場的值來確定發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。具有較高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而具有較低優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)則需要等待直到高優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

四、CAN信息幀的組成部分

CAN信息幀是CAN協(xié)議中最基本的數(shù)據(jù)傳輸單元，其組成部分包括：

• 幀起始位（SOF） ：標(biāo)識信息幀的開始。
• 仲裁場 ：用于確定發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。仲裁場的長度可以是11位（標(biāo)準(zhǔn)幀）或29位（擴(kuò)展幀），仲裁場的值越小，優(yōu)先級越高。
• 控制場 ：包括遠(yuǎn)程傳輸請求位（RTR）和標(biāo)識符擴(kuò)展位（IDE）。RTR位用于標(biāo)識數(shù)據(jù)幀是遠(yuǎn)程幀還是數(shù)據(jù)幀，IDE位用于標(biāo)識幀是標(biāo)準(zhǔn)幀還是擴(kuò)展幀。
• 數(shù)據(jù)場 ：用于存儲實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)幀的數(shù)據(jù)場長度為0-8字節(jié)，擴(kuò)展幀的數(shù)據(jù)場長度為0-64字節(jié)。
• 校驗(yàn)場 ：包括循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）和CRC界定符。CRC用于檢測數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，CRC界定符用于標(biāo)識CRC校驗(yàn)的結(jié)束。
• 應(yīng)答場 ：包括應(yīng)答插槽和應(yīng)答界定符。應(yīng)答插槽用于接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答信號，應(yīng)答界定符用于標(biāo)識應(yīng)答場的結(jié)束。
• 幀結(jié)束位（EOF） ：標(biāo)識信息幀的結(jié)束。

五、錯(cuò)誤處理機(jī)制

CAN協(xié)議定義了多種錯(cuò)誤類型，包括CRC錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、應(yīng)答錯(cuò)誤、位發(fā)送錯(cuò)誤和位填充錯(cuò)誤等。當(dāng)發(fā)生這些錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)或接收節(jié)點(diǎn)會發(fā)送錯(cuò)誤幀來通知其他節(jié)點(diǎn)。為了防止某些節(jié)點(diǎn)自身出錯(cuò)而一直發(fā)送錯(cuò)誤幀干擾其他節(jié)點(diǎn)通信，CAN協(xié)議還規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的三種狀態(tài)及行為：主動錯(cuò)誤狀態(tài)、被動錯(cuò)誤狀態(tài)和Bus Off狀態(tài)。這些狀態(tài)根據(jù)接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器（REC）和發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器（TEC）的值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

六、總結(jié)

CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層是實(shí)現(xiàn)CAN通信的關(guān)鍵部分，它負(fù)責(zé)在物理層之上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。通過幀同步、差錯(cuò)控制、流量控制和訪問控制等功能，CAN協(xié)議確保了多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的高效、可靠通信。同時(shí)，CAN協(xié)議還提供了完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制來應(yīng)對通信過程中可能出現(xiàn)的各種問題。這些功能和機(jī)制共同構(gòu)成了CAN總線協(xié)議強(qiáng)大的通信能力，使其在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。