随着汽车电子、工业自动化的蓬勃发展，CAN总线上的设备数量、数据量都大大增加，给CAN总线带来了极大的挑战。为满足更高的带宽及数据吞吐量，CAN FD（CAN with Flexible Data-Rate）诞生了。那究竟CAN FD与传统CAN的区别是什么？在数据传输和实时性能方面又有什么不同？
一般从使用传统CAN转换到CAN FD会有以下3个原因：- 延迟时间更短.
- 更好的实时性能
- 更高的带宽
CAN FD可以在CAN帧中容纳从8到64字节更多的数据
- 相对更少的系统开销 = 更好的数据吞吐量
- 发送较大数据对象时，软件更简单高效
由于CAN FD是在CAN总线的数据量负荷逐渐达到极限后的产物，本文旨在对比CAN FD与传统CAN的同时详细介绍CAN FD。
图 1 传统 CAN 帧（上图）和 CAN FD 帧（下图）比较。两种帧都是单字节数据，而且在此例中， CAN FD 帧没有提高位速率。可以看出，两种帧从帧起始（SOF）位到整个 11 个仲裁位都相同。仲裁之后，传统 CAN（标记为 A）中是远程传输请求位（RTR 位），CAN FD 帧中是远程请求替换位（RRS 位）。对于数据帧，该位在这两种帧格式中始终为显性（0）。通常定义为逻辑 0 和 0 伏信号的显性位由底部较粗的黑线表示（标记为 B）。远程传输请求位（RTR 位）之后的位是显性标识符扩展位（IDE 位），表示该帧是使用 11 位仲裁的基本帧格式。注意，本文将不涉及使用 29 位仲裁的 EF 扩展帧格式（EFEFF） 。IDE 位之后是 r0 位（保留位），其在传统 CAN 帧格式中始终为显性。在 CAN FD 帧格式中，该位为隐性（见 C），指示该帧不是传统 CAN 帧，而是保留格式的 CAN 帧，现在称其为 CAN FD（CAN Flexible Data-rate）。换句话说，该位指示 CAN 帧是传统 CAN 帧还是 CAN FD 帧。自 ISO11898-1 标准发布以来，该位被称为 FDF 位（灵活数据格式位），代替在 ISO11898-1 标准先前版本中被称为 r0 位的名称。在任何先前文档或数据表中见到对 r0 位的引用，它与 2015 年发布的 ISO11898-1 版中的 FDF 位是相同的。FDF 位/r0 位（从现在开始我们将其称为 FDF 位）之后是 FD 格式的保留位（res）和传统 CAN 格式的数据长度码位（DLC）。换句话说，按照以前的 ISO11898-1 标准所有产生的传统 CAN 控制器都将错误地解读 CAN FD 帧，从而导致传统 CAN 控制器的错误帧。在循环冗余检查（CRC）定界符（图 1 中标记为 D）之后，传统 CAN 和 CAN Fd 在其位模式方面是一致的。换句话说，在下一帧开始之前，传统格式和 FD 格式使用相同的结束模式。所有 CAN FD 控制器都可以处理传统 CAN 帧和 CAN FD 帧的混合。这意味着在现有系统中开始使用 CAN FD 控制器以及仅使用传统 CAN 格式的传统 CAN 控制器是可行的。当所有老的传统 CAN 控制器都被 CAN FD 控制器替换时，可以将传统 CAN 帧与 CAN FD 帧混合使用，或者仅使用两种类型之一。 在 CAN FD 帧中的 FDF 位之后是保留位。将此位设置为隐性指示未来协议，与 FDF 位指示从传统 CAN 转换到 CAN FD 格式的方式相同。未来协议尚未定义。值得注意的是，传统 CAN 格式的 r0/FDF 位用于指示 CAN FD 格式之前耗费了 25 年时间。在保留位之后是 BRS 位（位速率转换）。这个额外的位允许 CAN FD 帧以两种不同的格式发送。如果 BRS 位为显性被发送，则所有位将以与图 1 所示的仲裁中所使用的相同的位速率发送。如果BRS 位为隐性，则在此位后帧格式将使用较高的位速率，直到并包括 CRC 定界符。BRS 位之后是 ESI 位（错误状态指示器），通常显性发送为主。如果 CAN FD 帧发送节点变为错误-被动，则该位将被隐性发送，指示发送方节点存在重要的通信问题。目前尚不清楚该位如何在更广泛的应用中使用，但是它已经被汽车制造商根据所需进行了采纳。 在这 3 个新位（保留位，BRS 位和 ESI 位）之后是 4 个 DLC 位，指示 CAN 帧中的数据字节数。表 1 显示了这 4 个位如何用于指示 CAN 帧中的数据字节数。传统 CAN 帧最多可容纳 8 个字节的数据。从表中可以看出，超出 8 个字节可以发送 DLC 码，但只有 8 字节的数据将被放置在发送的 CAN 帧中。仔细观察表格你会发现 9 到 15 的 DLC 在 CAN FD 格式中有所差异。9 到 63 的任何数量的字节需 6 位 DLC，并且到 64 字节将需 7 位 DLC。