[protocol] bxCAN 이론 정리

📶 bxCAN 이란?

ST Microelectronics에서 개발한 CAN 통신 인터페이스이며 표준 CAN과 확장 CAN을 모두 지원하며
아래와 같은 특징이 있다.

• 고속 전송 : CAN protocol 2.0 A, B를 통해 1 Mbit/s의 전송 속도 지원
• 저전력 소비 : 저전력 모드에서 10 µA 이하의 전력 소비를 지원
• 다중 CAN bus 지원 : 최대 4개의 CAN bus를 동시에 지원
• Message filtering : 특정 메시지만 전송하거나 수신할 수 있음
• Error handling : CAN bus에서 발생하는 오류를 처리

 

📶 bxCAN 구조

bxCAN block diagram

위 diagram은 Dual CAN block diagram 으로 2개의 CAN bus를
각각 Master(메시지 전송용)와 Slave(메시지 수신용)로 연결한 형태를 가지고 있으며
CAN bus 하나당 2개의 Rx FIFO와 Rx FIFO 하나당 3개의 mailbox를 가지고 있다.
28개의 Acceptance Filter banks는 두 개의 CAN bus가 공유하고 있다.

(※ Rx FIFO, mailbox, Filter 에 대한 설명은 아래에 기재)

📶 bxCAN 모드

특징	Operation Mode	Test Mode
목적	CAN 컨트롤러를 정상적으로 작동시키기 위한 목적을 가짐	CAN 컨트롤러의 기능을 테스트하거나, CAN bus의 신뢰성을 측정하기 위한 목적을 가짐
우선순위	성능과 효율성	정확성과 신뢰성
사용 예시	어플리케이션 실행	CAN 컨트롤러 테스트, CAN bus 실뢰성 측정

 

bxCAN Operation Mode

 

bxCAN operating modes

• Sleep 모드
  CAN bus 노드가 최소한의 전력만 소비하는 모드 이며 진입 방법은 아래와 같다.
  
  1. 소프트웨어가 CAN_MCR 레지스터의 SLEEP 비트를 설정하면, CAN bus 노드는 Sleep 모드로 전환됨
     이때, CAN bus의 트랜시버가 비활성화되고, CAN bus의 버스 라인에 연결된 전압이 낮아진다.
     
  2. 하드웨어는 CAN_MSR 레지스터의 SLAK 비트를 설정하여 CAN bus 노드가 Sleep 모드에 있음을 나타냄
     CAN bus 노드가 Sleep 모드에 있으면, CAN_MSR 레지스터의 SLAK 비트가 설정되며 이를 통해,
     소프트웨어는 CAN bus 노드가 Sleep 모드에 있는지 여부를 확인할 수 있게 된다.
• Initialzation 모드
  CAN bus 노드가 초기화되는 모드. Initialization 모드 이며 진입 방법은 아래와 같다
  
  1. 소프트웨어가 CAN_MCR 레지스터의 INRQ 비트를 설정하면, CAN bus 노드는 Listen-Only 모드로 전환됨
     CAN_MCR 레지스터의 INRQ 비트가 설정되면, CAN bus 노드는 Listen-Only 모드로 전환되며 이때, CAN bus 노드는 CANTX 레지스터의 데이터를 전송하지 않고, 리시브 비트만 전송함
     
  2. 하드웨어는 CAN_MSR 레지스터의 INAK 비트를 설정하여 CAN bus 노드가 Listen-Only 모드에 있음을 나타냄
     CAN bus 노드가 Listen-Only 모드에 있으면, CAN_MSR 레지스터의 INAK 비트가 설정되며 이를 통해,
     소프트웨어는 CAN bus 노드가 Listen-Only 모드에 있는지 여부를 확인할 수 있게 된다.
• Normal 모드
  CAN bus 노드가 정상적으로 동작하는 모드
  Normal 모드에서 노드는 CAN bus를 통해 데이터를 전송하거나 수신할 수 있으며 진입 방법은 아래와 같다.
  1. CAN_MCR 레지스터의 SLEEP 비트를 해제
  2. CAN bus 노드의 비트 타이밍을 CAN bus의 비트 타이밍과 일치시킴
  
  소트트웨어에서 CAN_MCR 레지스터의 SLEEP 비트를 해제하면, 노드는 Sleep 모드에서 Normal 모드로 전환되고
  하드웨어는 CAN_MSR 레지스터의 SLAK 비트를 해제하여 CAN bus 노드가 Normal 모드에 있음을 나타낸다.
  

bxCAN Test Mode

• Slient mode
  Slient mode에서는 CAN 컨트롤러가 CAN bus에서 메시지를 전송하지 않는 대신,
  CAN 컨트롤러가 전송한 메시지를 자신의 Rx FIFO로 다시 전송하여 자신의 입력 -> 자신의 출력이 된다.
  Rx_FIFO만 활성화 하여 수신 기능이 정상적으로 작동하는지 테스트 한다.
  
