STM32之CAN ---CAN ID过滤器分析
1 前言
在CAN协议里，报文的标识符不代表节点的地址，而是跟报文的内容相关的。因此，发送者以广播的形式把报文发送给所有的接收者。节点在接收报文时,根据标识符(CAN ID)的值决定软件是否需要该报文；如果需要，就拷贝到SRAM里；如果不需要，报文就被丢弃且无需软件的干预。
为满足这一需求，bxCAN为应用程序提供了14个位宽可变的、可配置的过滤器组(13~0)，以便只接收那些软件需要的报文。硬件过滤的做法节省了CPU开销，否则就必须由软件过滤从而占用一定的CPU开销。每个过滤器组x由2个32位寄存器，CAN_FxR0和CAN_FxR1组成。
为了让大家了解STM32的bxCAN的接收过滤机制，首先大家需要了解几个概念。
2 几个重要的概念
2.1 过滤器组
STM32总共提供14个过滤器组来处理CAN接收过滤问题，每个过滤器组包含两个32位寄存器CAN_FxR0和CAN_FxR1组成，在设置为屏蔽位模式下，其中一个作为标识符寄存器，另一个作为屏蔽码寄存器。过滤器组中的每个过滤器，编号(叫做过滤器号)从0开始，到某个最大数值（这时最大值并非13，而是取决于14个过滤器组的模式和位宽的设置，当全部配置为位宽为16，且为标识符列表模式时，最大编号为14*4-1=55）。
2.2 过滤器的过滤模式
STM32提供两种过滤模式供用户设置：屏蔽位模式和标识符列表模式。
2.2.1 屏蔽位模式
在屏蔽位模式下，标识符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定报文标识符的任何一位，应该按照“必须匹配”或“不用关心”处理。
2.2.2 标识符列表模式
在标识符列表模式下，屏蔽寄存器也被当作标识符寄存器用。因此，不是采用一个标识符加一个屏蔽位的方式，而是使用2个标识符寄存器。接收报文标识符的每一位都必须跟过滤器标识符相同。
2.3 过滤器的位宽
每个过滤器组的位宽都可以独立配置，以满足应用程序的不同需求。根据位宽的不同，每个过滤器组可提供：
●1个32位过滤器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE和RTR位
●2个16位过滤器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR和EXTID[17:15]位
2.3 过滤器组的过滤模式和位宽设置
过滤器组可以通过相应的CAN_FMR寄存器（CAN过滤器主控寄存器）配置。但是不是什么时候都可以直接配置，在配置一个过滤器组前，必须通过清除CAN_FAR寄存器（CAN过滤器**寄存器）的FACT位，把它设置为禁用状态。然后才能设置或设置过滤器组的配置。
- 通过设置CAN_FS1R（CAN过滤器位宽寄存器）的相应FSCx位，可以配置一个过滤器组的位宽。
- 通过CAN_FM1R（CAN过滤器模式寄存器）的FBMx位，可以配置对应的屏蔽/标识符寄存器的标识符列表模式或屏蔽位模式。(见后续3.2节)
应用程序不用的过滤器组，应该保持在禁用状态。
关于过滤器配置，可参见下图:
图1
2.4 过滤器匹配序号
一旦收到的报文被存入FIFO，就可被应用程序访问。通常情况下，报文中的数据被拷贝到SRAM中；为了把数据拷贝到合适的位置，应用程序需要根据报文的标识符来辨别不同的数据。bxCAN提供了过滤器匹配序号，以简化这一辨别过程。
根据过滤器优先级规则，过滤器匹配序号和报文一起，被存入邮箱中。因此每个收到的报文，都有与它相关联的过滤器匹配序号。
过滤器匹配序号可以通过下面两种方式来使用：
● 把过滤器匹配序号跟一系列所期望的值进行比较
● 把过滤器匹配序号当作一个索引来访问目标地址
对于标识符列表模式下的过滤器(非屏蔽方式的过滤器)，软件不需要直接跟标识符进行比较。
对于屏蔽位模式下的过滤器，软件只须对需要的那些屏蔽位(必须匹配的位)进行比较即可。
在给过滤器编号时，并不考虑过滤器组是否为**状态。另外，每个FIFO各自对其关联的过滤器进行编号,如下图：
图2
2.5 过滤器优先级规则
根据过滤器的不同配置，有可能一个报文标识符能通过多个过滤器的过滤；在这种情况下，存放在接收邮箱中的过滤器匹配序号，根据下列优先级规则来确定：
● 位宽为32位的过滤器，优先级高于位宽为16位的过滤器
● 对于位宽相同的过滤器，标识符列表模式的优先级高于屏蔽位模式
● 位宽和模式都相同的过滤器，优先级由过滤器号决定，过滤器号小的优先级高
如下图:
图3
