CAN-FD引入了更快的比特率，在數據階段可設置為高達5Mbit/s，但其后果是由于信號振鈴而受到嚴格的拓撲結構限制。這就使CAN-FD局限于線性網絡，限制了設計的自由度，增加了布線和系統成本。所以，在2020年的第17屆國際CAN大會（iCC）上，CiA推出了第三代CAN通信技術CAN-XL（extra long）。

CAN-XL是一種高度可擴展的通信技術，涉及比特率和數據字段的長度，物理層仍在開發中。其目標是實現高達10+Mbit/s的比特率。CAN-XL針對面向區域的異構網絡體系結構進行優化，能夠以最優的長度滿足未來車載網絡的要求。

汽車工業試圖減少布線，以最小化重量，或者換句話說，是限制能耗。CAN-XL通過保持CAN協議的優勢（例如無損仲裁的沖突解決），為高達10Mbit/s的數據速率提供了出色的解決方案， 填補了CAN-FD與100BASE-T1之間的空白。

它主要有以下幾個核心期望特性。

1.有效負載長度：?與以太網幀長度一樣。

2.可靠性：?等于或者優于CAN，CAN-FD和10Mbit/s以太網的穩定性。

3.魯棒性：?與CAN-FD一樣好，甚至要優于10Mbit/s以太網。

4.波特率：?在數據段的傳輸速率至少大于10Mbit/s。

5.兼容性：?向后兼容CAN-FD。

CAN-XL是對CAN和CAN-FD的進一步擴展，并且在很大程度上遵循相同的運行原理。CAN報文分為仲裁段和數據段，盡管CAN-XL在仲裁段使用500kbit/s至1Mbit/s的低速率，但數據段的傳輸速率卻可提升至2Mbit/s至10Mbit/s。相對于CAN-FD的可選速率切換功能，CAN-XL能夠強制執行速率切換。?

CAN-XL協議

此外，總線訪問仍舊采用CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突解決方案），通過位仲裁解決總線訪問權限問題。CAN-XL遵循嚴格的優先級概念，允許更重要的消息無延遲地傳輸。CAN-XL僅支持11位標識符ID，不再使用29位標識符ID，憑借用于報頭和幀以及格式檢查的漢明距離6算法，確保數據傳輸的高可靠性，實際上勝過FlexRay和以太網的CRC功能。

然而，對于未來的應用而言重要的不僅僅是提高數據傳輸速率。CAN-XL主要功能之一是數據段支持1～2048Byte的可變長度。在必要時，可將以太網幀打包為CAN-XL消息，直接或間接通過CAN-XL使用IP通信技術。

第3代 CAN-XL 數據鏈路層協議關鍵功能如下：

1.傳輸數據最多可達2048字節；

2.包含高層協議管理信息；

3.使用兩個CRC檢驗段用于提升可靠性；

4.其傳輸位速率達到10 Mbit/s；

5.支持所有3種CAN協議，經典CAN、CAN-FD和CAN-XL，保留與CAN2.0和CAN-FD的互操作性；

6.支持集成到TCP/IP網絡系統中。

CAN-XL重新定義數據鏈路層，分為兩個數據鏈路子層CAN-XL與以太網相似，CAN標準（ISO 11898系列）規定了兩個數據鏈路層子層：LLC層和MAC層。

LLC子層：?位于OSI網絡層和MAC子層的中間層。LLC幀結構包含所有的CAN幀格式和類型需要的內容。

MAC子層：?負責將幀數據從LLC子層移動到PMA子層，通過位填充（stuffbits）和CRC來保證幀的傳輸。

在發送過程中，LLC幀被轉換為一個MAC幀。在接收時MAC幀被轉換為一個LLC幀。在LLC幀中未被用于所選的CAN幀格式的部分內容將被忽略。

從頂層看，CAN控制器支持CAN-XL，CAN-FD和經典CAN，所以需要支持3種數據格式，其軟件接口如圖所示。

新的LLC幀格式

有了優先級ID、遠程幀和擴展幀指示，FDF位表示使用CAN-FD協議而不是經典CAN；選擇了FDF段，就可以選擇額外使用包含很多內容的XLF段，表示支持CAN-XL。

