layer）涉及到通信在信道上传输的原始比特流设计上必须

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,、物理层,物理层,（,physical layer,）涉及到通信在信道上传输,的,原始,比特流。设计上必须保证一方发出二进制“,1”,另一方收到的也是“,1”,而不是“,0”,。,这里的典型问题是：,（,1,）用多少伏电压表示“,1”,，多少伏电压表示“,0”,；,（,2,）一个比特持续多少微秒；,（,3,）传输是否在两个方向上同时进行；,（,4,）最初的连接如何建立和完成通信后连接如何终止；,（,5,）网络接插件有多少针以及各针的用途。这里的设计,主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下,的物理传输,介质,等问题。,1,2,、数据链路层,数据链路层,（,data link layer,）,的主要任务是加强物,理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现为一条,无错,线路。,发送方把输入数据分装在,数据帧,（,data frame,）,里,（典型的帧为几百字节或几千字节），按,顺序,传送,各帧,，,并处理接收方回送的,确认帧,（,acknowledgement,frame,）,。,因为物理层仅仅接收和传送比特流，并不关心它的,意义和结构，所以只能依赖各链路层来产生和识别,帧边,界,。可以通过在帧的前面和后面附加上特殊的二进制编码,模式来达到这一目的。,如果这些二进制编码偶然在数据中出现，则必须采,取特殊措施以避免混淆。,2,数据链路层要解决由于帧的,破坏,、,丢失,和,重复,所出,现的问题。,传输线路上突发的噪声干扰可能把帧完全破坏掉。,在这种情况下，发送方机器上的数据链路软件必须重传该,帧。然而，相同帧的多次重传也可能使收方收到,重复帧,，,比如接收方给发送方的,确认帧,丢失以后，就可能收到重复,帧。,数据链路层要解决的另一个问题（在大多数层上也,存在）是防止,高速的发送方,的数据把,低速的接收方,“淹,没”。因此需要有某种流量调节机制，使发送方知道当前,接收方还有多少缓存空间。,通常流量调节和出错处理同时完成。,3,如果线路能用于双向传输数据，数据链路软,件还必须解决新的麻烦，即从,A,到,B,数据帧的,确认,帧,将同从,B,到,A,的,数据帧,竞争线路的使用权。,广播式,网络在数据链路层还要处理新的问,题，即如何,控制,对,共享,信道的访问。数据链路层,的一个特殊的子层,介质访问子层,，就是专门,处理这个问题的。,4,3,、网络层,网络层,（,network layer,）关系到子网的运行控制，其中一个,关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择,路由,。路由既可以选,用网络中固定的,静态路由表,，几乎保持不变，也可以在每一次会话,开始时决定（例如通过终端对话决定），还可以根据当前网络的负,载状况，高度灵活地为每一个分组决定路由。,如果在子网中同时出现过多的分组，它们将相互阻塞通路，形成瓶颈。此,类拥塞控制也属于网络层的范围。因为拥有子网的人总是希望他们提供的子网服,务能得到报酬，所以网络层常常设有,记账功能,。最低限度，软件必须对每一个顾,客究竟发送了多少分组、多少字符或多少比特进行记数，以便于生成账单。当分,组跨越国界时，由于双方税率可能不同，记账则更加复杂。,当分组不得不跨越一个网络以到达目的地时，新的问题又会,产生。第二个网络的寻址方法可能和第一个网络完全不同；第二个,网络可能由于分组太长而无法接收；两个网络使用的协议也可能不,同等。网络层必须解决这些问题，以便,异种网络能够互联,。,在广播网络中，选择路由问题很简单。因此网络层很弱，甚至,不存在。,5,4,、传输层,传输层,（,transport layer,）的基本功能是从,会话层,接收数据，并且在必要时把它分成,较小的单元,，传递给,网,络层,，并确保到达对方的各段信息正确无误，而且，这些,任务都必须高效率地完成。从某种意义上讲，,传输层,使,会,话层,不受硬件技术变化的影响。,除了将几个,报文流,多路复用,到,一,条通道上，传输层,还必须解决跨网络连接的建立和拆除。这需要某种命名机,制，使机器内的进程可以讲明它希望与谁会话。