1 出錯的情況
在CAN協(xié)議2．OA版3．1．3款中提到：為了使報錯幀正確結(jié)束，消極報錯節(jié)點可能需要處于空閑狀態(tài)至少3位的時間(如果消極報錯接收節(jié)點發(fā)生本地錯)，因此總線不應(yīng)滿負荷運行。這是引發(fā)應(yīng)用故障的原因。節(jié)點間并無時間同步，因而即便總線有空閑時間，也不能保證像上述要求那樣的分布。在總線的利用率較低時，掛起待發(fā)的消息將在服務(wù)間隔(intermission，縮寫為I．M．)后立即發(fā)送。這在標準中也有規(guī)定：在另一條消息發(fā)送過程中掛起待發(fā)的消息在服務(wù)間隔后的第一位啟動(發(fā)送)。
現(xiàn)在考慮一種情況：由于電磁干擾，某消極報錯節(jié)點發(fā)生一個本地錯(其他節(jié)點未發(fā)現(xiàn)有錯)，它就發(fā)一個消極報錯標志(P．E．Flag)。因為是隱位，其他節(jié)點對這個消極報錯標志也無響應(yīng)。這一消極報錯幀的報錯標志在數(shù)據(jù)幀ACK分界符后的EOF部分得到確認(如圖1所示)，但是它的消極報錯幀分界符(P．E．Del)延續(xù)到EOF域最后一位以及服務(wù)間隔之后。如果此時有3位的總線空閑時間，那么新幀的開始位(SOF)將是該消極報錯節(jié)點服務(wù)間隔的第一位。按ISO16845標準，此顯位被解讀為對超載幀的請求，由消極報錯節(jié)點發(fā)送的超載幀將引起其他節(jié)點的位填充錯，使它們發(fā)送主動報錯幀。主動報錯幀與超載幀將在總線上疊合，雖然比特流的解釋對該消極報錯節(jié)點和其他節(jié)點而言是不同的，但兩種幀分界符的結(jié)束時刻是一樣的。所有節(jié)點都會在此刻復(fù)位CAN協(xié)議狀態(tài)機的狀態(tài)，使它回到開始服務(wù)間隔的狀態(tài)。這解釋了。BoschCAN協(xié)議的說明。但如果對3位總線空閑時間沒有保證，那又該如何呢?
對報錯幀分界符格式錯的檢查在國際標準化組織(ISO)的標準ISO16845中有明確的規(guī)定：在消極報錯幀分界符中的任何顯位是一種格式錯。第7．5．6款和8．5．13款是對應(yīng)消極報錯接收節(jié)點和消極報錯發(fā)送節(jié)點消極報錯幀分界符格式錯的測試方法，第7．6．12款和8．6．9款是消極報錯節(jié)點消極報錯幀分界符查到格式錯時，接收錯計數(shù)器與發(fā)送錯計數(shù)器增加機制的檢查方法。因此，消極報錯節(jié)點與其他節(jié)點不同步時，另一個節(jié)點開始發(fā)送新消息，其SOF將被該消極報錯節(jié)點視為消極報錯幀分界符內(nèi)的格式錯。它將在其他節(jié)點新幀傳送過程中開始一個新的消極報錯幀，新的消極報錯標志將在其他節(jié)點新幀的EOF部分得到確認，新消極報錯幀分界符再一次延續(xù)到超過其他節(jié)點服務(wù)間隔之后。只要掛起的消息未發(fā)完，這一過程將不斷重復(fù)。在此時間段里，消極報錯節(jié)點不能接收或發(fā)送任何消息，因為它總在不斷發(fā)送消極報錯幀。這延遲了該節(jié)點應(yīng)發(fā)送的消息，而不管消息的優(yōu)先級有多高，也就引起了優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)。由于電磁干擾的隨機性，無法對系統(tǒng)進行調(diào)度分析。這個消極報錯節(jié)點有2種可能的方式退出循環(huán)。如果在后面不斷發(fā)送的新幀的某處出現(xiàn)了主動報錯幀，該消極報錯節(jié)點的消極報錯幀將與主動報錯幀重疊，重復(fù)過程結(jié)束。但在正常應(yīng)用場合中，錯誤是很少發(fā)生的，因此后續(xù)的傳送越正常，該消極報錯節(jié)點等效離線狀態(tài)時間越長。另一個可能是經(jīng)過一些傳送后不再有掛起待發(fā)的幀，總線空閑時間足夠長，正如協(xié)議設(shè)想的那樣，能使消極報錯幀的分界符正常結(jié)束，消極報錯幀分界符格式錯的重復(fù)也就此結(jié)束。
