CRC(17/21 位)与位填充

子域: protocol

概述

CRC(循环冗余校验) 是帧尾的检错字段,由 BCH 码派生(6.6.4.4)。CAN FD 中,数据长度 ≤ 16 字节时采用 17 位 CRC(CRC_17),> 16 字节时采用 21 位 CRC(CRC_21),保证长数据帧仍维持与经典 CAN 15 位 CRC 相当(同为汉明距离 6)的检错强度。CRC 覆盖 SOF、仲裁场、控制场、数据场以及其中的动态填充位与 stuff count(经典 CAN 的 CRC 不覆盖填充位)。

位填充(Bit Stuffing) 是保证总线信号有足够跳变沿供节点重同步的编码机制(6.6.13):经典 CAN 与 CAN FD 仲裁相位采用动态位填充(连续 5 个相同电平后插入 1 个反相填充位);CAN FD 数据相位(CRC 字段)改用固定位填充(stuff count 前 1 个 + CRC 字段每第 4 位后 1 个),使高速数据相位的填充行为可预期。两者均由 ISO 11898-1:2024 第 6.6.4.4/6.6.13 节定义。

关键参数:CRC 生成多项式(6.6.4.4)

CRC帧/字段位长 nCRC多项式(十六进制,含高序位)初始化向量 CRC_INIT_VECTOR汉明距离
CRC_13XL 帧仲裁与控制字段(PCRC)1339E7₁₆(0,0,…,1)(单个 1 在最低位)6
CRC_15经典 CC 帧(FCRC)15C599₁₆(0,…,0)6
CRC_17FD 帧数据字段 ≤16 字节(FCRC)173685B₁₆(1,0,…,0)(单个 1 在最高位)6
CRC_21FD 帧数据字段 >16 字节(FCRC)21302899₁₆(1,0,…,0)(单个 1 在最高位)6
CRC_32XL 整帧(FCRC)321F4ACFB13₁₆(0,0,…,1)(单个 1 在最低位)6

要点:发送节点与接收节点在 SOF 处同时计算全部五种 CRC;赢得仲裁的节点按帧格式与 DLC 选择发送相应 CRC 序列,接收端只按所选多项式校验(6.6.4.4)。CRC 相关位流按 6.6.10.5/6.6.11.5/6.6.12.3/6.6.12.5 规定,并补 nCRC 个 0 位参与计算;计算用 nCRC 位移位寄存器按”CRCNXT = NXTBIT EXOR CRC_RG(nCRC−1)“的算法实现(6.6.4.4)。

FD 帧 CRC 相关位流(6.6.11.5)

相关位流 = SOF + 仲裁场 + 控制场 + 数据场
          + stuff count + 动态填充位(不含固定填充位)

Stuff count(FD 帧,6.6.11.5、表 8)

  • 位于 CRC 字段开头,4 位:SBC3/SBC2/SBC1 格雷编码 + SBC0 奇偶位;
  • 表示 stuff count 之前(第一个固定填充位之前)填充位数量模 8 的值 0-7;
  • 发送端与接收端都计数填充位;接收端校验收到的 stuff count 与自身计数是否匹配,不匹配判 FCRC 错误(6.6.21.2 c)。

关键参数:位填充规则(6.6.13)

动态位填充(6.6.13.2)

  • 发送器检测到 **5 个连续相同位(含动态填充位)**时插入 1 个互补位;接收器识别 5 个连续相同位后丢弃其后的动态填充位;
  • 应用范围:CC 帧从 SOF 到 FCRC;FD 帧从 SOF 到数据场;XL 帧从 SOF 到仲裁场(XL 帧最大 3 个动态填充位,最后可能位置在 FDF 位之前);
  • 填充错误:动态填充编码字段第 6 个连续相同电平位处检测(6.6.21.2 b)。

固定位填充(FD CRC 字段,6.6.13.3.1)

  • stuff count 第一位之前必有 1 个固定填充位,即使前字段末尾不是 5 个连续相同位;若前字段末尾恰好是 5 个连续相同位,则只保留该固定填充位、不得连续两个填充位;
  • 此后 CRC 字段每第 4 位后插入 1 个固定填充位;
  • 固定填充位取值 = 其前一位的反码;
  • 接收端丢弃固定填充位做 CRC 校验;固定填充位与前位相同时检测格式错误(不是填充错误);
  • FD CRC 字段固定填充位数量等于 CC 帧动态填充方法的最大填充位数。

不填充的字段(6.6.13.1)

ACK 字段、EOF(XL 帧还有 FCP)不填充。

工作原理

CRC 编码与解码流程(flowchart)

flowchart LR
    subgraph TX["发送端"]
        A["SOF 处同时计算五种 CRC<br/>(CRC_13/15/17/21/32,6.6.4.4)"] --> B["赢得仲裁后按帧格式与 DLC 选择:<br/>≤16 字节 → CRC_17;>16 字节 → CRC_21"]
        B --> C["相关位流补 nCRC 个 0 参与计算<br/>CRC 序列 = 多项式除法余数"]
        C --> D["发送:SBC(stuff count)+ FCRC + 固定填充位 + CRC 界定符"]
    end
    subgraph RX["接收端"]
        E["同样从 SOF 计算对应多项式"] --> F["丢弃固定填充位后<br/>比较 CRC 序列与 stuff count"]
        F --> G{"匹配?"}
        G -->|"是"| H["ACK slot 发显性确认(6.6.14)"]
        G -->|"否"| I["FCRC 错误:不发 ACK,<br/>FD 帧在 CRC 界定符后 3 位时间起发错误帧(6.6.21.3.1)"]
    end
    D --> E

