汽车单片机及总线第5章

第五章车用总线与通讯协议第一节计算机网络体系结构第二节车用总线技术的产生及应用现状第三节车用总线的市场前景第四节CAN总线介绍第一节计算机网络体系结构计算机网络是计算机技术与通信技术相结合产生的新的技术领域。若干计算机用通信信道连接在一起，相互之间可以交换信息共享资源，就形成了计算机网络。在国际标准化组织（ISO）提出的“开放系统互联”（OSI）的参考模式中，网络系统结构划分为7层。从上到下依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，如图5-1所示。下面简要介绍网络系统各层的功能。下一页返回第一节计算机网络体系结构一、物理层物理层（PhysicalLayer）的作用是在物理传输媒体上传输各种数据的比特流，而不管数据的类型和结构如何。这一层除了规定机械、电气、功能、规程等特征外，主要考虑的问题还有：1.传输速率这里由波特率（每秒传输的码元数）和比特率（每秒传输的二进制位数）之分。2.信道容量信道容量即信道能支持的最大数据传输速率，它由信道的带宽和信噪比来决定。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构3.传输媒体传输媒体也就是传输电信号的物理介质。4.调制/解调调制/解调就是将一种数据转换成适合在信道上传输的某种电信号形式。5.交换技术交换技术有三种：电路交换、报文交换和分组交换。（1）电路交换：要求在通信双方之间建立起一条实际的物理通路，并在整个通信过程中，这条通路被独占。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构（2）报文交换：就是一个报文（长度无限制的数据块）在通过从源站到目的站之间的中间站时采用存储——转发方式（有缓冲区）。（3）分组交换：就是将一个大报文分割成一定长度的信息单元（分组），各单元依次编号，以分组为单位进行存储——转发。6.网络拓扑网络拓扑指网络中节点的互联结构形式，如图5-2所示，主要有以下几种：（1）星型拓扑：在星型拓扑中，每个站点通过点——点连接到中央节点，任何两站之间的通信都通过中央节点进行。星型拓扑采用电路交换，一个站点的故障只会影响本站，而不会影响到全网。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构（2）总线型拓扑：采用单一信道作为传输介质，所有站点通过相应硬件接口接至这个公共信道（总线）上，任何一个站点发送的信息，所有其他站都能接收。（3）网型拓扑：每个站点都有一条或几条链路同其他站点相连。（4）树型拓扑：树型拓扑是从总线型拓扑演变而来的。从树根开始，每一个节点下都可以有多个分支。（5）环型拓扑：在环型拓扑中，站点和连接站点的点——点链路组成一个闭合环路，每个站点从一条链路上接收数据，然后以同样的速率从另一条链路发送出去。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构7.多路复用技术采用多路复用技术，可以将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再将各路信号分离开来。多路复用技术有多种形式，如频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）和码分多路复用（CDMA）等。（1）频分多路复用：就是将信道带宽按频率分割为若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构（2）时分多路复用：就是将使用信道的时间分成为一个个时间片，按一定规律将这些时间片分配给各路信号，每路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输。（3）码分多址（使用所谓扩频技术）：它允许所有站点在同一时间使用整个信道进行数据传输。二、数据链路层在物理线路上，由于噪声干扰、信号衰减畸变等原因，传输过程中常常出现差错，而物理层只负责透明地传输无结果的原始比特流，不可能继续任何差错控制。因此，当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输，把实现这些规程的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路层（Data.LinkLayer）。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构数据链路层最重要的作用就是通过一系列数据链路层协议，在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。为此，通常将原始数据分割成一定长度的数据单元（帧），一帧内应包含同步信号、差错控制、流量控制、控制信息、数据信息、寻址等。这里主要介绍帧的结构和差错控制。1.组帧与帧同步在组帧方式中，关键问题是使接收方能够准确地从接收到的比特流中识别出帧的边界，取出帧来，这就是所谓帧同步。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构这种协议有两大类：一是面向字符的，就是说，在链路上所传送的数据都必须是由字符集中的字符所组成，而且在链路上传送的控制信息也必须由同一字符集中的字符组成。另一个是1974年出现的面向比特的规程，后来修改为高级数据链路控制（HDLC）。下面简单介绍HDLC的主要内容。HDLC使用一个特殊的比特模式01111110作为帧的起始与结束标志F。为了防止在传输过程中，帧中其他地方出现于帧标志相同的比特模式，发送方边发送边检查数据，每连续发送5个“1”后，在其后自动插入一个“0”。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构这样除了帧标志之外，最多只会有5个“1”相连。接收方在收到5个连续的“1”后，将后面紧跟的一个“0”删去，恢复原来的数据。这种方法称为比特填充，很容易由硬件来实现。采用这种方法组帧，数据传输的基本单位是比特而不是字符，因此可以用来传输任何长度的二进制比特串及任何编码长度的字符，通用性很强，一个HDLC帧的结构如图5-3所示。在起始和结束标志F之间有：上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构地址字段A：在点——多点线路中，它用于指明通信的地址。地址的种类有单地址、组地址、广播地址和无站地址。控制字段C：它用于构成各种命令和响应，以便对链路进行监视和控制。信息字段I：它可以是任意的二进制比特串，其长度上限由外FCS字段或站点的缓冲区容量来决定。