Chapitre 4 CAN (Control Area Network) 2006 - 2007 Françoise Simonot-Lion ([email protected]) Certains transparents de ce cours proviennent du cours de Nicolas

Chapitre 4

CAN

(Control Area Network)

2006 - 2007

Françoise Simonot-Lion ([email protected])

Certains transparents de ce cours proviennent du cours de Nicolas Navet (ENSEM – EMN / 2003-2004) du cours de Philip Koopman (Carnegie Mellon / 2004)

Ingénieur Civil des Mines

2ème année

Conception Sûre des Systèmes Embarqués et Ambiants – Module SI342b

Ecole des Mines de Nancy CSSEA SI342b2

CAN – Un réseau pour l’automobile

Conçu par Bosch (1983) pour le « multiplexage automobile » – normalisé ISO (1994)

Boite de Vitesses

Contrôle Moteur

Suspension

ABS

Tableaude Bord

Clim

Sièges

Plafonnier

Centralisation

Réduction des coûts de câblage et de maintenance

Tableaude BordContrôle

Moteur

Contrôleur CAN

Suspension

Contrôleur CAN

Clim

Contrôleur CAN

Sièges

Contrôleur CAN

CentralisationContrôleur CAN

PlafonnierContrôleur CAN

Contrôleur CAN

Contrôleur CAN

Boite de Vitesses

Contrôleur CAN

ABS

Contrôleur CAN

CAN high speed

CAN low speed


CAN – Un réseau pour l’automobile

Câblage Quelques chiffres :

R25 (fin 80’s) : 2 km de câbles cuivre ! >80kg MB Classe C (2001) : 12 ECU’s – 25 fonctions MB Classe S (2002) : > 50 ECU’s !

Un marché important

Réduction de câblage

40% poids pour une portière Mercedes

41% de longueur de câble entre les Peugeot 306 et 307

Source Siemens pour des produits Siemens


CAN – Un réseau pour l’automobile Un réseau adapté aux besoins de performances dans l’automobile

Pour mémoire : classe D – taille d’un message 100 octets à 1000 octets, (télématique et multimédia) – débit nécessaire de 1 à 10 Mbit/s

Classe Débit (Kb/s)

Offre CAN par exemple, pour ….

C

> 125 Kb/s

et

< 1000 Kb/s

CAN High Speed

ISO-IS 11898

Contrôle moteur, boîte de vitesse, ABS, …

Temps réel dur (périodes de 1 à 10ms, temps de transmission~1ms, quelques octets)

B

> 10 Kb/s

et

< 125 Kb/s

CAN Low Speed

ISO-IS 11519-2

Diagnostic, contrôle du tableau de bord,

Temps réel mouTemps réel mou

A < 10 Kb/sCarrosserie (Body)


CAN et le modèle OSI

Couches physiques et liaison de données normalisées Couche physique

• Représentation du bit

• Synchronisation

Couche Liaison de données Sous-couche MAC

• Encapsulation / Désencapsulation des données

• Codage des trames (stuffing / dé-stuffing)

• Arbitrage

• Détection / signalement d’erreurs

• Acquittement

Sous couche LLC

• Filtrage des trames en réception

• Recouvrement des erreurs

• Transfert des données

• Demande de transfert des données


CAN – couche physique

Codage NRZ (Non Return to Zero) – pas de front sur le

signal Niveau logique 0 – bit dominant

Niveau logique 1 – bit récessif

Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6

5V

0V Niveau de bit dominant

011010

Support : paire torsadée (standard ISO)

Autres supports possibles : fibre optique, courant porteur, transmission

radio, infra-rouge, …


CAN – Bit stuffing

Création de « fronts » sur le signal

Bit-stuffing (Taille = 5 bits)

r d r r r r r r d r d d d d d rd r

r d r r r r r r d r d d d d d rSuite initiale de bits à transmettre

r d r r r r r r d r d d d d d rSuite reçue après « dé-stuffing »

Ce qui circule au niveau du médium



Problème – exemple Bit inversé au mauvais endroit

interprétation d’un bit de données comme un « stuffing bit »

Suite transmise sur le bus rrr d r r dd rr dr dr r rd r d

Suite altérée sur le bus

rr rr r rdd

Interprété comme un stuffing bit !!!!!

rrr d rd d r dr d

Interprété comme un bit de donnée !!!!!

interprétation d’un « stuffing bit » comme un bit de données

Valeur initiale transmise : 1110 1010 1011 1111 0…

Exercice 1 : quelle est la valeur reçue : ???



Exercice 2

Quel est le pire cas ?

Quel est l’accroissement maximal pour une longueur initiale de n bits ?