位填充插入规则(flowchart)

flowchart TD
    A["发送位流(SOF 起)"] --> B{"当前编码区域?"}
    B -->|"CC 帧 SOF-FCRC / FD 帧 SOF-数据场<br/>(动态填充)"| C["连续 5 个相同位?<br/>(含已插填充位)"]
    C -->|"是"| D["插入 1 个互补动态填充位"]
    C -->|"否"| E["正常发送下一位"]
    B -->|"FD CRC 字段<br/>(固定填充)"| F["stuff count 前必有 1 个固定填充位<br/>+ CRC 字段每第 4 位后插 1 个<br/>(值 = 前一位反码)"]
    D --> G["接收端:识别 5 个连续相同位后丢弃其后的动态填充位"]
    F --> H["接收端:丢弃固定填充位后做 CRC 校验;<br/>固定填充位与前位相同 → 格式错误"]
    E --> A

数据相位固定填充的位置示意

flowchart LR
    subgraph CRC_FIELD["FD CRC 字段(示例:CRC_17)"]
        direction LR
        F0["固定填充位"] --> S["SBC<br/>4 位"] --> F1["固定填充位"]
        F1 --> C1["FCRC 前 4 位"] --> F2["固定填充位"]
        F2 --> C2["FCRC 中间位"] --> F3["固定填充位"]
        F3 --> C3["FCRC 末段"] --> D["CRC 界定符<br/>(1 或 2 个隐性位)"]
    end

stuff count 之前的固定填充位保证 CRC 字段的填充位置与内容完全可预期——仲裁相位位时间以微秒计,填充位置偶发性可接受;数据相位位时间以纳秒计,收发器与控制器需要知道填充位的确切位置才能稳定同步与计算 CRC(固定填充位数量 = CC 帧动态填充的最大填充位数,6.6.13.3.1)。

五类错误中的 CRC 与填充

CRC 错误与填充错误是五类错误检测(位/填充/CRC/格式/ACK)中的两项:CRC 错误由接收方重新计算并比对触发;填充错误由动态填充规则违反触发(第 6 个连续相同位);固定填充位异常属格式错误。两者最终都通过错误帧传播,详见仲裁与错误处理。

对设计的意义

  • 对控制器(嵌入式):CRC 引擎需要支持多个多项式并按 DLC 自动切换(≤16 字节 CRC_17,>16 字节 CRC_21),且 SOF 处五种 CRC 并行计算(6.6.4.4);解码时必须先丢弃填充位再计算 CRC,并校验 stuff count(格雷编码 + 奇偶位),否则 CRC 不匹配——这是 CAN FD 控制器实现比经典 CAN 复杂的主要原因之一。调试”收到帧但 CRC 错误”时,先确认位定时与填充解码路径是否正确。
  • 对收发器(模拟 IC):收发器不参与 CRC 计算,但位填充机制直接决定信号的边沿密度,从而影响接收比较器与时钟恢复的负担;数据相位固定填充带来更规则的边沿模式,配合采样点与 TDC,是高速数据相位可靠采样的协议侧保障。
  • 对系统:汉明距离 6 是五种 CRC 的共同底线(6.6.4.4)——17/21 位 CRC 相对经典 15 位 CRC 的升级,是”帧更长但检错强度不下降”的关键设计。

常见误区

  • 误区一:“CRC 覆盖所有填充位” —— FD 帧 CRC 相关位流包含 stuff count 与动态填充位,但不含固定填充位(6.6.11.5);经典 CAN 的 CRC 不覆盖填充位。
  • 误区二:“填充位只在 5 个连续相同位后插入” —— 仲裁相位(动态填充)如此;FD 数据相位是固定填充:stuff count 前必有 1 个(即使前字段末尾不是 5 个连续相同位),之后每第 4 位 1 个(6.6.13.3.1)。
  • 误区三:“固定填充位错误是填充错误” —— 固定填充位不在期望值(与前位相同)是格式错误;填充错误专指动态填充字段的第 6 个连续相同位(6.6.21.2 b/d)。
  • 误区四:“CRC 多项式随便选一个 17/21 位多项式就行” —— 多项式、初始化向量与位序由 6.6.4.4 明确规定(CRC_17 = 3685B₁₆、CRC_21 = 302899₁₆,均含高序位,初始化向量最高位为 1),且与接收端必须一致;CRC 序列是相关位流(补 nCRC 个 0)对生成多项式做模 2 除法的余数。
  • 误区五:“stuff count 是简单的二进制计数” —— FD 帧 stuff count 是 4 位格雷编码(SBC3/SBC2/SBC1)+ 1 位奇偶位(SBC0),表示填充位数模 8(表 8)。

参见