Vorlesung "Struktur von Mikrorechnern" (CBS)

Transkript

1 6 Der CAN-Bus Inhaltsverzeichnis Kapitel 6 Kap.6 / 22 min Hierarchische Organisation eines Produktionssystems Requirements MByte Datenverarbeitungssysteme - sind meist hierarchisch organisiert - schließen Computer unterschiedlicher Leistungsklassen und Betriebssysteme ein (heterogene Systeme) sec 0 KByte Factory Level PPS CAD Factory-Bus; e. g. MAP, TOP 0, sec 0 ms ms 0, KByte Byte Bit Fieldbus Level Cell-Bus; e. g. MAP- Baseband Sensor/Actuator- Bus Level Cell Level Main Control Level Cell Control Production Main Control Ctrl Input Tools Control Tools Control CTRL CTRL CTRL CTRL CTRL CTRL CTRL CTRL CTRL CTRL CTRL CTRL CTRL CTRL CAM RC DNC CAQ Production Control Fieldbus; e.g. FIP PROFI- BUS, Bitbus, CAN, Interbus S Sensor/ Actuator-Bus; e.g. ASI,CAN Kap.6 2 / 22 Dr. R. Viga / EMK 2004

2 Beispiel eines verteilten Systems * 20 << >> * 25 * 30 Process Interface Process Interface F 2 F 4 F F 3 Display Module Application Process System Function Application Process Sensor Module Communication System Kap.6 3 / 22 Multi-Master Master BUS Organisation Konventionelle Anlagenverdrahtung Sensoren/Aktoren Unterschied zwischen CAN- Vernetzung und einem Master-Slave-System bzw. konventioneller fester Verdrahtung Busverdrahtung Controller Area Network (CAN) ist ein Feldbus, der entwickelt wurde, um intelligente Kontroller-Einheiten, in einer Multimaster-Anordnung miteinander zu vernetzen Sensoren/Aktoren Kap.6 4 / 22 Dr. R. Viga / EMK

3 CAN-Charakteristika Charakteristika Die Entwicklung des CAN-Bus begann 983 bei Bosch. 989 bot Phillips den ersten BASIC-CAN-Chip mit folgenden Eigenschaften an: - Serielle Übertragung bis zu Megabit/Sekunde - Real-Time-Fähigkeit - Multi-Master-Architektur - CSMA/CA (carrier sense multiple acess / collision avoidance) - Prioritäts-Buszugriff - Vernetzung bis zu 40 m-bus-länge bei höchster Übertragungsrate, bis zu m bei niedrigster Übertragungsrate Heute hat der CAN-Bus inzwischen eine breite Anwendung zur datentechnischen Vernetzung von Funktionseinheiten im Fahrzeug-Bereich (Automotive) gefunden. Kap.6 5 / 22 Elektrische Verbraucher und Funktionen in PKW s: Historischer Überblick Battery (6 V) Battery (6 V) Battery (2 V) Battery (2 V) Battery (42 V/2 V) Starter/Alternator Starter/Alternator Starter/Alternator Starter/Alternator Starter/Generator Horn, Lights, Radio Horn, Lights, Radio Horn, Lights, Radio Horn, Lights, Radio Window Wipers, Fan Window Wipers, Fan Window Wipers, Fan Door Locks, ABS Brakes, Transmission Control, Engine Control Door Locks, ABS Brakes, Transmission Control, Engine Control By-Wire Technology, Integrated Starter/Generator, DVD Player, Satellite Navigation, Highway Guidance Systems, Heated Windshields, Tire Pressure Monitors, Smarter Airbags, Continuous Variable Transmission (CVT) Kap.6 6 / 22 Dr. R. Viga / EMK