CAN – format de la trame

SOF

Start of Frame (SOF) / synchronisation

1bit

En-tête (champ d’arbitrage / champ de contrôle)

En-tête

18 bits - CAN standard (2.0A)38 bits - CAN étendu (2.0B)

Champ de données

Données

0..8 octets

Champ de contrôle des données/détection d’erreur

Détection d’erreur

15 bits

Champ d’acquittement

Ack

3 bits

Fin de trame (EOF), Intermission (Inter)

EOF

7 bits

Inter

3 bits

Idle …… Idle

0 ou 1 01

r

d


Trame CAN - En-tête

RTR : 0 si trame de données, 1 si trame de requête


Identificateur DLC : longueur des données (0..8 octets)

1 1 111 4

CAN standard (2.0A)

1 1 1 1 111 18 4

CAN étendu (2.0B)

IDE : 1

SRR : 1

IDE : 0

r0 : 0

r1 : 0r0 : 0


Trame CAN - En-tête


1 1 111 4

CAN standard (2.0A)

DLCIdentificateur

Champ d’arbitrage Champ de contrôle


1 1 1 1 111 18 4

CAN étendu (2.0B)

DLCIdentificateurIdentificateur


Accès au bus - arbitrage

Technique d’accès au médium CSMA – résolution de collision

Repose sur un principe d’identification des trames

Phase d’arbitrage – la trame la plus prioritaire gagne l’accès au bus1. Chaque station qui veut émettre, écoute

2. Dés qu’il n’y a pas de signal sur le bus, elle émet un bit puis écoute

3. Si la valeur lue est différente de la valeur émise, la station a perdu l’arbitrage; elle cesse d’émettre et retourne en 1

Conséquence sur le débit : il faut un aller-retour pour le signal avant d’émettre le bit suivant



Exemple : 3 stations émettent en même temps

Qui gagne l’arbitrage ?

1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1

1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0

1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1

Station 1

Station 2

Station 3

t



Exemple : 3 stations émettent en même temps

1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1

1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0

1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1

1 1 0 0 1 1 1 1 0 10

écoute

0

écouteStation 1

Station 2

Station 3

Signal sur le bus

La station 3 gagne l’accès au bus



Exercice 3 Quelle conclusion peut-on tirer de ce mécanisme quant à la

priorité des trames?

Soit une trame de donnée et une trame de requête (identificateur

de 20 bits significatifs) – quelle est la plus prioritaire ?

Soient deux trames d’identification respectives (29)10 et (31)10

émises au même moment sur le bus par deux stations

concurrentes. Représenter le niveau de signal résultant sur le

bus?

Priorités respectives des trames d’identificateurs 11 bits et des

trames d’identificateurs 29 bits ?


Synchronisation des stations

Un oscillateur par contrôleur (station) une horloge système par station

Non synchronisation des oscillateurs entre les stations Codage NRZ

comment avoir un temps bit = pour toutes les stations du réseau ?

Horloge système

Oscillateur

Tclock



Composition d’un bit CAN sur une station

syn T-Seg1 T-Seg2

Horloge système

Temps bit nominal

L1=n1*Tclock L2=n2*Tclock

Point d’échantillonnage

du signal

L1, L2 configuré pour l’ensemble du réseau



Détection normale d’un front

syn T-Seg1 T-Seg2

Horloge système


du signal

Signal sur le bus

Conclusion: la station est synchronisée avec l’émetteur



Détection anormale d’un front (trop tard !)

syn T-Seg1 T-Seg2

Horloge système


du signal

Signal sur le bus

Conclusion: la station est plus rapide que la station émettrice retarder la station



Détection anormale d’un front (trop tard !)

syn T-Seg1

Horloge système

T-Seg2


du signal

Signal sur le bus

T-Seg1SJW1



Détection anormale d’un front (trop tôt !)

syn T-Seg1

Horloge système

T-Seg2


du signal

Signal sur le bus

Conclusion: la station est plus lente que la station émettrice “accélerer” la station

T-Seg2 SJW2


Acquittement

Ack slot : mis à 1 (récessif) à l’émission – toute station qui reçoit correctement le positionne à 0 (dominant) sinon, elle envoie une trame d’erreurs

On peut savoir qu’une station a reçu le message On ne sait pas laquelle On ne sait pas si c’est le destinataire

L’acquittement sur CAN est non fiable

3 bits

…CRC EOF …

Ack slot


Trame de requête

Il s’agit d’un moyen fourni pour un mode de coopération client – serveur

Ne contient aucune donnée (mais porte un identificateur)

La réponse n’est pas écrite dans la trame

surcharge réseau – pas de garantie de temps de réponse


Les erreurs de transmission

Types d’erreurs CRC reçu CRC calculé à la réception 6 bits consécutifs de même niveau Pas d’acquittement reçu par l’émetteur Mauvaise valeur pour un champ fixe (0 / 1), bit envoyé bit observé

Trame d’erreur

Retransmission après 17 bits (au mieux) / 23 bits (au pire)

trame incomplète

Error flag

Error flag

Délimiteur d’erreur

Inter-trame

[ ]

6 0..6 8 3


Le confinement d’erreur sur CAN

Problème : une station défectueuse peut perturber le fonctionnement du système (par exemple, en émettant de façon continue une trame d’erreur)

mécanisme de retrait des stations (déconnexion du réseau)

2 compteurs d’erreurs Sur les trames émises (TEC : +8, -1, 0127, 128256) Sur les trames reçues (REC : +1, -1, 0127, 128256)

3 états de la station Erreur-active (normal) Erreur-passive : émission possible après un temps de 8 bits

silencieux sur le bus / pas d’émission de trames d’erreur Bus-off : pas d’émission





Des rafales d’erreurs peuvent provoquer la déconnexion sans que la station soit elle-même défectueuse

Prévoir des solutions de reprise au niveau applicatif (que faire si le calculateur d’ABS est en bus-off ?)