  
• Loopback mode
  Loopback mode에서는CAN 컨트롤러가 전송한 메시지는 자신의 Rx FIFO로 다시 전송하여
  자신의 출력 -> 자신의 입력이 되도록 하고  
  Rx_FIFO와, Tx_FIFO를 둘다 활성화 하여 송신 기능이 정상적으로 작동하는지 테스트 한다.
  
  
• Combined loopback and silent mode
  Combined loopback and silent mode에서는 CAN 컨트롤러가 전송한 메시지는 자신의 Rx FIFO로 다시 전송하여
  자신의 출력 -> 자신의 입력이 되도록 한다.
  Rx_FIFO와, Tx_FIFO를 둘다 비활성화 하여 즉, CAN_TX, CAN_RX로 부터 영향을 받지 않고
  자신의 출력과 입력이 동일한지 만을 테스트 한다. 

 

📶 bxCAN 메시지 송수신

bxCAN은 Rx FIFO를 이용해 메세지를 수신받으며 mailbox를 이용해 메세지를 송신한다.  

Rx FIFO - 메시지 수신

Rx FIFO는 CAN bus에서 수신된 메시지를 저장하는 데 사용되는 메모리 영역이며
아래 비트를 활용하여 3가지 상태를 거쳐 메시지를 수신한다.

비트	설명
FMP	Receive FIFO에 메시지가 저자아되었는지 여부를 나타냄
FOVR	Receive FIFO가 메시지로 가득 차 새로운 메시지 저장 불가능 여부를 나타냄
RFOM	Receive FIFO가 메시지로 가득 차 새로운 메시지를 저장 할 수 없을 때 수신된 메시지를 나타냄

Receive FiFO states

1. Empty
   CAN Bus로부터 메시지를 받지 않았거나 메시지를 다 처리하여 Mailbox가 비어 있는 상태 
   Mailbox가 Empty 상태이면 메시지를 저장하거나 전송할 수 없으며
   CAN_RFxR 레지스터의 FMP비트의 값이 0x00일 때 Empty 상태임을 알 수 있다. 
2. PENDING_1,2,3
   CAN Bus로부터 메시지를 받아 Mailbox에 저장되어 있지만 아직 전송되지 않는 상태
   PENDING_1,2,3 에 있는 메시지는 1 -> 2-> 3  순서대로 전송된다.
   수신받은 메시지의 개수는 CAN_RFxR 레지스터의 FMP 비트를 통해 알 수 있다. 
3. OVERRUN
   FIFO 안 Mailbox가 메시지로 가득 차서 새로운 메시지를 저장할 수 없는 상태
   OVERRUN이 발생하면 CPU는 OVERRUN 이벤트를 받으며 CPU는 해당 이벤트를 처리 후
   최근 메시지 삭제, 이전 메시지 덮어쓰기 등 메시지 처리 작업을 수행한다.
   Overrun 발생 시 하드웨어가 CAN_RFxR 레지스터의 FOVRx비트를 설정함

Mailbox - 메시지 송신 

Mailbox는 CAN bus에서 메시지를 저장하고 전송하는 데 사용되는 메모리 영역이며 아래 비트를 활용하여 4가지 상태에 
거쳐 메시지를 전송한다.

비트	설명
RQCP	Mailbox가 전송 확인을 요청하는지 여부를 나타냄
TXOK	Mailbox에 저장된 메시지가 전송에 성공하였는지 여부를 나타냄
TME	Mailbox에 저장된 메시지가 전송 마스크에 의해 차단되었는지 여부를 나타냄
ABRQ	Mailbox에 저장된 메시지의 전송을 중지하도록 요청하는지 여부를 나타냄
NART	Mailbox에 저장된 메시젱 대한 ACK가 수신되지 않았는지 여부를 나타냄

Transmit Maibox States

1. Empty
   메시지를 받지 않았거나, 전송에 성공하였거나, 실패하였으나 재전송을 하지 않아  Mailbox가 비어 있는 상태
2. PENDING
   Mailbox에 메시지가 저장되어 있지만 아직 전송되지 않는 상
   
3. SCHEDULED
   PENDING 상태의 Mailbox 중 가장 우선순위가 높은 Mailbox의 상태  
   
4. TRANSMIT
   Mailbox에 저장된 메시지가 전송 중인 상태
   

 

📶 bxCAN 필터링

Acceptance Filter banks

수신하는 노드에서 특정 CAN ID를 가진 메시지만 수신하도록 설정하는 기능을 제공한다.
CAN ID를 설정을 통한 필터링 방식과 CAN ID의 MASK 설정을 통한 필터링 방식이 있으며
필터링할 ID 범위를 16bits 또는 32bits로 정할 수 있다. 