另外，还,需要一种机制以调节通信量，使高速主机不会发生过快地,向低速主机传输数据的现象。这样的机制称为,流量控制,（,flow control,），在,传输层,（同样在其它层）中扮演着,关键角色。,6,5,、会话层,会话层,（,session layer,）允许不同机器上的用户建,立会话（,session,）关系。,一种与会话有关的服务是,令牌管理,（,token manag-,ement,）。,另一种会话服务是,同步,（,synchronization,）。如果,网络平均每小时出现一次大故障，而两台计算机之间要进,行长达两小时的文件传输时该怎么办呢？每一次传输中途,失败后，都不得不重新传输这个文件。而当网络再次出现,故障时，又可能半途而废了。为了解决这个问题，会话层,提供了一种方法，即在数据流中插入,检查点,。,每次网络,崩溃后，仅需要重传最后一个检查点以后的数据。,7,6,、表示层,表示层,（,presentation layer,）完成某些特定的功,能，由于这些功能常被请求，因此人们希望找到通用的解,决办法，而不是让每个用户来实现。值得一提的是，,表示,层以下的各层只关心,可靠,地传输比特流,，,而,表示层,关心的,是所传输的信息的,语法,和,语义,。,表示层服务的一个典型例子是用一种大家一致同意,的,标准方法,对,数据编码,。大多数用户程序之间,并不是交换,随机的比特流,，而是诸如人名、日期、货币数量和发票之,类的信息。这些对象是用,字符串,、,整型,、,浮点数,的形式，,以及由几种简单类型组成的,数据结构,来表示的。不同的,机器有不同的代码来表示字符串（如,ASCII,和,Unicode,）,、整型（如二的反码和二的补码）等。,8,7,、应用层,应用层（,application layer,）包含大量人们普遍需要的协议。,例如，世界上有成百种不兼容的终端型号。如果希望一个全屏幕编,辑程序能工作在网络中许多不同的终端类型上，每个终端都有不同,的屏幕格式、插入和删除文本的换码序列、光标移动等，其困难可,想而知。,解决这一问题的方法之一是定义一个抽象的,网络虚拟终端,（,network virtual terminal,），编辑程序和其它所有程序都面向该,虚拟终端。而对每一种终端类型，都写一段软件来把网络虚拟终端,映射到实际的终端。例如，当把虚拟终端的光标移到屏幕左上角,时，该软件必须发出适当的命令使真正的终端的光标移动到同一位,置。所有,虚拟终端软件,都位于,应用层,。,另一个应用层功能是,文件传输,。不同的文件系统有不同的文件,命名原则，文本行有不同的表示方式等。不同的系统之间,传输文件,所需处理的各种不兼容问题,，也同样属于应用层的工作。此外还有,电子邮件、远程作业输入、名录查询和其它各种通用和专用的功,能。,9,第,3,章,CAN,总线,1,、,CAN,总线的应用及技术特点；,2,、,CAN,总线的技术规范,CAN 2.0A,和,CAN2.0B,（,CAN,技术规范是设计、开发和使用,CAN,总线节点,/,系统的前提和基础）；,3,、,CAN,总线的基本技术问题；,4,、独立,CAN,控制器,SJA1000,和,CAN,控制器接口,PCA82C250,。,10,3.1,概述,控制器局域网,CAN,是,20,世纪,80,年代德国,Bosch,公司,为解决众多的测量控制部件之间的数据交换问题而开发的,一种串行数据通信总线。,在第,1,章中已指出，,CAN,已成为国际标准,ISO11898,和,ISO11519,。,CAN,在汽车电子系统中得到了广泛应用，已成为世,界汽车制造业的,主体行业标准,，代表着汽车电子控制网络,的主流发展趋势。,世界上一些著名的汽车制造厂商，如,BENZ,（奔驰）,、,BMW,（宝马）、,PORSCHE,（保时捷）、,ROLIS-,ROYCE,（劳斯莱斯）、,JAGUAR,（美洲豹）和,MAZDA,（马自达）等都已采用,CAN,总线来实现汽车内部控制系统,与各检测及执行机构间的数据通信网络。,11,CAN,总线采用了许多新技术及独特的设计，与其他现场总线,相比，具有突出的,可靠性,、,实时性,和,灵活性,，其技术特点如下,:,(1),CAN,从本质上讲是一种,多主,或,对等,网络，网络上任一节点均,可主动发送报文（报文能否发送到总线上取决于总线是否,空闲,和报,文的优,先级,）。