5分鐘學(xué)會(huì)CAN/CANFD總線負(fù)載率計(jì)算

CAN BUS的總線負(fù)載率是CAN總線架構(gòu)協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要的指標(biāo)。一般建議負(fù)載率峰值不要高于80%，平均負(fù)載率不要超過50%。當(dāng)然這只是一般建議，具體根據(jù)使用場景和系統(tǒng)設(shè)計(jì)而定。

負(fù)載率定義

關(guān)于CAN負(fù)載率的定義和計(jì)算，很多文章寫得不求甚解，用幀數(shù)量來計(jì)算負(fù)載率是非常不正確的做法。

其實(shí)總線負(fù)載率的定義其實(shí)是非常簡單明了的：

*總線負(fù)載率=總線每秒上傳輸占用時(shí)間/1s 100%

CAN2.0的總線負(fù)載率

對(duì)于CAN2.0而言，由于波特率是固定的，所以：

總線負(fù)載率=總線每秒上傳輸?shù)膶?shí)際bit數(shù)量/總線波特率100%*

原理非常簡單，波特率的定義就是每秒CAN總線上可以傳輸多少CAN數(shù)據(jù)bit，總線負(fù)載率自然就是總線實(shí)際傳輸?shù)腷it數(shù)量比上總線可以承載的最大bit數(shù)了。

例如，100K的總線波特率，總線上最大承載的數(shù)據(jù)量就是100K個(gè)bit。如果總線上實(shí)際傳輸了50K個(gè)bit位，那么負(fù)載率就是50%。

CAN FD的總線負(fù)載率

CAN FD由于支持速率可變，總線占用時(shí)間的計(jì)算就稍微麻煩一些

負(fù)載率計(jì)算

對(duì)于上面的計(jì)算公式，對(duì)于一個(gè)CAN總線而言，波特率一般都是已知的。計(jì)算負(fù)載率的關(guān)鍵就是通過CAN報(bào)文統(tǒng)計(jì)出總線上每秒傳輸?shù)腷it數(shù)量。那么就需要回到CAN的幀格式來計(jì)算實(shí)際發(fā)生的bit數(shù)。

一幀數(shù)據(jù)包含以下數(shù)量的bit構(gòu)成：

1位起始位。

11位標(biāo)識(shí)符

1位RTR

6位控制域

0到64位數(shù)據(jù)字段

15位CRC

位填充是可能的，在上面的每一個(gè)序列的5個(gè)連續(xù)位相同的水平。最壞情況下大約是19位。

3位分隔符，ack等。

幀結(jié)束7位

幀后的3位間隔域。

如果軟件需要精確計(jì)算負(fù)載率，無疑是比較麻煩的。因?yàn)閷?duì)于軟件層面，并感知不到除了標(biāo)識(shí)符，控制域和數(shù)據(jù)域以外的其他bit，并且由于填充位的數(shù)量因數(shù)據(jù)不同而不同，軟件做精確的bit位數(shù)量計(jì)算就比較耗費(fèi)資源。

軟件計(jì)算負(fù)載率

基于這樣的情況，實(shí)際可以考慮3種方案

1. 按最少的填充位可能性來計(jì)算（忽略填充位）

忽略填充位顯然會(huì)少統(tǒng)計(jì)很多bit數(shù)量，導(dǎo)致計(jì)算出的負(fù)載率比實(shí)際的偏低，但是每幀的bit數(shù)計(jì)算方式簡單。

/* eff : 擴(kuò)展幀標(biāo)識(shí) */

can_frame_length = (eff ? 67 : 47) + frame->len * 8;

2. 按最多的填充位的可能性來計(jì)算

按最多的填充位計(jì)算負(fù)載率，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的負(fù)載率比實(shí)際的偏高，但是每幀的bit數(shù)計(jì)算方式也比較簡單。

/* eff : 擴(kuò)展幀標(biāo)識(shí) */

can_frame_length = (eff ? 80 : 55) + frame->len * 10;

3.依據(jù)每一幀數(shù)據(jù)，精確的計(jì)算出填充位的數(shù)量

這種方式是最精確的，但是由軟件計(jì)算會(huì)比較復(fù)雜，開銷較大，需要軟件講每一幀的bit按照二進(jìn)制進(jìn)行排列，然后按照CAN協(xié)議位填充的要求，遇到5個(gè)相同的bit就插入一個(gè)相反的填充位，也就是增加一個(gè)bit數(shù)。

以下是幀bit數(shù)計(jì)算代碼

static unsigned cfl_exact(struct can_frame *frame)
{
  uint8_t bitmap[16];
  unsigned start = 0, end;
  crc_t crc;
  uint16_t crc_be;
  uint8_t mask, lookfor;
  unsigned i, stuffed;
  const int8_t clz[32] = /* count of leading zeros in 5 bit numbers */
    { 5, 4, 3, 3, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 };

