CAN总线开发一本全（3） - 微控制器集成的FlexCAN外设

CAN总线开发一本全（3） - 微控制器集成的FlexCAN外设

苏勇，2023年2月

引言

集成在微控制器芯片中的CAN总线通信引擎的外设电路系统，有一些典型的实现，例如飞思卡尔半导体（已并入恩智浦半导体）的ColdFire系列微控制器中用到的MSCAN和Kinetis系列微控制器的FlexCAN（由Silvaco International公司设计），这些CAN总线通信引擎在汽车电子应用中已经被广泛使用，用以实现内存中的数据与CAN总线上串行信号的的相互转换。灵动微电子设计生产的MM32F0140和MM32F5系列微控制器芯片也集成了FlexCAN外设模块。本文以MM32F0140 / MM32F5270 微控制器芯片上集成的FlexCAN作为CAN硬件外设模块的实例，讲述硬件的CAN通信引擎的工作方式，以此展现硬件电路系统对CAN总线控制逻辑的建模，建立起软件系统同硬件电路的关联关系。同本系列的其它文章一样，本文希望以尽量简洁的语言，关注基本的原理和常用的功能，建立起对常规CAN外设模块的概念，为后续适配CAN通信协议栈的软件包做好准备。

硬件外设模块

系统概要

FlexCAN外设模块是CAN总线通信的协议引擎，通过一个非常灵活的邮箱管理系统（消息缓冲区MB）管理发送和接收CAN通信帧。邮箱管理系统由一组消息缓冲区Message Buffer组成，MB中存放了通信帧的配置信息、数据负载、时间戳、消息ID等。完整的FlexCAN外设，在MB队列中的前38个MB可以配置成FIFO模式，配合一个功能强大的ID过滤机制，可以将总线上捕获到的输入帧同一个ID过滤器表的项目进行匹配（多达128个扩展ID，或者256个标准ID，或者512个8位的ID片段），并且可以在独立掩码寄存器中选择多达32个ID过滤器表项。

同时使用FIFO和独立消息邮箱（单通道）接收帧亦是可行的。使用消息邮箱接收帧，就是将选定的MB同ID固定的消息ID绑定后，该MB仅能接收固定消息ID的通信帧，使用ID掩码机制的情况下，可以将匹配一个范围的ID。

在执行发送帧或者接收帧之前，这里需要强调一个很重要的概念，当说明一个MB处于激活（Active）状态时，在意味着它正在参与发送过程的仲裁或是接收过程中的匹配。此处的激活状态，其实就意味着这个MB当前正被FlexCAN外设或CPU占用，它是不可操作的。

FlexCAN外设模块内部包含总线接口单元、发送机构（包含仲裁）、接收机构（包含匹配）、消息缓冲区，以及协议引擎，有功能框图如图x所示。

图x FlexCAN的系统框图

CPU通过外设总线访问FlexCAN的寄存器，与FlexCAN外设进行交互，除了通过寄存器配置FlexCAN模块的多种工作模式及反馈信息外，CPU主要是向MB（消息缓冲区）中写入CAN通信帧的数据内容。消息缓冲区的存储块中包含多个MB，每个MB对应一个CAN通信帧内容的数据结构，并且可分别配置为将要发送帧的MB或是准备接收帧的MB。当要发送帧时，先将CAN发送帧的内容（包括帧ID、数据负载等）按照MB的存储结构填充到特定的字段，然后配置MB中的CODE字段为发送命令，则协议引擎PE会自动启动发送操作过程，包括自动同总线上的其他设备进行仲裁，以及在超过连续5个同电平位之后自动翻转等。当要接收帧时，需要从多个帧接收过滤器中拿出一个，设定需要匹配接收帧的ID（或者一个范围），并为之绑定一个存放将要匹配到的CAN通信帧数据内容的MB，之后协议引擎PE会监控CAN总线上的信号流，当遇到匹配ID范围内的通信帧，就存下来到预先准备好的MB。发送和接收完成后，协议引擎都会通过寄存器接口向CPU传达状态的变化，产生中断触发进一步的数据搬运过程。

PS：CAN总线对CAN通信帧进行仲裁时，不是以发送通信帧或接收通信帧的CAN总线设备本身作为获得仲裁优先级的评判依据（CAN节点不参与仲裁），而是以CAN通信帧的ID标识符作为获得仲裁的依据（值越小，优先级越高）。类似的概念还存在于以太网应用中IP主机和端口号的关系，应用程序最终是在端口的层面上进行通信，而不仅仅是拥有IP地址的主机。所以，当某一个CAN节点设备可以收纳多个ID的CAN通信帧时，意味着这个节点设备在CAN总线通信系统中可以被抽象成多个节点。但实际上，在后续介绍的CAN总线通信协议中可以看到，不同的ID将对应总线系统中不同的服务，总线系统中总有一个响应服务的线程，可能位于某个节点设备的某一个ID过滤器之后被实现。

总线接口单元 - 寄存器清单

FlexCAN外设模块的总线接口单元以存储空间中的寄存器作为操作界面，可由CPU通过外设总线访问到FlexCAN外设模块内部。虽然不建议开发者通过直接读写外设模块寄存器的方式对FlexCAN外设模块进行开发，因为直接操作寄存器实在是一件繁琐并且容易出错的过程，但本文在这里仍然将FlexCAN外设模块的寄存器清单列写出来，让读者一览FlexCAN外设模块为软件系统开放的应用接口。FlexCAN外设模块的寄存器如表x所示。

表x FlexCAN外设模块寄存器清单

地址偏移	寄存器	寄存器名	功能简介
0x0000	CAN_MCR	Module Configuration Register	配置外设模块的工作模式、功能开关等。
0x0004	CAN_CTRL1	Control 1 register	配置外设模块的工作模式、功能开关等，包含位时钟的时钟源。
0x0008	CAN_TIMER	Free Running Timer register	内部集成的一个16位的计数器，在特定的情况下对位时钟加减计数，一般用不上。
0x0010	CAN_RXMGMASK	Rx Mailboxes Global Mask register	给旧应用场景使用的，可用于设定MB0-MB13的接收过滤器。新应用大多使用另一种过滤机制。
0x0014	CAN_RX14MASK	Rx Buffer 14 Mask re