4 Elektrische Verbraucher und Funktionen in PKW s: Vernetzte Funktionen Klimasteuerung Komfort-, Sicherheits- und Karosseriebereich (CAN-B) Türsteue- Steuerpanel rung links Lichtsteuerung Instrumente Zentr. ECU + Gateway Antriebsstrang (CAN-C) Motorsteuerung Fahrzeugdynamik Lenkradsteuerung Türsteuerung rechts Sitzsteuerung Multifkt.- lenkrad Getriebesteuerung Stellmotorsteuerung Subbus (LIN) Sonnendach Lichtweitenstrg. Multifkt.- Display Klimapanel Scheibenwischer Subbus (LIN) Telefon Radknotenstrg. hinten Radknotenstrg. vorn Stand-by- Heizung Türfernöffnung Lüftersteuerung Parkabstandstrg. Navigation Pedalknotenstrg. Airbag Wasserpumpenstrg. CD Radio HiFi DSP Sicherheitsbereich (TTP/C) TV Tuner Video Video Mod. Monitor Unterhaltung und Telematik (D2B, MOST) Speziell im PKW-Bereich: unterschiedlichste Busteilnehmer hinsichtlich Übertragungsrate und Echtzeitanforderungen Kap.6 7 / 22 Nutzung der CAN-Schichten Drei Schichten können mit CAN gekennzeichnet werden: - die (CAN-) Objektschicht entspricht ISO/OSI s - die (CAN-) Übertragungsschicht Datenübertragungsschicht - die (CAN-) physikalische Schicht Applikationsschicht (application layer) Objektschicht (object layer) - Nachrichtenfilterung (message filtering) - Nachrichten- und Status- Handhabung (message and status handling) Datenübertragungsschicht (data link layer) LLC (Logical Link Control) - Akzeptanzfilterung (acceptance filtering) - Überlastungsbenachrichtigung (overload notification) - Wiederherstellungsmanagement (recovery management) nach CAN-Spezifikation nach ISO/OSI (geeignet zum Vergleich mit Anderen z. B. Ethernet) Kap.6 8 / 22 Dr. R. Viga / EMK

5 Nutzung der CAN-Schichten Übertragungsschicht (transfer layer) - Fehlerbeschränkung (fault confinement) - Fehlererkennung und -Signalisierung (error detection and signalling) - Mitteilungen Gültigkeitsprüfung (message validation) - Bestätigung (acknowledgement) - Zugriffsschlichtung (arbitration) - Mitteilungsrahmen (message framing) - Übertragungsrate und Timing (transfer rate and timing) Physikalische Schicht (physical layer) - Signal-Pegel und Bit Darstellung (signal level and bit representation) - Übertragungsmedium (transmission medium) MAC (Medium Access Control) - Daten-Verkapselung/-Entkapselung (data encapsulation/decapsulation) - Rahmencodierung (Packen/Entpacken) (frame coding, stuffing/destuffing) - "Medium Access" Management - Fehlererkennung (error detection) - Fehlersignalisierung (error signalling) - Bestätigung Seriell- /Parallelwandlung (acknowledgement serialization/deserialization) Physikalische Schicht (physical layer) - Bit Codierung (bit encoding/ decoding) - Bit-Zeitmessung (bit timing) - Synchronisierung (synchronisation) nach CAN-Spezifikation nach ISO/OSI (geeignet zum Vergleich mit Anderen z. B. Ethernet) Kap.6 9 / 22 Prinzip der Kollisionsvermeidung (CA) Der CAN unterscheidet die Bus-Pegel '0' 0 V und '' 5 V, wobei '0' dominant ist (im Gegensatz zur rezessiven ''). Die Schlichtung zwischen zwei gleichzeitig zugreifenden Busteilnehmern (Bus- Arbitrierung) erfolgt dabei schaltungstechnisch in der gezeigten Weise: U U 2 Ua U U 2 U a Keine Entscheidung 0 0 U dominant 0 0 U 2 dominant Keine Entscheidung Eine '0' setzt sich somit bei gleichzeitiger Sendung (U, U 2 ) gegen eine '' durch. Das CAN-Objekt (identifier) das bei ansonsten gleicher Objektadresse als erstes ein '0'-Bit sendet, erhält den Buszugriff (darf weiter senden); alle weiteren Busteilnehmer müssen ihre Sendung unterbrechen. Kap.6 0 / 22 Dr. R. Viga / EMK

