1.前言

CAN總線作為車載總線中極為重要的一部分，已經(jīng)經(jīng)歷了相當(dāng)長時間的考驗(yàn)，而第二代CAN總線（即CAN FD）也在近幾年里逐步實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用，與此同時，第三代CAN總線（CAN XL）也將要正式推出。本文將為大家分享CAN XL的相關(guān)內(nèi)容。

2.為什么要推出CAN XL

1）填補(bǔ)CAN FD與100BASE-T1之間的空白

當(dāng)前常用車載總線既包括低速率的總線，這些總線覆蓋了5MBit/s及以下的應(yīng)用（目前CAN FD的典型速率是2MBit/s，后續(xù)可能會升級至5MBit/s），也包含高速率的總線，即車載以太網(wǎng)（100/1000BASE-T1）。而在“復(fù)興號”和“綠皮車”之間，需要較為合適運(yùn)載手段，以在成本、性能、速率之間取得平衡，順應(yīng)新的應(yīng)用場景需求。

大家可能會問，F(xiàn)lexRay總線是否可以？只要對FlexRay總線有所應(yīng)用，會了解其開發(fā)成本、不友善的刷寫應(yīng)用、不利于拓展的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等都影響了更廣泛的推廣應(yīng)用，從而被放棄。

所以在10 MBit/s通信的“gap”區(qū)間，出現(xiàn)了2種易于推廣的方案：從高速率通信技術(shù)下沉而來，即10BASE-T1S；從低速率總線升級提升而至，即CAN XL。

圖1填補(bǔ)CAN FD與100BASE-T1之間的空白

2）增加最大報文長度

最大報文長度與通信速率是相輔相成的，更快的通信速率意味著可以使用更大的數(shù)據(jù)長度。CAN XL被設(shè)計為至少實(shí)現(xiàn)10 MBit/s的通信速率，最大支持2048字節(jié)的單幀傳輸。從CAN FD最大支持64字節(jié)的報文長度，到CAN XL最大支持2048字節(jié)，報文長度的提升有了質(zhì)的飛躍。而我們知道，通常以太網(wǎng)報文的單幀最大長度為1518字節(jié)，這意味著我們可能會在CAN XL上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議。

為什么CAN XL要極大地增加最大報文長度？ 這就涉及到第三點(diǎn)：如何與以太網(wǎng)的10BASE-T1S形成有力競爭。

3）競爭力

前面提到了對壘雙方10BASE-T1S與CAN XL大致信息。先說10BASE-T1S，其上層協(xié)議完全使用TCP/IP，物理拓?fù)渖蟿t變成了類似CAN的總線形式，總的來說特點(diǎn)就是降低成本。得益于以太網(wǎng)上層應(yīng)用的成熟性，10BASE-T1S能更好地將外部應(yīng)用向車內(nèi)擴(kuò)展。但是，車內(nèi)如何與當(dāng)前車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合是很大的挑戰(zhàn)，這在我看來也正是CAN XL在著力解決的問題：兼容性。

CAN XL一方面是從CAN FD衍生，繼承了CAN FD的特性（如仲裁機(jī)制、錯誤檢測等等），能很好的銜接以CAN為主的車內(nèi)通信（主要是指基于信號的通信方式）；另一方面，CAN XL對其協(xié)議做了很大的擴(kuò)展，允許在CAN XL上運(yùn)行TCP/IP，或者說：既然10BASE-T1S的核心競爭力是成熟的TCP/IP協(xié)議和豐富的上層應(yīng)用，那么秉承打不過就加入的策略，CAN XL期望做到對以太網(wǎng)上層協(xié)議的良好兼容（特別是面向服務(wù)的通信方式）。

這也正是本文前面所說，早期的CAN XL需求更多的是解決速率瓶頸，但隨著不斷演進(jìn)，兼容性、“包容性”變成了非常關(guān)鍵的要素。那么接下來我們介紹一下CAN XL的特點(diǎn)，探討下其怎樣實(shí)現(xiàn)這種兼容性。

3. CAN XL的特點(diǎn)

1）通信速率：10 MBit/s以上

首先是其通信速率，設(shè)計為10 MBit/s以上（典型速率可能為12 MBit/s，但不會超過20 MBit/s），但由于CAN XL還沒有完全落地，實(shí)際的參數(shù)需要等正式標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)束后才有定論。

