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。
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(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。
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(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。
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(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
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(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。
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