Un « bug » du protocole

Certaines trames peuvent être reçues en double !

Une perturbation localisée à certaines stations (dont l’émetteur) sur le dernier bit du champ EOF retransmission

toutes les stations non affectées reçoivent deux fois la trame

Exercice 4 : pour éviter des problèmes au niveau applicatif, quels types d’information ne faut-il pas envoyer ?


Évaluation de temps de réponse sur CANÉvaluation de temps de réponse d’activités – retour

sur l’ordonnancement de tâches

Soit la configuration suivante :

Période d’activité du processeur = intervalle de temps dans lequel le processeur est toujours utilisé

Ti 12345

Ci 75832

Ti 202030100100

t


Évaluation de temps de réponse d’activités – retour sur l’ordonnancement de tâches Tâches périodiques à démarrage simultané La plus longue période d’activité se produit lorsque toutes

les tâches sont activées au même instant = instant critique

t

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 20 40 60 80 100 120 140

Série1

1,..,( ) j

j n j

tW t C

T

Fonction d’arrivée de travail W(t)


Évaluation de temps de réponse d’activités – retour sur l’ordonnancement de tâches

La fonction f(t)=t définit la capacité de traitement du processeur

t

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 20 40 60 80 100 120 140

Série1

f(t)=t



Au premier instant t tel que f(t) = W(t), le processeur a terminé toutes les instances de tâches réveillées sur [0,t[. La période d’activité initiée par un instant critique est donc de longueur t

Il faut donc résoudre l’équation W(t)=t

(convergence si )

Soit par récurrence :

(0)

1,..,i

i nt C

( 1) ( )( )j jt W t

1,..,1i

i n i

C

T



Calcul de pire temps de réponse

Cas de tâches ordonnancées selon des priorités statiques, périodiques et à départ simultané

Le pire temps de réponse d’une tâche de priorité i repose sur le calcul de la longueur de la « période d’activité de niveau i » induite par les tâches de priorité supérieure ou égale à i

Calcul de la période d’activité de niveau i (hp(i) ensemble des tâches de priorité supérieure à i) :

Le pire temps de réponse Ri est solution de

( )( )i i j

j hp i j

tW t C C

T

( )i i iW R R



Cas de tâches ordonnancées selon des priorités statiques avec des gigues sur l’activation (Ji) – l’instant critique est celui où les tâches se réveillent simultanément (prise en compte de la gigue)

tInstant critique(réveil)

Tâche 1

Tâche 2

Tâche 3

Activations des tâches réveils des tâchesJ1

J2

J3

t+J1



Cas de tâches ordonnancées selon des priorités statiques avec des gigues sur l’activation (Ji) – l’instant critique est celui où les tâches se réveillent simultanément (prise en compte de la gigue)

Durée cumulée des tâches de priorité supérieure ou égale à i (hp(i) ensemble des tâches de priorité supérieure à i) ou période d’activité de niveau i :

La durée de la période d’activité Li est solution de

Le pire temps de réponse est

( )( )

ji i j

j hp i j

t JW t C C

T

( )i i iW L L

i i iR L J


Evaluation de temps de réponse sur CAN

L’ordonnancement des trames sur CAN relève d’un algorithme d’ordonnancement Fixed Priority Non Premptive(FPNP)

Le pire temps de réponse du message m est donné par :

m m m mR J w C

Jitter à l’émission

Pire temps d’attente du message à l’émission

Pire temps (physique) de transmission


Evaluation de temps de réponse sur CAN

Calcul du pire temps (physique) de transmission (identificateur 11 bits)

34 847 8

4m

m m bits

C s

Nombre d’octets de données

Temps bit sur le bus (1s pour un bus de 1Mbit/s.)


Evaluation de temps de réponse sur CAN – messages périodiques

Calcul du pire temps d’attente

( )

m j bitm m j

j hp m j

w Jw B C

T

Temps de blocage du aux messages de plus faible priorité (non préemption)

Ensemble des messages de plus faible priorité que m

Temps de blocage du aux messages de plus forte priorité (non préemption)

Période du message j

( )( )maxm k

k lp mB C

Ensemble des messages de plus forte priorité que m


Evaluation de temps de réponse sur CAN – messages périodiques

Calcul par récurrence :

1

( )

nm j bitn

m m jj hp m j

w Jw B C

T


Validation d’une messagerie sur CAN

Exercice 5 : faire le programme qui vérifie que tous les messages respectent leurs échéances pour une messagerie donnée (voire feuille jointe)

Documents

Chapitre 4 CAN (Control Area Network) 2006 - 2007 Françoise Simonot-Lion ([email protected]) Certains transparents de ce cours proviennent du cours de Nicolas