CAN XL ：CAN协议家族新成员

十年之前，你不认识我，我也不认识CAN FD。如今，CAN FD已经陆续进入乘用车领域，几乎所有汽车制造商都将在未来几年内逐步推出搭载CAN FD的乘用车。那十年之后，车载网络又会向什么方向发展呢？

根据现在的形势来看，车载架构将从历史悠久的平面网络方案迁移到与域相关的方案。而域相关的车载网络体系结构，就需要通用的标准化高层协议。对于高层协议来说，它们应尽可能独立于下层协议，这样不同通信技术的专用技术和商业功能就能够被使用。当然，要支持TCP / IP，经典的CAN和CAN FD并不是最好的下层方法。因此，CiA（CAN in Automation，以下简称CiA）及其成员已经开始开发具有支持10 Mbit / s甚至更多的物理层的CAN XL。虽然TCP / IP不一定是最佳的传输/网络层的解决方案，但是DoIP已经在ISO中标准化并且广泛应用了，所以能够支持TCP/IP对于CAN XL来说还是非常重要的。

CAN XL规范尚未最终确定，仍然存在一些未解决的问题。已经决定的是数据字段长度最大为2048字节和11位优先级字段。此外，该协议为使用的下一个更高协议提供8位指示符。可以说这是不适合经典OSI参考模型的嵌入式层设置参数。这样的嵌入式层设置参数对于其他高层协议也将很有帮助，以简化多协议堆栈。如今，标准化了太多不同的高层协议，它们并不完全独立于所使用的较低层协议。一些ISO专家希望克服这一点。

CAN XL原计划于3月中旬在德国-巴登举行的国际CAN大会（iCC）上正式推出。今年晚些时候，当CAN XL规范发布并且相关的互操作性测试证明了第一个实现的互操作性时，CiA会将它们提交给ISO进行国际标准化。

下面就一起来看一下CAN XL与CAN FD的异同。

▲ 图 1：CAN FD, CAN XL帧格式

• 与CAN FD相比，CAN XL增加了位的数量；
• 这些附加位位于报文头与报文末尾处；
• 大多数的所需位是CRC，必须增加它才能保护超出的更多的字节。

CAN FD& CAN XL报头比较

▲ 图 2：CAN FD, CAN XL帧头部

上图中顶部的黑线表示隐性，底部的黑线表示显性。那么我们分析上图可得出以下结论：

• SOF和11位的CAN ID场在CAN、CAN FD、CAN XL中是通用的；
• CAN FD和CAN XL始终不支持RTR远程请求；
• CAN XL不支持IDE标识符扩展（29位CAN ID），该位始终处于显性；
• 隐性FDF位指示CAN FD，隐性FDF、XLF位指示CAN XL；
• CAN FD中res位始终处于显性，隐性BRS位（波特率切换）会提升传输速率；
• CAN FD中ESI位通常处于显性，但处于被动错误时会变为隐性；
• CAN XL中resXL位是隐性的，可用于将来的扩展；
• CAN XL中AL1、DH1和DL1作为新的波特率切换序列；
• CAN XL中Payload 8-bit用于不同数据包的预定义多路复用位；
• CAN XL中DLC是一个11位整数，其中数据字节数是该整数加1；
• CAN XL中Header-CRC用于保证DLC正确，DLC定义数据CRC从何处开始。

▲ 表 1：DLC编码表

CAN FD& CAN XL报尾比较

▲ 图 3：CAN FD, CAN XL帧尾

• 对于相同的数据长度，CAN XL中较长的报头可能需要较长的CRC；
• CAN XL包含用于波特率切换位，确保向前的兼容性；
• CAN XL CRC之后是波特率的切换模式，而不是CRC定界符；
• 为了确保重新同步到未来格式的帧末尾，集成格式：将CAN XL中放置NACK添加到旧ACK中。

CAN XL的波特率转换

▲ 图 4：CAN XL帧格式

• DH1和DL1之间边缘的波特率增加；
• DH2和DL2之间边缘的波特率降低；
• AL1位包含一个特殊模式，它可以切换CAN驱动器进入高波特率模式；
• AH1位包含一个特殊模式，它将使CAN驱动器脱离高波特率模式。

CAN XL每个CAN帧中有更多的数据：1—2048字节，并且在数据部分增加了波特率，具有更好的故障保护措施，可为下一代CAN做更好的准备。

上文曾说到，CAN XL是CiA为了填补CAN FD与100Base-T1之间的空白而提出的解决方案。相应的，IEEE已经于2019年标准化了一个适用于汽车的10Mbps以太网版本(10BASE-T1S)。那么，这两种方案之间的对比是自然少不了的，本人才疏学浅，只能就个人对10Base-T1S和CAN XL这两种技术的理解来进行比较，主要是从发布的标准进行定性的一些比较。

首先从规范成熟度来看，10Base-T1S已经发布了标准文档。CAN XL规范还没有最终确定，仍有一些悬而未决的问题待决定。

接下来对比两者的具体性能。从数据净载荷来看，两种技术都可以达到10Mbps。但是为了兼容老的CAN规范，CAN XL帧的头部和尾部速率较低，这其实降低了整个的传输速率。在兼容性方面，CAN XL可以实现对大多数CAN/CAN FD应用的兼容，但是不支持远程帧和29bit的ID场，这就导致在商用车领域的应用受到了限制。10BASE-T1S继承以太网的良好特性，很多成熟的基于TCP/IP的工业界软件都容易移植到新的车载以太网协议上去。而且在以交换机为核心的车载网络中是如鱼得水的。

CAN XL继承了CAN的良好特性，可以保证收发数据无丢失，这个特性都是固化在CAN控制器中的。10Base-T1S跟其他以太网协议一样，需要通过较高层的协议（如TCP）才能检测出数据丢失，而且依赖于软件实现。CAN XL跟CAN一样，可以检测故障并从故障中恢复出来，当帧头部速率1Mbps时可以在23us内恢复，但TCP/IP却要花几十ms才能从故障中恢复过来。所以，可以说在数据安全性上CAN XL略胜一筹。

最后分析一下很多OEM厂家最关心的话题——成本。CAN控制器目前是集成到处理器芯片中的，这减少了一部分软件成本也保证了一致性。除去交换机的成本因素不谈，就单个处理器芯片来说，可能会有一些处理器集成10Base-T1S控制器，但由于以太网软件协议栈的缘故可能会增加一些软件成本，而且还会带来协议一致性的问题。同时，受限于25m的最长通信线路和最大8个节点，会导致在一些特殊域使用起来要分多个网段，增加成本。

▲ 表2：CAN XL与10Base-T1S对比

当然，CAN XL还是需要等ISO进行国际标准化之后才能够真正的登上历史舞台，但是，现在已经给人们提供了一个新的高速稳定的传输方案。