根據CAN XL LLC幀格式，可以總結出如下幾個特點：

1、CAN-XL數據需要傳輸一個11位的優先級ID，表示數據在總線上的優先級。系統設計師需要為數據分配獨一無二的優先級ID；

2、FDF位會一直是顯性的；

3、XLF位會一直是顯性的；

4、服務數據單元（SDU）類型表示這個CAN-XL幀使用那個高層協議；

5、數據鏈路層安全指示（SEC）是一個新的位，表示在數據鏈路層使用了額外的數據安全協議；

6、數據長度編碼（DLC），在CAN-FD和經典CAN中也有，它的長度是4位。在CAN-XL中是11位，為了傳輸更多的數據，數據可以有2048個字節；

7、虛擬CAN ID和SDU類型一樣是新的字段。虛擬CAN ID可以使完全不同的應用運行在同一條電纜上。例如這一幀用于這個應用，下一幀用于另外一個應用，可以使用分開不同的通道。虛擬ID在以太網中很常見；

8、接收段（AF），首先這是正式的CAN ID，有時直接使用29位ID，可以在這里提供用戶希望收到的內容，也可以用作保證字段，像經典CAN一樣表示數據的內容或者節點地址信息。無論用戶想要什么，都可以將其放入接收字段；

9、LLC數據字段的幀可以包含最多2048字節數據，最小字節為1字節，所以不能像經典CAN和CAN-FD一樣發送0字節的數據。

正如上面提到CAN ID和CAN-FD和經典CAN不一樣，在經典CAN和CAN-FD中，CAN ID字段（11位或29位）用于仲裁和尋址目的。而在CAN-XL中，這些函數是分開的。11位優先級ID子字段（priority ID sub-field）提供了CAN-XL數據幀的唯一優先級分配。32位接收字段（acceptance field）包含在CAN-XL控制器的64位硬件接收過濾器中，它可能包含節點地址或內容指示信息，可以用于包含經典CAN的高層協議。

數據服務單元（SDU）是一個新的內容，和以太網的EtherType類似。OSI層管理信息符合ISO 7498-4：1998，這是一個舊的協議，將它內嵌到XL幀中，可以提供更多的應用。在SDT中，發送節點提供使用高層協議的信息，可以是傳輸層協議、網絡層協議或應用層協議。例如：遺留的基于CAN的高層協議；以太網幀的隧道化，可以傳輸以太網幀，使過程更加平滑和簡單；經典CAN和CAN-FD幀的隧道化，將經典CAN和CAN-FD幀轉發到另一個局域網，CAN-XL作為骨干網使用；TCP/IP段；CAN open/CAN open FD；J1939-21/22消息；生產商自定義協議等。

虛擬CAN-ID和SDT雖然有些類似，但也有一定的區別。虛擬CAN-ID的目的是在電纜上運行不同的應用，帶寬和長度足以用于更多的數據。例如，可以同時上傳或下載兩個不同的應用程序，支持256個不同的虛擬通道，某種程度上也屬于網絡層信息。所以，可同時使用一幀用于某個應用程序，另一幀用于另一個程序或一組應用程序。

對于數據鏈路層，CAN-XL支持專有的協議。控制字段中的SEC位表示這個CAN-XL數據幀是否使用CADsec協議。CADsec協議具有一個4字節的header，包含密碼控制信息、CAN安全通道ID和一個新鮮度值。16字節的trailer包含128位身份驗證標記。這個功能目前尚在開發中，還需要芯片制造商的支持。