  /* Prepare bitmap */
  memset(bitmap, 0, sizeof(bitmap));
  if (frame- >can_id & CAN_EFF_FLAG) {
    /* bit            7      0 7      0 7      0 7      0
     * bitmap[0-3]   |.sBBBBBB BBBBBSIE EEEEEEEE EEEEEEEE| s = SOF, B = Base ID (11 bits), S = SRR, I = IDE, E = Extended ID (18 bits)
     * bitmap[4-7]   |ER10DLC4 00000000 11111111 22222222| R = RTR, 0 = r0, 1 = r1, DLC4 = DLC, Data bytes
     * bitmap[8-11]  |33333333 44444444 55555555 66666666| Data bytes
     * bitmap[12-15] |77777777 ........ ........ ........| Data bytes
     */
    bitmap[0] = (frame- >can_id & CAN_EFF_MASK) > > 23;
    bitmap[1] = ((frame- >can_id > > 18) & 0x3f) < < 3 |
          3 < < 1                          | /* SRR, IDE */
          ((frame- >can_id > > 17) & 0x01);
    bitmap[2] = (frame- >can_id > > 9) & 0xff;
    bitmap[3] = (frame- >can_id > > 1) & 0xff;
    bitmap[4] = (frame- >can_id & 0x1) < < 7              |
          (!!(frame- >can_id & CAN_RTR_FLAG)) < < 6 |
          0 < < 4                         | /* r1, r0 */
          (frame- >can_dlc & 0xf);
    memcpy(&bitmap[5], &frame- >data, frame- >can_dlc);
    start = 1;
    end = 40 + 8*frame- >can_dlc;
  } else {
    /* bit           7      0 7      0 7      0 7      0
     * bitmap[0-3]  |.....sII IIIIIIII IRE0DLC4 00000000| s = SOF, I = ID (11 bits), R = RTR, E = IDE, DLC4 = DLC
     * bitmap[4-7]  |11111111 22222222 33333333 44444444| Data bytes
     * bitmap[8-11] |55555555 66666666 77777777 ........| Data bytes
     */
    bitmap[0] = (frame- >can_id & CAN_SFF_MASK) > > 9;
    bitmap[1] = (frame- >can_id > > 1) & 0xff;
    bitmap[2] = ((frame- >can_id < < 7) & 0xff) |
          (!!(frame- >can_id & CAN_RTR_FLAG)) < < 6 |
          0 < < 4 | /* IDE, r0 */
          (frame- >can_dlc & 0xf);
    memcpy(&bitmap[3], &frame- >data, frame- >can_dlc);
    start = 5;
    end = 24 + 8 * frame- >can_dlc;
  }

  /* Calc and append CRC */
  crc = calc_bitmap_crc(bitmap, start, end);
  crc_be = htons(crc < < 1);
  assert(end % 8 == 0);
  memcpy(bitmap + end / 8, &crc_be, 2);
  end += 15;

  /* Count stuffed bits */
  mask   = 0x1f;
  lookfor = 0;
  i   = start;
  stuffed = 0;
  while (i < end) {
    unsigned change;
    unsigned bits = (bitmap[i / 8] < < 8 | bitmap[i / 8 + 1]) > > (16 - 5 - i % 8);
    lookfor = lookfor ? 0 : mask; /* We alternate between looking for a series of zeros or ones */
    change = (bits & mask) ^ lookfor; /* 1 indicates a change */
    if (change) { /* No bit was stuffed here */
      i += clz[change];
      mask = 0x1f; /* Next look for 5 same bits */
    } else {
      i += (mask == 0x1f) ? 5 : 4;
      if (i <= end) {
        stuffed++;
        mask = 0x1e; /* Next look for 4 bits (5th bit is the stuffed one) */
      }
    }
  }
  return end - start + stuffed +
    3 +     /* CRC del, ACK, ACK del */
    7 +    /* EOF */
    3;    /* IFS */
}

軟件計(jì)算負(fù)載率的缺陷

對(duì)于軟件統(tǒng)計(jì)負(fù)載率，即使采用精確計(jì)算填充位的算法，由于以下原因仍然不能真實(shí)的反應(yīng)總線的負(fù)載情況。

對(duì)于CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，或者格式錯(cuò)誤的幀，軟件層面一般不會(huì)接收到，也難以統(tǒng)計(jì)這部分錯(cuò)誤幀產(chǎn)生的總線負(fù)載

硬件統(tǒng)計(jì)負(fù)載率

相比軟件計(jì)算負(fù)載率，對(duì)需要精確計(jì)算總線負(fù)載的場合，更好的方案是用專業(yè)的硬件來統(tǒng)計(jì)發(fā)生的bit數(shù)量，并計(jì)算負(fù)載率。

測量CAN BUS總線負(fù)載率的工具和軟件

**Linux下使用canbusload **

canbusload 是linux CAN工具canutils的其中一個(gè)程序。它可以很方便的計(jì)算并刷新當(dāng)前CAN總線上的負(fù)載率信息，并且提供了上述的3種軟件算法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（即忽略填充位，最大計(jì)算填充位，精確計(jì)算填充位）。

以下是canbusload 的使用方法

ubuser@ubuser-Lenovo-Product:/$ canbusload 

Usage: canbusload [options] < CAN interface >+
  (use CTRL-C to terminate canbusload)

Options: -t (show current time on the first line)
         -c (colorize lines)
         -b (show bargraph in 5% resolution)
         -r (redraw the terminal - similar to top)
         -i (ignore bitstuffing in bandwidth calculation)
         -e (exact calculation of stuffed bits)

Up to 16 CAN interfaces with mandatory bitrate can be specified on the 
commandline in the form: < ifname >@