6 Bit-Füllung zur Aktivitätskennzeichnung Zur Vermeidung langer '0'- bzw. ''-Folgen (interpretierbar als fehlende Busaktivität) wird Bit-Füllung (sog. bit stuffing) verwendet. SENDER zu sendende Bitfolge vor Bitstuffing Der Empfänger ignoriert 6. Bit nach Folge von fünf "Nullen" oder "Einsen" Buszeit- Verlängerung BUS gesendete Bitfolge nach Bitstuffing Nach fünf identischen Bits wird ein inverses Bit eingefügt. STUFF BITS EMPFÄNGER empfangene Bitfolge nach Destuffing Kap.6 / 22 Datenrahmen INTERFRAME SPACE rezessiv dominant remote transmission request DATA FRAME Start of Frame Identifier Field RTR Control Field Data FIeld 0-8 Byte CRC Sequence cyclic redundancy code CRC Del ACK Slot ACK Del End of Frame 7 INTERFRAME SPACE ITM 3 Bus Idle Bitstuffing - Bereich jede Übertragung beginnt mit einer '0' zur Synchronisation enthält Datenlängencodierung! delimiter (immer '') intermission Aufteilung der Bit-Zeit nominale Bitzeit (hier: µs) gliedert sich in vier Zeitsegmente Nominal Bit Time µs Sync_Seg Prop_Seg Phase_Seg Phase_Seg2 Buspegel wird vom jedem Busteilnehmer zum Abtastzeitpunkt (Sample Point) überprüft Sample Point Timing wird durch Variation von Phase_Seg und Phase_Seg2 angepasst Kap.6 2 / 22 Dr. R. Viga / EMK

7 Worst-Case Case-Fall bei Signallaufzeiten ungünstigste Situation bei Kommunikation der am weitesten entfernten Busteilnehmer N und M max. Entfernung CAN-Busleitung Transceiver Transceiver Arbitrierung "kollidierender" Objektadressen erfordert Abstimmung der Bitlaufzeiten weit entfernter Busteilnehmer => Abtastung des Bus-Pegels durch N nicht vor Ablauf der doppelten Signallaufzeit zu M Output Driver Input Comp. Knoten N T d T d Output Driver Input Comp. Knoten M Signalausbreitungsgeschwindigkeit V Ltg. auf Zweidrahtleitungen beträgt ca. 0,2 m/ns (entspricht 5 µs/km) => Ableitung von Laufzeitdiagrammen möglich Aufschalten rezessives Bit durch Knoten N Signal von Knoten N erreicht Knoten M; Aufschalten dominantes Bit durch Knoten M Signal von Knoten M erreicht Knoten N T d Max. Signallaufzeit zwischen zwei Netzknoten inklusive elektrischer Schaltzeiten Kap.6 3 / 22 Laufzeitdiagramm: Abhängigkeit der maximalen Baudrate von der Netzausdehnung Datenrate / kbit/s Leitungslänge / m Kap.6 4 / 22 Dr. R. Viga / EMK

8 Die Übertragungsschicht bildet den Kern des CAN-Protokolls und ist verantwortlich für die Bit-Zeitmessung/Synchronisierung, den Mitteilungsrahmen, die Arbitrierung, etc. Mitteilungen Informationen werden als Kommunikationsobjekte mit festem Format gesendet. Wenn der Bus frei ist, kann eine beliebige Einheit mit der Sendung einer neuen Mitteilung beginnen. Informations-"Routing" Der Inhalt einer Mitteilung wird durch eine Objektadresse gekennzeichnet. Sie beschreibt die Bedeutung der Daten (keine Adresse im herkömmlichen Sinn). Alle Busteilnehmer im Netzwerk entscheiden durch die Mitteilungsfilterung, ob sie aufgrund der Daten angesprochen sind oder nicht (Multicasting). Die Objektadresse legt auch eine Mitteilungspriorität fest. Kap.6 5 / 22 Arbitrierung auf der Signalebene INTERFRAME SPACE IDENTIFIER rezessiv STATION (Identifier = 653 Hex) S O F R T R CONTROL FIELD DATA FIELD dominant Station setzt sich durch Station 2 "verliert" Arbitrierung und schaltet auf Empfang rezessiv STATION 2 (Identifier = 65B Hex) S O F dominant ARBITRIERUNGSPHASE rezessiv BUSPEGEL S O F dominant Kap.6 6 / 22 Dr. R. Viga / EMK

