CAN總線如何保障低優(yōu)先級數(shù)據(jù)不被餓死？

電子設(shè)計聯(lián)盟 · 發(fā)表于 2024-11-21 08:00:00

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在仲裁過程中，所有節(jié)點(diǎn)同時監(jiān)視總線信號。

當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)在發(fā)送過程中檢測到總線上的信號與自己發(fā)送的不同（自身發(fā)送“1”卻檢測到“0”），它會立即退出仲裁，轉(zhuǎn)為監(jiān)聽狀態(tài)。

最終，優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)贏得仲裁，成功發(fā)送數(shù)據(jù)。

這種機(jī)制保障了總線的高效利用，但也帶來了低優(yōu)先級幀可能長期無法發(fā)送的風(fēng)險。

在極端情況下，如果高優(yōu)先級幀的發(fā)送間隔小于或等于低優(yōu)先級幀的發(fā)送間隔，低優(yōu)先級幀會持續(xù)在仲裁中失敗。這種情況稱為“總線饑餓”或“優(yōu)先級反轉(zhuǎn)”問題。

例如：高優(yōu)先級幀每5ms發(fā)送一次。低優(yōu)先級幀每10ms發(fā)送一次。

如果兩個幀同時到達(dá)發(fā)送隊列，高優(yōu)先級幀將總是贏得仲裁，導(dǎo)致低優(yōu)先級幀可能永遠(yuǎn)無法發(fā)送。

CAN協(xié)議本身并未直接解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題，因此需要通過系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用層協(xié)議來確保低優(yōu)先級幀的發(fā)送。

但可以通過以下措施解決：
1
時間觸發(fā)通信調(diào)度（TTC）
時間觸發(fā)通信調(diào)度通過預(yù)定義的時間表，確保各個節(jié)點(diǎn)在特定的時間段內(nèi)發(fā)送幀。如下：

周期性幀調(diào)度：定義不同優(yōu)先級幀的發(fā)送周期，確保每幀都有機(jī)會發(fā)送。例如，可以在5ms內(nèi)分配若干時間窗口給高優(yōu)先級和低優(yōu)先級幀。

發(fā)送時間偏移：在節(jié)點(diǎn)內(nèi)引入發(fā)送時間偏移，使得高優(yōu)先級幀和低優(yōu)先級幀發(fā)送時不會總是同時觸發(fā)仲裁。

2
軟件死鎖檢測與重傳機(jī)制
節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的軟件可以檢測低優(yōu)先級幀長時間未成功發(fā)送的情況：如果檢測到幀長期饑餓，可以通過人工增加重發(fā)頻率或強(qiáng)制暫停高優(yōu)先級幀的發(fā)送，給低優(yōu)先級幀留出發(fā)送機(jī)會。
3
動態(tài)優(yōu)先級調(diào)整
某些應(yīng)用層協(xié)議（如CANopen或J1939）允許動態(tài)調(diào)整幀的優(yōu)先級。例如：在低優(yōu)先級幀因饑餓而長期無法發(fā)送時，可以暫時調(diào)高其優(yōu)先級。一旦發(fā)送成功，恢復(fù)其正常優(yōu)先級。
4
CAN FD的應(yīng)用
對于數(shù)據(jù)量較大的應(yīng)用，可以考慮CAN FD（Flexible Data-rate）：通過較大的數(shù)據(jù)負(fù)載能力減少幀數(shù)量，從而降低仲裁沖突概率。結(jié)合時間觸發(fā)模式進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)度。

5
幀合并技術(shù)
在應(yīng)用層中，可以將多個低優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀合并為一個幀，減少仲裁失敗的次數(shù)。

通過協(xié)議層和應(yīng)用層結(jié)合設(shè)計，低優(yōu)先級幀可以被可靠地發(fā)送出去，保證系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性。