2）幀結(jié)構(gòu)

圖2 CAN XL幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)總體與CAN FD一致，幀的頭尾是低速模式（約1MBit/s），幀主體是高速模式，高速模式和低速模式通過特定字段劃分。幀格式的簡要說明如下：

• Priority ID、AF（Acceptance Field）：與CAN ID相比，CAN XL把優(yōu)先級和message ID的概念做了拆分，Priority ID用于處理優(yōu)先級，AF用于表示message ID，后文做額外說明；
• XL：這個字段包含多個bit，表示此報文是標(biāo)準(zhǔn)CAN報文、CAN FD報文還是CAN XL報文（即兼容CAN、CAN FD）；
• ADS（Arbitration Data Sequence）、DAS（Data Arbitration Sequence）：速率轉(zhuǎn)換的過渡字段，用于低速率轉(zhuǎn)高速率、高速率轉(zhuǎn)低速率；
• SDT（SDU Type）：指示數(shù)據(jù)類型，后文做額外說明；
• SEC：表示是否為加密數(shù)據(jù)，由于目前的資料有限，可能需要等CAN XL正式發(fā)布后再討論其作用與否；
• SBC（Stuff Bit Count）、PCRC、FCRC、FCP（Format Check Pattern）：用于CRC校驗(yàn)、錯誤檢測，由于可攜帶數(shù)據(jù)長度增加了很多，因此設(shè)計了前后2處的CRC檢驗(yàn)，CRC的長度也相應(yīng)擴(kuò)展；
• VCID（Virtual CAN Network ID）：類似以太網(wǎng)中的VLAN，后文做額外說明。

3）SDT、AF

前面提到，CANXL可以兼容以太網(wǎng)上層協(xié)議和CAN通信，這部分的內(nèi)容正是由SDT和AF字段實(shí)現(xiàn)。SDT類比于EthernetⅡ的類型字段，表明CAN XL報文攜帶什么樣的數(shù)據(jù)；AF是用于尋址的字段，類比于CAN ID和以太網(wǎng)的MAC地址，根據(jù)SDT的不同值，AF可以有不同的尋址方式。比如當(dāng)SDT=0x3，AF就是傳統(tǒng)的CAN ID，報文攜帶的數(shù)據(jù)就是傳統(tǒng)CAN報文的數(shù)據(jù)；SDT=0x4，AF表示以太網(wǎng)中目標(biāo)MAC地址，報文就表示為以太網(wǎng)報文。

圖3 SDT定義

看到這里，有讀者應(yīng)該會意識到，這里存在一個問題。CAN XL通過SDT和AF的組合可以表明一個以太網(wǎng)報文，但是以太網(wǎng)報文中3個重要字段：源MAC地址、目標(biāo)MAC地址、類型在CAN XL中只截取了目標(biāo)MAC地址。目前看CAN XL可能是打算將整個以太網(wǎng)報文都放進(jìn)data field中，再增加幀頭等信息，但筆者認(rèn)為這不是一個很好的方式，可能需要等CANXL正式發(fā)布后我們再來探討下這部分內(nèi)容。

4）Priority ID、AF

CAN依據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行仲裁，而在CAN和CAN FD中，優(yōu)先級和message ID使用相同載體，這也使得在系統(tǒng)設(shè)計時會將重要信號放在高優(yōu)先級的報文中。但CAN XL將優(yōu)先級和message ID做了分開處理，即Priority ID和AF。這意味著可以有更靈活的設(shè)計方式，同時由于SDT的劃分，CAN XL報文同樣也可以采用源地址和目標(biāo)地址的尋址方式（即SDT=0x2， Node Addressing）。但考慮到CAN已經(jīng)使用了很多年，出于沿用和過渡的考慮也可以將Priority ID和AF設(shè)計為同樣的值，繼續(xù)按照之前的方式使用。