帧校验序列字段FCS：使用16位的CRC对两个标志字段之间的内容进行校验，FCS的生成多项式是CRC-CCITT:X16+X12+X5+1。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构2.差错控制这里涉及两个方面的问题：一是如何检测出错误；二是发现错误后，如果纠正错误。要判断一个数据块是否存在错误，发送端必须在数据块中加入一些冗余信息，是数据块中的各比特建立起某种形式的关联，接收端通过验证这种关联是否存在，来判断数据在传输过程中是否出错。在数据块中加入冗余信息的过程称为差错编码。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构有两种基本的差错编码策略：一种是使码字只具有检错功能，即接收方只能判断数据块有错，但不能确切地知道错误的位置，从而也不能纠错，这种码字称为检错码；另一种是使码字具有一定的纠错功能，即接收方不仅能知道数据块有错，还知道错在什么地方，这时只需将错误位取反即可，这种码字称为纠错码。一般是检错或纠错能力越强，所需冗余信息就越多，编码效率就越低。在这里简单介绍几种常见的差错编码。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构（1）海明码。海明码是由R.Hamming在1950年提出的，是一种可以纠正一个比特错误的编码。（2）循环冗余码。在计算机和数据通信领域中使用最广泛地检错码是循环冗余码CRC，又名多项式码，其漏检率很低，而且只要用一个简单的电路就可以实现。（3）奇偶校验码。最常见的检错码是最简单的奇偶校验码，只要一个比特，但它只能检出奇数个错，漏检率达50%。（4）“校验和”码。这也是常用的检错方式，它是传输的数据块中各字节累加后得到的一个字节或按字节异或的结果。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构三、介质访问控制子层MAC和逻辑链路控制子层LLC通信信道又称为介质，网络中采用的传输介质不同或网络拓扑结构不同，所使用的介质访问控制协议就不同。为了不使局域网中的数据链路层过于复杂，将它划分为两个子层，其中一个为介质访问控制子层MAC，专门解决广播网中信道分配的问题。MAC是数据链路的底层，在点——点网中没有这一子层。另一个是逻辑链路控制子层LLC，它完成通常意义下的数据链路层的功能。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构信道分配策略可分为静态分配和动态分配。在静态分配中，由于各个站点有自己的专用频带或时间片，彼此之间不会产生干扰。当网络站点数目少，且每个站点都有大量数据要发送时，采用静态分配策略不仅控制协议简单，而且传输效率高。动态分配又名多点接入或多点访问技术，是指异步时分多路复用，即各站点仅当有数据发送时，才占用信道发送数据。动态分配又有受控访问和随机访问两种。受控访问一般有轮询（轮转）和预约两种。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构轮转是使每个站轮流获得发送的机会，没有数据要发送的站将发送权传给下一站。预约是使各站首先声明自己有数据要发送，然后根据预约的顺序依次发送数据。随机访问又名争用，意思就是所有的站点发送前不需要取得发送权，都可以随时发送信息，发生冲突之后再采取措施解决冲突。随机访问适用于负载较轻的网络，其信道利用率一般不高，但网络延迟时间较短。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构四、网络层网络层（NetworkLayer）向上面的传输层提供面向连接的网络服务和无连接的网络服务（即虚电路服务和数据报服务）。所谓“连接”，是指首先在通信双方建立一条虚电路，以后的数据传送都是沿着这条虚电路传送的，在通信结束后，还要把这条“电路”释放掉。这里的虚电路是指在通信双方之间数据传送的一个固定的路由（“路径”）。无连接是指通信双方的每一组数据都可独立地选择路由（走不同的路线），因此它不能保证每组数据按顺序交付目的站。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构网络层除了负责路由选择外，还要进行流量控制。因为网络的资源，如处理机的能力、节点的缓冲区的容量、线路的传输速率等总是有限的。当需求超出资源的可用部分时，就会产生拥塞。为了提高资源的利用效率，应当采用流量控制，其总目标是在网络中有效动态分配网络资源。它的主要功能是：防止网络因过载而引起吞吐量下降和时延增加；避免死锁；在互相竞争的各用户之间公平地分配资源。网络层的寻址，如公用电话网，一个全球网络层寻址标准时互联系统中大家都必须遵守的一个标准。现在的地址编码方法有两大类：一个是非等级地址，另一个是分级地址。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构非等级地址编码的特点是每个地址的编号都是平等的且彼此无关，这在全球范围内实际是不可行的。分级地址编码是将全球的地址划分为若干子域，子域下又划分更小的子域就像公用电话号码的划分。TCP/IP协议中IP地址得分配就是这个方式。网络层的主要功能是将分组从源端机器经选定的路由送到目的端机器。在大多数通信子网中，分组的整个旅途需经过多次转发。路由选择算法和它们使用的数据结构是网络层设计的一个主要任务。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构五、传输层传输层的任务是为高层从源端机到目的及提供可靠、经济的数据传输服务而与具体网络无关。为了保证数据传输的可靠性，传输层上必须实现差错控制、流量控制等功能；为了向用于提供经济有效的服务，传输层还提供多路复用和分流的功能。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构1.传输服务传输层的最终目标是向其用户提供有效、可靠且价格合理的服务。为了达到这一目标，传输层李永乐网络层所提供的服务。传输层中完成这一工作的硬件和软件称为传输实体。传输实体可能在操作系统内核中，或在一个单独的用户进程内，也可能是包含在网络应用的程序库中，或是位于网络接口卡上。正如存在两种类型的网络服务（面向连接的和无连接的）一样，传输服务也有两种类型。面向连接的服务在很多方面类似于面向连接的网络服务，二者的连接都包括三个阶段：建立连接、数据传输和释放连接，两者的寻址和流量控制方式也类似。无连接的传输服务与无连接的网络服务也很类似。上一页下一页返回第一节计算机网络体系结构2.传输协议的要素传输服务是通过建立连接的两个传输实体之间所用的传输协议来实现的。在某些方面，传输协议类似在前面讨论过的数据链路层协议。二者