谈谈CAN优先级倒置的原因和对策

CAN总线起始于1986年左右，至今仍广泛应用。现在人们对安全的要求已大为提高，所以要不断仔细审视CAN的安全性能。现在已经发现的重要的CAN问题有：在消极报错状态下可能出现等效离线，使节点不能收发的时间相当长［1］；错帧漏检率的估计不准，特别在误码率高时比Bosch CAN2.0数据高多个数量级［2］，在单目的地址时影响数据正确性，在多个目的地址时会影响数据一致性；标准的振荡源精度要求偏低［3］，使误用廉价器件成为可能，影响系统的稳定性；本文发现的优先级倒置的可能性，使调度分析结果的可信度下降；在数据帧倒数第二位的局部错可能引起不一致的接收重复或丢失［4］。所以在FlexRay尚未达到预定目标、无论在可靠性还是价格上能取代CAN以前，对CAN作进一步的改进仍然是非常有意义的。
　　CAN是一种代表性的事件触发通信协议，同时发生的多个通信请求将按照消息的优先级进行无损仲裁，高优先级的胜出。按照消息的优先级进行无损仲裁是CAN原始专利的唯一权利要求［5］。对于低优先级的消息而言，送达时间将受到高优先级消息的阻扰，在高优先级消息为周期性时，最坏送达时间是可以预先计算出的［6］。如果能安排好发送消息的初始相位并作宽松的时钟同步，这个最坏送达时间可以大为减少。事件触发协议的优点是总线带宽可以得到充分利用。另一个优点是高优先级消息可得到迅速发送。但是由于工业环境中普遍存在的电磁干扰，总线上会有毛刺，CAN总线的标准中已考虑到应对方法。现在发现毛刺应对方法可能使节点的同步受到影响，从而损及高优先级消息的发送机会，出现优先级的倒置，动摇了CAN总线的基本性能。
　　1　毛刺的存在
　　车内电磁环境恶劣， ISO 76372/3总结出代表性的传导和辐射干扰。有人专门作了辐射干扰的实验，参考文献［7］的实验中用24 V蓄电池给车内常用的继电器供电（CAN系统供电是独立的），电源线与CAN电缆靠得很近，在电缆线有屏蔽、线长为2 m时，手动开关继电器时可以看到CAN波形上叠加的毛刺，辐射干扰实验结果如图1所示。
　　
　　图1 辐射干扰实验结果
　　实际汽车上也见到CAN总线失效的报告［8］：丰田汽车在经销商产品报告中确认，由任何原因召回的车中发现丢失CAN数据的记录有292宗。毛刺是引起CAN总线出错的可能原因，其具体诱发过程需要仔细分析，不能掉以轻心。
　　2　CAN位时间与消息仲裁原理
　　CAN总线把位时间划分为NBT等分的时间片，称为Tq。CAN总线控制器按Tq对总线上的差分电平进行采样，以决定内部状态。当总线上没有通信时，称为总线空闲，电平差在0~0.5 V，逻辑值为“1”。电平差为0.9 V以上时逻辑值为“0”。 由图1可知，存在“0“毛刺，也存在“1“毛刺。CAN总线驱动器的特性是线与，当“1”和“0”同时发生时，总线的电平为“0”，这便是仲裁功能。一帧开始发送的第一位是“0“，称为SOF，然后是消息的标识符ID。ID代表了消息的优先级，每个节点通过位采样知道总线上仲裁的结果，正常工作时如果发送“1”而读回“0”，表示本发送节点本次ID发送失败，需等下一次帧发送机会。
　　总线空闲时，一个有发送要求的节点须先观察是否有别的节点已经开始发送，如已开始就不能发送。正是这里，由一个“0”毛刺开始的时段可以误解为别的节点已开始传送SOF，毛刺阻断了该节点的发送（不管该节点要传送的消息优先级有多高）。
　　由于传送电缆延迟以及中间器件（如光隔离）的延迟τ，节点将见不到提前量τ以内发送的别的节点的SOF。同理，别的节点要经过τ以后才见到该节点发送的SOF，τ以后别的节点就因总线上已有发送而不允许发送了。这样，在本节点请求时刻±τ内的发送被认为是“同时”请求发送，它们将按ID仲裁。对迟于其τ的其他低优先级帧的发送，它也是必然胜出的。