經典CAN、CAN-FD和CAN-XL幀的區別如圖所示。

經典CAN、CAN-FD和CAN-XL幀的比較

1. 幀起始

幀起始和幀結束是作為不變的部分。

2.仲裁段

在仲裁段中存在如下內容：

（1）優先級ID：11位優先級ID字段負責分配唯一優先級仲裁的CAN XL數據幀。系統設計人員需要保證優先級ID對于不同幀是唯一的；

（2）RRS：用于填充遠程幀；

（3）IDE：用于指示是否使用29位ID；

（4）FDF：FDF指示使用2個波特率；

（5）XLF：用于指示是否使用新了XL協議。

3.控制段

控制段在經典CAN和CAN-FD中很短，在CAN-XL中有更多的功能，需要更多的位去控制XL幀。

控制段中包括以下幾個內容：

（1）R1：保留的R1位，用于未來第四代CAN的開發；

（2）ADS：并不是協議的一部分，只是切換比特率，為了正確切換到快速波特率，長度需要4位。傳輸使用快速波特率，可以達到10Mbit/s或者更高；

（3）SDT：服務數據單元；

（4）SEC：安全位；

（5）DLC：數據長度編碼；

（6）SBC：填充位計數器，這個在CAN-FD協議就已經有了，用于計算填充位的數據；

（7）PCRC：CRC多項式校驗，PCRC是13位，它提供的漢明距離為6，意味著可以檢測出在CRC字段之前5個隨機分布的錯誤。在CAN-XL中可以進行單次發送，可以停止傳輸并表明需要處理一個錯誤；

（8）VCID：虛擬CAN ID；

（9）AF接收段，有32位長，在控制段的結尾，不需要經典CAN和CAN-FD的地址信息。

4.數據段

數據段最大長度為2048字節。

5.CRC段

數據段受CRC段保護，CRC段提供32位的幀CRC，在全部2048字節的漢明距離也為6，比其他網絡要好。檢查模式用于檢測幀中某一位的錯誤。因為兩個CRC是級聯的，所以FCRC也保護PCRC，全部的FCRC和PCRC保證了高可靠性的通信系統。

6.ACK段

經典CAN和CAN-FD是2位，CAN-XL有6位，多出來的4位用于將不同節點從高速度重新同步到低速度。DAS字段中的第一個是DAH位，它是作為邏輯1發送的。通過該位，將CAN-XL SIC中的收發器模式切換回SIC模式。ACK位和ACK界定符同之前的協議一樣。

7.幀結束

幀結束段包含7個隱性位，表示已經準備好并且幀已經發送完畢。

CAN-XL有很多變化，需要更多位，所以幀頭開銷更大，數據也變得更長長。使用CAN-XL僅傳輸一個字節的話，效率會非常低。如果使用所有的2048個字節，例如下載軟件，效率會很高。

CAN-XL的物理層會有些不同，使用經典CAN收發器速率會被限制在1Mbit/s，CAN-FD收發器速率會被限制在2Mbit/s或者2Mbit/s，使用CAN SIC收發器，速率可以達到8Mbit/s。

目前正在開發CAN-XL SIC收發器，速率可以達到10Mbit/s以上，2023年4月CAN XLPlugfest會議上Kvaser成功演示了20Mbit/s的速度。CAN-XL SIC收發器必須支持MICI接口（medium-independent CAN interface，介質無關CAN接口），當采用MICI接口時，可以向下兼容之前的CAN-FD，也給半導體商和工具開發商提供更多靈活的實現方案。目前研發中的芯片MICI接口是和收發器芯片在一起的，MICI用于連接CAN-XL控制器和CAN-XL SIC收發器，它基于TX的單路經PWM信號而工作。

MICI接口

CiA規定了CAN-XL控制器（CIA 610-1）和CAN-XL SIC收發器（CIA 610-3），CAN-XL控制器可以連接到所有提供AUI或MICI接口標準化CAN收發器技術。CAN SIC XL收發器有兩個工作模式：SIC mode模式；Fast TX /RX mode模式。

CAN-XL傳承自經典的CAN和CAN-FD，并縮小了CAN/CAN-FD與Ethernet之間的傳輸速度和耦合的差距。在合適的應用領域中，CAN-XL可以采用更小巧更便宜的控制器。利用高達2048Byte的有效數據長度，CAN-XL為將來傳輸以太網幀和利用IP通信提供所需的功能。這意味著CAN-XL和10base-T1S可以共同在基于信號的通信和面向服務的通信之間提供連接。通過對協議層進行適當地展開，將為應用提供更豐富的可能性。

審核編輯：湯梓紅

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