,(2),废除了传统的,站地址编码,，而代之以对通信数据进行编码；通过,报文过滤,，可实现点对点、多点播送（多点传送）、广播等几种数,据传送方式。,(3),采用,短帧,结构（对于标准格式的,数据帧,，最短为,44,位，最长为,108,位（不计填充位），,传输时间短，受干扰概率低,。,(4),具有,多种检错措施,及相应的处理功能（位错误和位填充错误检,测、,CRC,校验、报文格式检查和应答错误检测及相应的错误处,理），检错效果极好，处理功能很强，保证了通信的,高可靠性,。,(5),通信介质（媒体）可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。,12,(6),总线长度可达,10km,（速率为,5kbps,及其以下）；网络速度可达,1Mbps,（总线长度为,40m,及其以下）。,(7),网络上的节点数主要取决于,总线驱动电路,，目前可达,110,个；标,准格式的,报文标识符,（,11,位），而扩展格式的报文标识符（,29,位）,的个数几乎不受限制。,(8),通过,报文标识符,来定义,节点,报文的,优先级,。对于实时性要求不同,的节点报文，可定义不同级别的优先级，从而保证高优先级的节点,报文得到优先发送。,(9),采用,非破坏性逐位仲裁机制,来解决总线访问冲突，当多个节点同,时开始向总线发送报文时，,通过逐一比较发送位与监听到的位，发,送较低优先级报文的节点会主动停止发送，而发送最高优先级报文,的节点会不受任何影响地继续发送，,从而使总线,冲突仲裁时间,降至,最低。采用这种非破坏性逐位仲裁机制，即使在网络负载很重时，,也不会出现网络瘫痪现象。,(10),发生严重错误的节点具有,自动关闭输出,的功能，即从逻辑上自,动,脱离,总线，以使总线上其他节点的通信能够继续进行。,13,3.2 CAN,技术规范,CAN,技术规范包括,A,和,B,两部分。,2.0A,给出了曾在,CAN,技术规范版本,1.2,中定义,的,CAN,报文格式。,随着串行通信进入更多应用领域，要求各种,应用领域通信功能报文标识符标注的标准化，如果,由原有,11,个标识符定义地址范围加以扩展，,CAN,对于这些应用服务将更加周到。因而，引入了第二,种报文格式（扩展格式），它可以提供由,29,位定,义的更大地址范围。,2.0B,给出了标准的和扩展的两种报文格式。,14,3.2.1 CAN,技术规范,2.0A,3.2.1.1,CAN,节点,的,分层结构,CAN,技术规范的目的是使任意两个,CAN,执行,过程达到兼容。,为使设计透明和执行灵活，,CAN,划分为不同,层次：,CAN,对象层,（,Object Layer,）、,CAN,传送,层,(Transfer Layer),和,物理层,(Physical Layer),。,对象层,和,传送层,包含由,ISO/OSI,模型定义的,数据链路层,的所有服务和功能。,CAN,节点的分层结构如图,3-1,所示。,15,CAN2.0A,技术规范的范围是定义,传送层,和与,CAN,有关的,外层,。,传送层,把接收到的报文呈现给,对象层,，并接,受来自,对象层,的报文以便发送。,传送层,负责位定时和同步、报文成帧、仲,裁、应答、错误检测和标注以及故障界定。它是,CAN,协议的,核心,。,对象层,涉及报文过滤及状态和报文处理。,物理层,定义信号怎样被实际发送。在这部分,技术规范中未定义物理层，以便允许的发送媒体和,信号电平为其应用而进行优化。,16,报文,（,Messages,）以不同的固定格式而发送有限长度的信,息。,信息路由,(Information Routing),在,CAN,系统中，一个,CAN,节,点不使用有关系统配置的任何信息（例如站地址）。这里包含一些,重要概念：,系统灵活性,（,System Flexibility,）,节点可添加到,CAN,网,络上，而不要求任何节点的软件或硬件以及应用层有任何改变。,报文路由,(Message Routing) ,一个报文的,内容,由一个,标,识符,ID,命名。,ID,并不指明报文的目的，但描述数据的含义，以便网,络中的所有节点有可能借助报文过滤决定该数据是否由它们接收。,多点传送,（,Multicast,）,作为报文过滤概念的结果，任何,数目的节点均可接收同一个报文，并且同时按该报文的要求作,出响应。