CAN 消息数据介绍-谢先斌的博客

CAN (Controller Area Network) 是一种广泛应用于汽车、工业自动化、医疗设备等领域的串行通信协议。它的核心是高效、可靠地在各个电子控制单元 (ECU) 之间传输数据。CAN 消息数据是 CAN 协议中传输信息的载体，它以帧的形式在总线上进行广播。

介绍

CAN 协议定义了多种帧类型，其中最常用的是 数据帧 (Data Frame)，用于传输实际数据。一个标准的 CAN 数据帧包含以下主要字段：

帧起始 (Start of Frame, SOF)：
- 一个显性位（逻辑 0），表示帧的开始，用于同步总线上的所有节点。
仲裁场 (Arbitration Field)：
- 标识符 (Identifier, ID)：这是 CAN 消息最重要的部分之一，用于唯一标识消息，并决定消息的优先级。ID 值越小，优先级越高。
  - 标准帧 (CAN 2.0A)：使用 11 位标识符。
  - 扩展帧 (CAN 2.0B / CAN FD)：使用 29 位标识符（由 11 位基本 ID 和 18 位扩展 ID 组成）。
- 远程传输请求位 (Remote Transmission Request, RTR)：
  - 显性位 (0)：表示数据帧，包含数据。
  - 隐性位 (1)：表示远程帧，用于请求具有相同 ID 的数据帧。
控制场 (Control Field)：
- 标识符扩展位 (Identifier Extension, IDE)：
  - 显性位 (0)：表示标准帧格式。
  - 隐性位 (1)：表示扩展帧格式。
- 保留位 (Reserved Bit, r0/r1)：通常为显性位，预留用于未来协议扩展。
- 数据长度码 (Data Length Code, DLC)：一个 4 位的值，指示数据场中包含的字节数。
  - 对于传统 CAN (CAN 2.0A/B)，DLC 范围是 0 到 8 字节。
  - 对于 CAN FD (Flexible Data-Rate)，DLC 范围是 0 到 64 字节，这大大增加了单帧可传输的数据量。
数据场 (Data Field)：
- 包含实际要传输的用户数据。其长度由 DLC 决定。
  - 传统 CAN：0 到 8 字节。
  - CAN FD：0 到 64 字节。
循环冗余校验场 (Cyclic Redundancy Check, CRC Field)：
- 一个 15 位的校验码，用于检测数据传输过程中是否发生错误，确保数据完整性。
- CRC 界定符 (CRC Delimiter)：一个隐性位，将 CRC 场与 ACK 场分开。
应答场 (ACK Field)：
- 应答槽 (ACK Slot)：接收到有效消息的节点会在该位发送一个显性位，表示已正确接收。
- ACK 界定符 (ACK Delimiter)：一个隐性位，将 ACK 场与 EOF 场分开。
帧结束 (End of Frame, EOF)：
- 7 个隐性位，表示帧的结束。
帧间空间 (Interframe Space, IFS)：
- 7 个隐性位，用于将不同的消息帧分开，提供节点恢复时间。

CAN FD (Flexible Data-Rate) 是 CAN 协议的演进版本，主要改进包括：

更高的传输速率：数据段可达 8 Mbit/s (传统 CAN 最高 1 Mbit/s)。
更大的数据有效载荷：数据段可达 64 字节 (传统 CAN 最高 8 字节)。
引入了 BRS (Bit Rate Switch) 和 ESI (Error State Indicator) 位，以支持更高的速率和错误指示。

什么是大小端模式？

大小端模式指的是计算机系统存储或传输多字节数据时，字节的排列顺序。简单来说，就是数据的高位字节（MSB, Most Significant Byte）和低位字节（LSB, Least Significant Byte）谁放在内存地址的低位，谁放在高位。

字节地址（Memory Address）

在理解大小端模式时，需要先明确内存地址的概念。内存可以看作是一系列连续的存储单元，每个存储单元都有一个唯一的地址。地址通常从低到高递增。

低地址（Lower Address）：地址数值较小的内存位置
高地址（Higher Address）：地址数值较大的内存位置

大端模式（Big-Endian）

大端模式，也被称为网络字节序或 Motorola 格式。在这种模式下，数据的最高有效字节 (MSB) 存储在内存的最低地址，而最低有效字节 (LSB) 存储在内存的最高地址。

你可以这样记忆：就像我们书写数字的习惯，从左到右是高位到低位，高位（大头）放在前面（低地址）。

示例

假设有一个 32 位的整数 0x12345678（其中 0x12 是最高有效字节，0x78 是最低有效字节）。

在内存中，如果按照大端模式存储，其字节排列如下：

内存地址: | 0x1000 | 0x1001 | 0x1002 | 0x1003 |
------------------------------------------------
存储内容: | 0x12   | 0x34   | 0x56   | 0x78   |
            ^MSB (最高有效字节)       ^LSB (最低有效字节)
            (低地址)                 (高地址)