　　3　CAN位时间同步的有关规定
　　CAN的位时间分为同步段（Sync）、传输段（Tprop）、缓冲1段（Ph1）与缓冲2段（Ph2），位值采样在Ph1 与Ph2之间。位值变化时将有跳变沿，只有1/0为同步用的跳变沿。跳变沿决定了相位差e，跳变沿在Ph2内e为负，在Sync内为0，在Tprop和Ph1内为正。每个节点根据e实行同步，同步的修正量受同步的种类限制。同步分两种：硬同步与重同步。硬同步对应帧开始时的情况，重同步对应帧内有同步沿时的情况。对重同步而言，每次的修正量不能大于称为重同步宽度的可预先设定的量SJW，SJW=min（Ph1，Ph2）。
　　有关本文讨论内容的CAN总线标准为ISO 118981（2003）［9］及ISO 16845（2004）［10］，正是这些条款的规定保证了CAN总线协议在高度干扰的环境下能可靠工作。
　　ISO 118981第10.4.2.2款规定，节点只有在总线空闲时可以发SOF，在服务间隔第3位（I.M.3）的“0”视为SOF。
　　ISO 118981第12.4.2.1款规定硬同步在帧间的间隔中实行。而帧间间隔包括服务间隔和总线空闲，对上次发送的消极报错节点还包括禁发时间。因此，在I.M.3的跳变沿也是作硬同步用的。
　　ISO 118981第12.4.2.4款规定，重同步的目的是校正采样点的位置，e为“+”时延长Ph1，e为“-”时缩短Ph2。校正量在e小于或等于SJW时为e，反之为SJW。
　　ISO 16845第7.7.2款规定了接收节点对SOF的硬同步验证方法意味着同步段SYNC直接同步于1/0跳变沿。
　　ISO 16845第8.7.2.1款规定了发送节点在I.M.3位值采样点前有1/0沿时的硬同步验证方法：测试设备在被测单元I.M.3采样点前Tq加被测单元内部处理时间前发0，要求被测单元在跳变沿1位后发ID最高位。这意味着发送节点要与I.M.3内1/0跳变沿硬同步，0值被采样，下一位不再发SOF而是发ID最高位。
　　ISO 16845第8.7.3.1款规定了发送节点在I.M.3位值采样点后有1/0沿时的硬同步验证方法：测试设备在被测单元I.M.3采样点后1个被测单元内部处理时间后发0，要求被测单元在跳变沿后1 Tq立即发SOF。这意味着发送节点是硬同步，但开始发SOF。
　　ISO 118981第4.18和4.16款规定了发送节点和接收节点的定义。发送节点指的是发数据帧或远程帧的节点，其状态维持到仲裁失败退出或总线再度空闲，否则就是接收节点。因此总线空闲时遇到毛刺，则大家都是接收节点。
　　ISO 16845第7.7.9款规定了接收节点在总线空闲时对毛刺滤除的验证方法：要确定对总线空闲时短于Tprop+Ph1-1的0不作SOF处理。也就是说硬同步后未被采样到就不算作SOF。
　　4　毛刺造成优先级倒置
　　4.1　总线空闲时毛刺引起的倒置
　　总线空闲时，局部错的0毛刺被Tq采样到，发送节点就会按ISO 16845 7.7.2规定实行硬同步，然后就要按ISO 16845 7.7.9款确定是别的节点发送的SOF还是毛刺。如果节点H在毛刺后Tq有发送请求ReqH（如图2所示），它也必须等待Tprop+Ph1以确定总线是否空闲。另一个节点L如有发送ReqL，其到H的传送延迟为τ，只要它能在H的硬同步后的采样点采到，H就不再有发送机会。此时H、L请求的时间差为Tprop+Ph1-τ。如果2个节点靠得很近，τ≈0，那么H甚至无法与比它迟Tprop+Ph1的L竞争。同时它也无法与比它早τ-1的其他节点的发送相竞争。针对第1节中所讲的“同时”情况，它已完全无法参与竞争。