,数据一致性,(Data Consistency),在,CAN,网络内，可以确,保一个报文同时被所有节点或者没有节点接收。因此，系统的数据,一致性是借助于多点传送概念和错误处理达到的。,位速率,(Bit Rate) CAN,的数据传输速度,在不同系统中是不同,的,。然而，,在一个给定系统中，位速率是唯一的，并且是固定的,。,17,优先权,(Priorities),在总线访问期间，标识符,ID,为报文定义了一个,静态的优先权。,远程数据请求,(Remote Data Request),通过发送一个,远程帧,，一,个需要数据的节点可以请求另一个节点发送一个相应的,数据帧,，该,数据帧和相应的远程帧以相同的标识符,ID,命名。,多主站,(Multimaster),当总线开放时，任何单元均可开始发送一个,报文。具有要发送的最高优先权报文的单元赢得总线访问权。,仲裁,(Arbitration),当总线开放时，任何单元均可开始发送一个报,文，若有,2,个或更多的单元同时开始发送报文，总线访问冲突借助,标识符,ID,进行,逐位仲裁,来解决。这种仲裁机制可以使信息和时间均,无损失。若具有相同标识符,ID,的一个数据帧和一个远程帧同时启,动，数据帧优先于远程帧。,仲裁期间，每一个发送器都将发送的位电平与在总线上监视到,的电平进行比较。若相同，则该单元可以继续发送。当发送一个,“隐性”电平（,Recessive Level,），而监视到一个“显性”电平,（,Dominant Level,）时，该单元丢失仲裁，并且必须退出而不再,发送后续位。,18,安全性,(Safety),为获得尽可能高的数据传送安全,性，在每个,CAN,节点中，均设有错误检测、标定,和自检的强有力措施。为检测错误，采取的措施,包括：监视（发送器对发送的位电平与总线上监,视到的位电平进行比较）、循环冗余检验、位填,充和报文格式检查。,错误检测机制具有下列特性,：,所有全局性错误均可被检测；发送器的所有,局部错误均可被检测；一个报文中的多达,5,个随机,分布错误均可被检测；一个报文中长度小于,15,的,突发性错误均可被检测；一个报文中的任何奇数,个错误均可被检测。对于未检出的已损报文的剩,余错误概率小于,4.710,-11,。,19,错误标注和恢复时间,(Error Signaling and Recovery,Time),已损报文由检出错误的任何节点进行标注。这样,的报文将被丢弃，并自动进行重新发送。自检出错误至,下一个报文开始发送的恢复时间，如果不存在新的错,误，最多为,29,个位时间。,故障界定,(Fault Confinement) CAN,节点有能力识别短,暂扰动和永久性故障。故障节点将被关闭。,连接,(Connections) CAN,串行通信链路是一条总线众多,单元均可连接到该总线上。理论上，,单元数目是无限,的,；实际上，单元总数受限于延迟时间和,/,或总线上的电,气负载。,单通道,(Single Channel),总线是由传送数据位的单通道,组成的。从数据中可获得重同步信息。在本技术规范,中，实现这种通道的方法不是固定的，例如可以是单线,（加接地线）、两条差分线、光纤等。,20,总线数值,(Bus Values),总线可以具有两种互补逻辑数值之一：,显,性,电平或,隐性,电平。,在“显性”和“隐性”位同时发送时，结果的总线数值将是“显,性”。例如，在总线的“线与”操作情况下，“,显性,”电平由逻辑“,0”,表,示，而“,隐性,”电平由逻辑“,1,”,表示。在本技术规范中，未给出表示,这些逻辑电平的物理状态（例如电压，光）。,应答,(Acknowledgment),所有接收器均对接收报文的一致性进行检,查，回答一个一致报文，并标志一个不一致报文。,睡眠方式,/,唤醒,(,Sleep Mode/Wake-up),为降低系统功耗，,CAN,器,件可被置于无任何内部活动的睡眠方式，相当于未连接的总线驱动,器。借助于任何总线活动或者系统的内部条件而唤醒时，睡眠方式,即告终结。当唤醒时，内部活动重新开始，然而在总线驱动器再次,置于“在线”状态前，传送层将等待系统振荡器至稳定状态，并且一,直等待至其自身同步于总线活动（通过检查,11,个连续的“隐性”,位）。为唤醒系统内仍处于睡眠状态的其它节点，可使用具有最小,可能性的专用标识符（,rrr rrrd rrrr,其中，,r,为隐性位，,d,为显性,位）的特殊唤醒报文。,21,