折中方案是保持 4 位 DLC，并限制 CAN FD 帧（12, 16, 20, 24, 38, 48 和 64）中的字节长度数。DLC 位后的数据（图 1 显示一个数据字节的 CAN 帧）。该数据前和后的位是固定长度的任意数量数据字节。本例中要传输一个字节的数据，传统格式需 55 位，CAN FD 格式需 70 位。在最差的情况下，也可以在帧中包含多个填充位。如果帧在同一级别的行中超过 5 位，则协议将在帧中添加一个额外的位，具有反相极性，以确保可以使用级别更改来重新同步采样点。这个添加和除去额外的位用于重新同步的过程称为填充，并且这些位在 CAN 协议中被标记为填充位。通过在每个 CAN 帧中打包更多的数据来提高数据传输效率，这可以从表 1 的最后两列看出。效率方程式假定在开销中最差情况下的填充位数。由于其较低的开销，传统 CAN 与 CAN FD 相比效率略高。通过将 CAN FD 帧中的字节数从 8 字节增加到 64 字节，可以将效率从 50％增加到88％。在表中，还包括以不同帧格式使用的 CRC 码。传统 CAN 格式对于所有帧类型使用 15 位 CRC 编码，因为所有帧具有相似的长度。CAN FD 帧更复杂一些，因为 64 字节帧比 8 字节帧要长 8 倍。为了解决这个问题，在 CAN FD 帧中使用两种不同的 CRC 长度：如果帧保持 16 字节或更少，则使用 17 位的 CRC-17;且如果 CAN 帧保持 20 字节或更多，则使用具有 21 位的 CRC-21。它是具有 2 个额外位的 CRC 加上填充计数器中的 4 位和固定填充位，这就使得 CAN FD 帧比传统 CAN帧更长。有人会说这个比较不完全公平，因为传统CAN 帧在CRC段可以有多达3个填充位，在控制段还可以有 3 个位。CAN FD 帧的 CRC 段中的额外位为数据内容提供了更好的保护，系统高安全性是从传统 CAN 转到CAN FD 的充分理由。CAN 帧中有超过 8 个字节的数据，由于提高了效率，数据吞吐量将会增加，这是从传统 CAN 转到CAN FD 的另一个原因。重要的是要记住，尽管使用更长的 CAN 帧的效率确实有所提高，但 CAN 帧和每秒帧数更少，这增加了通信中的延迟时间并降低了实时性能。为了减少此问题并增加数据吞吐量，可以将 CAN FD 帧中的位速率提高到传统 CAN 以上的可能性。迄今为止对 CAN FD 的描述是在整个 CAN 帧中具有相同的位速率。如上所述，隐性 BRS 位将要求在帧的数据部分中切换到较高的位速率。在图 2 中，添加了第 3 个 CAN 帧。该第 3 帧是具有与中间 CAN FD 帧相同内容的 CAN FD 帧，但是在本例中，该帧以中间的 CAN FD 帧的数据速率的两倍发送帧。图 2 CAN FD 帧不含/含有提高 2 倍数据速率因为它具有相同的内容，所以你将获得相同的 DLC 和数据，但是当 CAN FD 以更高的位速率发送时，BRS 位将被隐性发送（见 E）。BRS 位包含在 CRC 计算中，即使 CAN-ID，DLC 和数据相同，也会产生两个不同的 CRC 内容。从图 2 可以看出，以较高位速率发送的第一个位是 ESI 位，后面是 DLC，数据字节和 CRC 位。以较高位速率发送的最后一位是 CRC 定界符。由此可以理解，较高的位速率不仅适用于 CAN Fd 帧的数据段，而且也适用于周围的位。图 3 与图 2 相同，除了先前描述的帧下面的一个新帧。这个新帧与所有其他帧具有相同的内容，但位速率是仲裁位速率的八倍。与具有不变位速率或双位速率的 CAN FD 帧相比，变化相对较大。可以看出，不仅数据的单字节获得较高的位速率，而且帧的 DLC 和 CRC 部分也一样，其总共有大约 40 位。图 4 显示 3 个 CAN 帧，顶部为 8 个字节的传统 CAN 帧。中间是一个具有 64 字节的 CAN FD 帧，底部的 CAN 帧是相同的 CAN FD 帧内容，但是位速率增加（速度快八倍）。 图 3 在图 2 的基础上多了位速率增加 8 倍的 CAN FD 帧从图 4 可以看出，更多的数据将使 CAN 帧传送时间更长，这将阻止其它高优先级 CAN 帧开始发送。为了保持实时性能，需要增加位速率以减少 CAN 帧的长度，并且减少 CAN 帧占用通信线路的时间以及防止其它高优先级帧访问通信。底部是位速率增加了 8 倍的 64 字节 CAN FD帧
总之，具有高位速率的 CAN FD 将增加实时性能，因为较高的位速率使得 CAN 帧在传送时间上更短，从而减少通信中的延迟。通过在每个帧中传送更多数据，可以增加数据吞吐量，但是如果不结合使用较高的位速率，这将降低实时性能。在许多情况下，编程中会使用 64 字节长的 CAN 帧，这通常在系统暂停且没有实时控制运行时完成。即使没有实时需求，使用更高的位速率来提高数据吞吐量仍然有利，并缩短下载时间。