2 可能的情景
除了上述消極報錯接收節(jié)點的本地故障會引起等效離線的失效以外，其他情景下消極報錯節(jié)點也有可能與簇內(nèi)其他節(jié)點丟失狀態(tài)同步。這些情景在三方面超出了Bosch CAN協(xié)議設(shè)計時的設(shè)想：第一，不僅消極報錯接收節(jié)點會丟失同步，而且消極報錯發(fā)送節(jié)點也會丟失同步；第二，在有些場合，為了實現(xiàn)同步，所需的總線空閑時間要更多(至少為10位)；第三，不僅消極報錯節(jié)點的本地錯會引起問題，在少數(shù)場合，主動報錯節(jié)點的本地故障也會引起問題。下面舉一些例子，實際上有問題的情景遠不止這些。
在圖2中，消極報錯接收節(jié)點由于電磁干擾而未能查出總線上的一個全局錯(即漏判性質(zhì)的本地錯)，但是過后它發(fā)現(xiàn)了因其他節(jié)點所發(fā)送主動報錯幀引起的位填充錯，它發(fā)送的消極報錯幀將遲于其他節(jié)點的主動報錯幀結(jié)束，因此丟失了同步。
在圖3中，消極報錯接收節(jié)點在EOF域中發(fā)生誤判性質(zhì)的本地錯。
它的消極報錯幀不會被其他節(jié)點看到，因而它們以正常方式結(jié)束收發(fā)。消極報錯節(jié)點的消極報錯幀要遠遲于其他節(jié)點的結(jié)束時刻結(jié)束，在此情況下，為使消極報錯節(jié)點能同步，最少要有10位的總線空閑時間。當總線有10位空閑時間時，新幀的SOF會被消極報錯節(jié)點看作超載幀的請求，盡管在超載幀結(jié)束后節(jié)點間實現(xiàn)了狀態(tài)同步，但卻因超載幀造成不必要的開銷。這里理想的總線空閑時間為13位。
在圖4中，由于電磁干擾消極報錯發(fā)送節(jié)點未能正確讀取ACK位，它發(fā)出的消極報錯幀將被其他節(jié)點看作ACK分界符和EOF域，就像消極報錯接收節(jié)點一樣，它失去了與其他節(jié)點的狀態(tài)同步。
在圖5中，消極報錯發(fā)送節(jié)點的本地錯發(fā)生在CRC分界符處，它的消極報錯標志的第一位被其他節(jié)點的ACK位改寫，消極報錯幀的剩余部分被其他節(jié)點看作ACK分界符和EOF域，狀態(tài)不同步再次發(fā)生。
在圖6中，消極報錯發(fā)送節(jié)點的本地故障造成ACK分界符的誤讀，它開始一個消極報錯幀，而其他節(jié)點把它誤讀為數(shù)據(jù)幀的EOF域，此時消極報錯發(fā)送節(jié)點狀態(tài)與其他節(jié)點不同步。
當一個規(guī)模較小的系統(tǒng)僅剩一個主動報錯節(jié)點時，它的本地錯將引起一個主動報錯幀。其主動報錯標志會被其他消極報錯節(jié)點視為位填充錯或格式錯，從而開始它們的消極報錯幀(見圖7)。結(jié)果是主動報錯幀較早結(jié)束，狀態(tài)的不同步再次出現(xiàn)。
3 后 果