5）VCID

VCID參照了以太網(wǎng)中VLAN的概念，將VLAN ID應(yīng)用到CAN XL上，即在數(shù)據(jù)鏈路層允許進(jìn)行虛擬網(wǎng)絡(luò)的劃分。與VLAN的相同，這種虛擬網(wǎng)絡(luò)劃分使得通信可以擺脫一部分物理拓?fù)涞南拗?，也能提高?shù)據(jù)的安全性。其實(shí)這種虛擬網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前CAN中存在類似的機(jī)制（AUTOSAR Partial Network，后文簡稱PN），也就是說，如果我們使用CAN XL中的VCID，我們就可能出現(xiàn)3種局部網(wǎng)絡(luò)：通過軟件實(shí)現(xiàn)PN而形成的上層局部網(wǎng)絡(luò)（包含網(wǎng)絡(luò)管理和上層應(yīng)用）；通過VCID實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)鏈路層的局部網(wǎng)絡(luò)；通過PN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)PN而形成的物理層局部網(wǎng)絡(luò)（主要應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)管理）。如何將這3種機(jī)制融為一體可能會是CANXL落地后需要考慮的部分。

4.對于選擇10BASE-T1S還是CAN XL，考慮哪些方面

前面提到很多關(guān)于CAN XL的內(nèi)容，但總的來講，其與10BASE-T1S各有優(yōu)劣，尤其是當(dāng)前CAN XL還未正式發(fā)布（所有的內(nèi)容都可能存在變更），那么在此僅基于應(yīng)用落地的考慮談?wù)勅绾巫龀鲞x擇：

1）用在哪里

在考慮成本等因素前，或許需要先梳理清楚為什么要引入這些技術(shù)，應(yīng)用場景是什么。

CAN XL典型應(yīng)用場景：在以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)的架構(gòu)中，CAN XL用作其下一級網(wǎng)段，滿足對數(shù)據(jù)吞吐、實(shí)時性有較高要求，需與域控或區(qū)域控制器構(gòu)建更靈活的交互機(jī)制的通信需求?；谶@種場景，CAN XL可能是更優(yōu)的選擇（即本文的核心觀點(diǎn)：兼容性）。如果選擇10BASE-T1S，車內(nèi)CAN信號的交互需要經(jīng)過UDP/TCP包的重組，可能還需要考慮丟包、延遲等協(xié)議不同帶來的差異。

2）成本

成本將會成為能否廣泛推廣應(yīng)用的核心點(diǎn)。雖然CAN XL在設(shè)計時就考慮過其成本應(yīng)該低于10BASE-T1S，但硬件成本只是一方面，軟件開發(fā)各環(huán)節(jié)成本可能會是壓倒駱駝的最后一根稻草。

3）沿用件的情況

沿用件本身應(yīng)該算作成本的一環(huán)，但這里把沿用件單獨(dú)拿出來分析，是由于車型的更迭不是一蹴而就的過程，會有較長的過渡期，甚至某些樣件或技術(shù)會一直沿用。這種情況下，新技術(shù)的引入必須考慮與沿用件和原技術(shù)的兼容情況。

4）休眠、喚醒

這里的“休眠、喚醒”指的是低功耗相關(guān)行為，當(dāng)前的車載以太網(wǎng)對于休眠喚醒的深度支持大多需要I/O或者CAN端口作為控制來實(shí)現(xiàn)，這對于車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)來說顯然不夠靈活并且也產(chǎn)生額外的成本，或是需要10BBASE-T1S的PHY同樣支持TC10所定義的Sleep/Wake-up機(jī)制。而CAN XL由于繼承了CAN本身的休眠喚醒特性且可兼容CAN，有著天然的優(yōu)勢（CAN XL可以使用標(biāo)準(zhǔn)CAN報文作為喚醒信號，而不需要為了適應(yīng)高速率做額外定義）。

5.總結(jié)

雖然CAN XL未正式發(fā)布，但從目前的技術(shù)文檔來看其潛力很大，尤其是其既保留了CAN本身的優(yōu)勢、特點(diǎn)，又能對以太網(wǎng)進(jìn)行銜接。因此需要大家保持關(guān)注，提前做好技術(shù)儲備。

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注：文中部分信息及圖片來源于bosch

參考文獻(xiàn)

[1] CiA 610-1 CAN XL specifications and test plans Part 1: Data link layer and physical coding sub-layer requirements

[2] CiA 610-2 CAN XL Part 2: Data link layer and physical signaling conformance test plan

[3] CiA 610-3 CAN XL specifications and test plans - Part 3: Physical media attachment sub-layer requirements

[4] TC10 Wake-upSleep Specification for Automotive Ethernet