实际应用场景：

网络协议： TCP/IP 协议栈使用的是大端字节序，因此在进行网络通信时，如果两端主机字节序不同，通常需要进行字节序转换（例如使用 htons()、ntohl() 等函数）。
许多嵌入式处理器： 例如 Motorola 68K 系列、PowerPC、ARM（可配置为大端）。
文件格式： 一些文件格式（如 Java 的 .class 文件、GIF、JPEG 图片文件头）也采用大端字节序。

小端模式（Little-Endian）

小端模式，也被称为 主机字节序 或 Intel 格式。在这种模式下，数据的最低有效字节 (LSB) 存储在内存的最低地址，而最高有效字节 (MSB) 存储在内存的最高地址。

你可以这样记忆：就像小脚趾（低位）放在前面（低地址）。

示例

假设仍然是 32 位的整数 0x12345678。

在内存中，如果按照小端模式存储，其字节排列如下：

内存地址: | 0x1000 | 0x1001 | 0x1002 | 0x1003 |
------------------------------------------------
存储内容: | 0x78   | 0x56   | 0x34   | 0x12   |
            ^LSB (最低有效字节)       ^MSB (最高有效字节)
            (低地址)                 (高地址)

实际应用场景：

Intel x86 系列处理器： 包括你现在使用的绝大多数个人电脑和服务器（如基于 Intel 或 AMD CPU 的）。
大部分操作系统： 如 Windows、Linux 等在 x86 架构上运行时。
CAN 总线（部分实现）： 正如之前讨论的Intel CAN 格式，有些 CAN 设备在数据传输时会采用小端字节序。

为什么会有这两种模式？

主要原因在于历史和设计选择。不同的处理器架构设计者在处理多字节数据时，对于哪个字节先存储的约定不同。例如：

大端模式的优势： 更符合人类阅读习惯，高位在前，方便调试。在某些情况下，可以更快地进行字符串比较或类型转换。
小端模式的优势： 在进行加法运算时，可以从低位开始处理，效率更高（因为进位是从低位向高位传递）。许多现代处理器为了提高效率采用了小端模式。

CAN 消息数据示例

假设我们有一个传感器，需要发送温度数据 (以摄氏度为单位)，其值为 25.5°C。我们可以将这个浮点数转换为整数或定点数进行传输。

场景描述：

设备 A (发送者)：一个温度传感器，每秒发送一次温度数据。
设备 B (接收者)：一个显示器，接收并显示温度。
CAN ID：假设我们分配一个 ID 为 0x100 (十六进制)，优先级较高。
数据：温度值 25.5°C。为了简化，我们假设将温度值放大 10 倍后取整，即 255。

传统 CAN 数据帧示例 (假设发送 2 字节数据)：

我们假设温度值 255 (十进制) 转换为十六进制是 0x00FF (2 字节)。

CAN ID: 0x100 (11 位标准 ID)
RTR: 0 (数据帧)
IDE: 0 (标准帧)
DLC: 2 (数据场包含 2 字节)
Data Field: 0x00 0xFF (表示温度值 25.5，需要接收端按照约定进行解析，例如：Data_Value / 10.0 = Temperature)

CAN 消息的逻辑表示 (在编程或日志中常见形式)：

ID: 0x100, DLC: 2, Data: 00 FF

解析：

ID (0x100)：表示这是温度传感器发送的温度数据消息。
DLC (2)：表示数据场有 2 字节。
Data (00 FF)：
- 如果约定数据是大端模式，那么 0x00FF = 255 (十进制)。
- 如果约定温度值是实际温度的 10 倍，那么 255 / 10.0 = 25.5 °C。

更复杂的例子 (CAN FD，发送更多数据)：

假设现在需要发送多个传感器数据，例如：

温度：25.5°C (放大 10 倍后为 255)
湿度：60% (直接为 60)
气压：1012.3 hPa (放大 10 倍后为 10123)

如果使用 CAN FD，我们可以将这些数据打包在一个帧中。假设我们分配一个 ID 为 0x200。

CAN ID: 0x200 (11 位标准 ID)
RTR: 0 (数据帧)
IDE: 0 (标准帧)
DLC: 5 (数据场包含 5 字节)
Data Field: 0x00 0xFF 0x3C 0x27 0x8B (假设数据字节顺序约定为：温度(2B) 湿度(1B) 气压(2B))

CAN 消息的逻辑表示：

ID: 0x200, DLC: 5, Data: 00 FF 3C 27 8B