當消極報錯節(jié)點出現(xiàn)上述分析的情景時，就沒有機會收發(fā)消息。直到總線空閑或者有一個主動報錯節(jié)點發(fā)主動報錯幀時，才可能恢復(fù)正常。由于錯誤的發(fā)生是隨機事件，在正常應(yīng)用環(huán)境中其間隔會相當長。消極報錯節(jié)點逸出這種等效離線狀態(tài)的最壞情況是，它要等到總線成為空閑。此段時間為系統(tǒng)中所有消息的最壞響應(yīng)時間中最大的那個。以Tindell改造過的SAE典型試驗數(shù)據(jù)集為例，最大最壞響應(yīng)時間在總線速率為125 kbps時為49．192ms，250kbps時為14．404ms。總線的利用率相應(yīng)為94．2％和47．1％。如果故障發(fā)生在收發(fā)制動壓力的消息(其周期為5 ms)的節(jié)點，則汽車可能在125 kbps時丟失10次數(shù)據(jù)，250 kbps時丟失3次數(shù)據(jù)。在此期間作用在輪子上的制動力不是所期望的，汽車將有難以預(yù)計的風(fēng)險。以每小時100 km行駛的汽車將在1．4 m或O．4 m的距離上失去控制。
消極報錯節(jié)點狀態(tài)同步的丟失可能比上述最壞情況早些結(jié)束，但這完全取決于錯誤的統(tǒng)計學(xué)特性，超出了CAN調(diào)度分析的假設(shè)，使CAN設(shè)計工具不精確。當消極報錯節(jié)點丟失同步后，即使有一些未確知的總線空閑時間，它們可能引入超載幀，這也是調(diào)度分析時未加考慮的。因此設(shè)計工具難以給出有足夠精度的真實結(jié)果。這會危害到所設(shè)計系統(tǒng)的安全性。另外，超載幀也降低了總線的吞吐率。
4 解決方案
經(jīng)仔細分析所有可能的全局錯和本地錯以后，各種情景和合適的消極報錯幀分界符長度間的關(guān)系就建立起來了。所謂“合適”是指消極報錯節(jié)點能在出錯后依然與其他節(jié)點的狀態(tài)保持同步。在有些場合中消極報錯幀分界符應(yīng)為原來的8位長，在有些場合中它應(yīng)是2位長，在另外一些場合中它應(yīng)是1位長。若本地錯發(fā)生在數(shù)據(jù)幀或遠程幀的EOF域，那么為了實現(xiàn)正確的同步，最好的選擇是在EOF的最后一位處對CAN協(xié)議狀態(tài)自動機進行復(fù)位。需要根據(jù)總線上的數(shù)據(jù)流以及錯誤發(fā)生的位置加以判斷，該消極報錯節(jié)點是發(fā)生了全局錯還是本地錯，從而確定應(yīng)有的消極報錯幀分界符長度，或者啟動協(xié)議狀態(tài)機的復(fù)位信號，完整的解決方案已申請了專利。
將消極報錯幀分界符長度簡單地改為另一個固定的長度，可能簡化實現(xiàn)的復(fù)雜性，在某些場合它可以避免在消極報錯節(jié)點有本地錯時產(chǎn)生長時間的等效離線狀態(tài)的失效，但是這一解決方案無法應(yīng)對所有可能丟失同步的情景。同時它還殘留有其他的一些缺點：例如增加了消極報錯節(jié)點不能接收的機會；因重復(fù)出錯或超載幀造成調(diào)度結(jié)果確定性的下降；本節(jié)點或其他節(jié)點所發(fā)消息優(yōu)先級的逆轉(zhuǎn)；因超載幀造成帶寬的無效占用。所以這種簡化造成的性能下降是得不償失的。
按修改后實現(xiàn)的消極報錯幀不能通過現(xiàn)有標準ISO16845第7．5．6款和8．5．13款的全部測試設(shè)置，因為消極報錯幀分界符的長度不再是固定的8位。CAN標準ISO11898及ISO16845應(yīng)依據(jù)應(yīng)用中對安全的要求作相應(yīng)的修改。
5 小 結(jié)
在消極報錯幀分界符內(nèi)格式錯的后果長期以來被忽視了。即使在一般應(yīng)用中等效離線狀態(tài)和優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)也是不能容忍的，因為一次電磁干擾造成的1位錯所要承受的懲罰太大了。為了將CAN用于更為嚴格的安全攸關(guān)的應(yīng)用中，這個問題是非解決不可的。
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