1. Empty
   메시지를 받지 않았거나, 전송에 성공하였거나, 실패하였으나 재전송을 하지 않아  Mailbox가 비어 있는 상태
2. PENDING
   Mailbox에 메시지가 저장되어 있지만 아직 전송되지 않는 상태
   
3. MATCHED
   Acceptance Filter Banks에 등록된 필터 중 하나와 수신된 메시지가 일치하여 메시지가 허용된 상태
   해당 메시지가 수락되면 메일박스로 전달된다.

• CAN ID 방식 
  지정된 특정 ID만 수신하는 방식으로 간단하고 쉬우나 세밀한 필터링은 불가능하다.
  필터링할 ID를 32bits로 설정한 경우 최대 2개, 16bits로 설정한 경우 최대 4개까지 지정이 가능하다.
  (e.g. ID를 0x00000000으로 설정 -> 모든 메시지 수신
          ID를 0x12345678으로 설정 -> ID가 0x123456788인 메시지만 수신) 
• CAN ID의 Mask 설정을 통한 방식
  Mask를 사용하여 ID의 일부 비트를 무시할 수 있으므로, 설정이 복잡하나 보다 세밀한 필터링이 가능하다.
  필터링할 ID를 32bits로 설정한 경우 최대 1개, 16bits로 설정한 경우 최대 2개까지 지정이 가능하다.
  (e.g. ID를 0x00000000으로 설정 & Mask를 0x0000FFFF으로 설정 ->
          ID의 상위 16비트를 무시하고 하위 16비트만 사용하는 아래와 같은 메시지만 수신할 수 있다.
          0x00000000, 0x00000001, ..., 0x0000FFFF)

Filter 활성화 

Filter를 활성화하려면 다음과 같은 단계를 수행한다.

1. CAN_FMR 레지스터의 FINIT 비트 설정
   • Acceptance Filter 1과 Acceptance Filter 2의 값이 0으로 초기화됨
   • Acceptance Mask 1과 Acceptance Mask 2의 값이 0xFFFFFFFF으로 초기화됨
   • Acceptance Filter banks의 상태가 Inactive로 설정됨
2. CAN_FA1R 레지스터 또는 CAN_FA0R 레지스터의 해당 비트 설정
   • Acceptance Filter banks의 상태가 Active로 설정됨

FilterScale이 32 bit인 경우 윗부분과 같으며 16 bit인 경우 아랫부분과 같다.ㅂS

 

📶 bxCAN Bit timing

데이터를 송수신하는 양측 노드 사이에 데이터 손실을 방지하기 위해 데이터 비트 위치를 맞추는 것을 Bit timing을 맞춘다고 한다.
따라서 Bit timing은 네트워크에서 데이터 비트가 전송되고 수신되는 데 걸리는 시간을 조절하는 매개변수들의 집합으로 
이해할 수 있다. 핵심 매개변수는 아래와 같다.

• 동기화 세그먼트(Sync Segment)
  메시지 전송 전에 전송되며 노드가 동기화되도록 하는 데 사용된다. 
  1개의 Time Quanta로 구성된다. 
• 편집 세그먼트(Propagation Segment)
  메시지의 데이터를 전송하는 데 사용되며 메시지 식별자와 데이터로 구성된다.
• 페이즈 버퍼 세그먼트(Phase Buffer Segment)
  수신하는 노드의 링크 상태를 안정화하여 수신 노드가 메시지의 데이터를 정확하게 수신할 수 있도록 한다.
• 비트 타임 세그먼트(Bit Time Segment)
  전체 비트 타임의 길이를 나타내며 동기화 세그먼트, 편집세그먼트, 페이즈 버퍼 세그먼트의 합과 같다.
• 시간 퀀텀(Time Quantum)
  시간 퀀텀은 비트 타임을 나누는 기본 시간 단위로, 비트 타임을 정확한 비트로 나누는 데 사용되며
  Prescaler / Clock의 값이다.
• Sample Point
  특정 순간에 측정한 데이터를 의미
  Bit Segment 1과 2 사이의 어느 한 지점에 위치하며 샘플링 주파수에 따라 해당 위치가 결정된다.
  위치 공식 : (Sync_seg + Seg1) / 전체 타임 퀀텀 

 

📶 bxCAN Error

bxCAN Error state diagram

상태	에러 플래그 전송 여부	데이터 전송 여부
Error Active	전송	중단
Error Passive	미전송	가능
Error Off	미전송	가능

Error Active

CAN bus에서 에러가 발생한 후, 해당 노드가 에러를 감지하고 에러 플래그를 전송하는 상태

Error Active 상태에서는 해당 노드는 데이터 전송을 중단하고, 에러 플래그를 전송한다.

Error Passive

Error Active 상태에서 에러가 지속될 경우, 해당 노드가 에러 플래그를 전송하지 않는 상태

Error Passive 상태에서는 해당 노드는 데이터 전송은 가능하지만, 에러 플래그를 전송하지 않음으로써 다른 노드에 에러를 전파하지 않는다.

Bus Off

Error Passive 상태에서 에러가 발생하지 않은 상태

Error Off 상태에서는 해당 노드는 정상적으로 데이터 전송이 가능하다.

 

[참조]

https://www.cnblogs.com/shangdawei/p/4716869.html

https://eteo.tistory.com/389

http://www.bittiming.can-wiki.info/

https://www.youtube.com/watch?v=YHzd-VamCdE&t=305s