9 Arbitrierung im Zustandsdiagramm Nachricht Senden Warten auf Interframe Space Interframe Space (Bus frei) Empfangsvorgang abgeschlossen Aufschalten SOF Buspegel = aufgeschalteter Pegel Aufschalten des nächsten Arbitrierungsbits Vergleich Buspegel mit aufgeschaltetem Bitpegel SOF aufgeschaltet Bit aufgeschaltet Bitfehler : dominantes Bit rezessiver Buspegel Arbitrierungsverlust: aufgeschalteter rezessiver Pegel dominanter Pegel alle Arbitrierungsbits aufgeschaltet Senden Steuer- und Datenfeld Kap.6 7 / 22 Arbitrierung bei Konkurrenzsituation dreier Teilnehmer S R Identifier O T F R Empfangszustand Fehlerzustand Steuerfeld Byte Datenfeld Teilnehmer Teilnehmer 2 Teilnehmer 3 Station bis 3 beginnen gleichzeitig mit dem Senden Buspegel Station 2 scheidet aus und beendet Übertragung Arbitrierungsphase Station scheidet ebenfalls aus und beendet Übertragung beide unterlegenen Stationen warten auf freien Bus nach aktuellem Datenrahmen Steuerfeld Teilnehmer 3 Steuerfeld Teilnehmer 3 Datenfeld Teilnehmer 3 Station 3 führt die Übertragung fort Datenfeld Teilnehmer 3 Kap.6 8 / 22 Dr. R. Viga / EMK

10 Fehlererkennung Die Erkennung von Fehlern im gesendeten Datenstrom ist über die Rahmenstruktur und spezielle Signaleigenschaften möglich. - Überwachung/Kontrolle: Bit-Pegel/Bit-Level auf dem Bus werden von jedem Sender verglichen mit der Originalnachricht. - CRC (cyclic redundancy code): Eine spezielle Codierungsform erlaubt die Erkennung von Einzel- und Mehrbitfehlern durch redundante Codeerweiterungen. - Bit-Füllung (bit stuffing): Fehlende Füllbits können als Fehler im Datenstrom erkannt werden. - Überprüfung/Kontrolle des Mitteilungsrahmens: Fehlende Pflichtelemente des Übertragungsrahmens (z. B. SOF, CRC-Del, ACK-Del und ITM) können erkannt werden. Kap.6 9 / 22 Fehlererkennung: CRC-Kalkulation Die Reihenfolge der Rahmenüberprüfung wird vom sog. CRC-Generator- Polynom abgeleitet. Bsp.: g(x) = X 5 + X 4 + X 0 + X 8 + X 7 + X 4 + X 3 + (BCH-Code) Die CRC wird abgeleitet von dem entpackten Bitstrom (nach destuffing) aus - Rahmenanfang - Arbitrierungsfeld BCH (Bose Chaudhuri Hocqenghem) - Steuerfeld sind zyklische Blockcodes - Datenfeld und - 5 Nullen (werden später ersetzt durch die Bits des CRC). Das Polynom, das den Bitstrom darstellt, wird durch g(x) dividiert nach Polynomarithmetik (bitweise Arithmetik bzw. Modulo2, d. h. Addition und Subtraktion führen zum selben Ergebnis gemäß bitweiser XOR-Funktion). Erkennungsleistung des Codes: - bis 5 zufallsverteilte Fehler - jede beliebige ungerade Zahl von Fehlern und Fehlerketten bis zur Länge von 5 Fehlern Kap.6 20 / 22 Dr. R. Viga / EMK

11 Beispielrechnung für CRC-Verfahren Senden: 6 H A H 0 H = 00 Rest 00 0 Generatorpolynom H Rest übertragen wird 6A5 H Kap.6 2 / 22 Beispielrechnung für CRC-Verfahren Empfang: 6 H A H 5 H = 00 Generatorpolynom ! Korrekt übertragen Kap.6 22 / 22 Dr. R. Viga / EMK 2004