如上图，在接收一个报文时，其标识符首先与配置在标识符列表模式下的过滤器相比较；如果匹配上，报文就被存放到相关联的FIFO中，并且所匹配的过滤器的序号（这时为4）被存入过滤器匹配序号中。如同例子中所显示，报文标识符跟#4标识符匹配，因此报文内容和FMI4被存入FIFO。
如果没有匹配，报文标识符接着与配置在屏蔽位模式下的过滤器进行比较。
如果报文标识符没有跟过滤器中的任何标识符相匹配，那么硬件就丢弃该报文，且不会对软件有任何打扰。
3 与过滤器相关的寄存器
3.1 CAN 过滤器主控寄存器 (CAN_FMR)
地址偏移量: 0x200
复位值: 0x2A1C 0E01
注： 该寄存器的非保留位完全由软件控制。
图4
| 位31:1 | 保留位，强制为复位值。 |
| 位0 | FINIT : 过滤器初始化模式 针对所有过滤器组的初始化模式设置。 0: 过滤器组工作在正常模式； 1: 过滤器组工作在初始化模式。 |
3.2 CAN 过滤器模式寄存器 (CAN_FM1R)
地址偏移量: 0x204
复位值: 0x0000 0000
注： 只有在设置CAN_FMR(FINIT=1)，使过滤器处于初始化模式下，才能对该寄存器写入。
图5
| 位31:14 | 保留位，硬件强制为0 |
| 位13:0 | FBMx : 过滤器模式 过滤器组x的工作模式。 0: 过滤器组x的2个32位寄存器工作在标识符屏蔽位模式； 1: 过滤器组x的2个32位寄存器工作在标识符列表模式。 |
3.3 CAN 过滤器位宽寄存器 (CAN_FS1R)
地址偏移量: 0x20C
复位值: 0x0000 0000
注： 只有在设置CAN_FMR(FINIT=1)，使过滤器处于初始化模式下，才能对该寄存器写入。
图6
| 位31:14 | 保留位，硬件强制为0 |
| 位13:0 | FSCx : 过滤器位宽设置 过滤器组x(13～0)的位宽。 0：过滤器位宽为2个16位； 1：过滤器位宽为单个32位。 |
3.4 CAN 过滤器FIFO关联寄存器 (CAN_FFA1R)
地址偏移量: 0x214
复位值: 0x0000 0000
注： 只有在设置CAN_FMR(FINIT=1)，使过滤器处于初始化模式下，才能对该寄存器写入。
图7
| 位31:14 | 保留位，硬件强制为0。 |
| 位13:0 | FFAx : 过滤器位宽设置 报文在通过了某过滤器的过滤后，将被存放到其关联的FIFO中。 0：过滤器被关联到FIFO0； 1：过滤器被关联到FIFO1。 |
3.5 CAN 过滤器**寄存器 (CAN_FA1R)
地址偏移量: 0x21C
复位值: 0x0000 0000
图7
| 位31:14 | 保留位，硬件强制为0。 |
| 位13:0 | FACTx : 过滤器** 软件对某位设置1来**相应的过滤器。只有对FACTx位清0，或对CAN_FMR寄存器的FINIT位设置1后，才能修改相应的过滤器寄存器x(CAN_FxR[0:1])。 0：过滤器被禁用； 1：过滤器被**。 |
3.6 CAN 过滤器组x寄存器 (CAN_FiRx) (i＝0..13，x=1..2)
地址偏移量：0x240h..0x2AC
复位值：未定义位
注： 共有14组过滤器：i=0..13。每组过滤器由2个32位的寄存器，CAN_FiR[2:1]组成。只有在CAN_FaxR寄存器（CAN过滤器**寄存器）相应的FACTx位清’0’，或CAN_FMR寄存器（CAN过滤器主控寄存器）的FINIT位为’1’时，才能修改相应的过滤器寄存器。
图8
| 位31:0 | FB[31:0] : 过滤器位
0: 期望相应位为显性位； 1: 期望相应位为隐性位。
0: 不关心，该位不用于比较； 1: 必须匹配，到来的标识符位必须与滤波器对应的标识符寄存器位相一致。 |
屏蔽位模式下的屏蔽/标识符寄存器，跟标识符列表模式下的寄存器位定义相同。
4 代码实例
4.1 CAN ID值的结构分析
在讲到代码实例之前，首先大家都弄懂一件事，当给定一个CAN ID，如0x1800f001,当然这个是扩展ID，这里要问的是，这个CAN ID的值本身包含两部分，即基本ID与扩展ID，即么你知道这个扩展ID0x1800f001的哪些位是基本ID，哪些位又是扩展ID？（在基本CANID格式下不存在这个问题）
在回答这个问题之前我们来看看ISO11898的定义，如下图：
图9
如上图，基本格式不存在扩展ID，而扩展格式中ID0~ID17为Extension ID,而ID18~ID28为Base ID.
因此CAN ID值0x1800f001用二进制表示为：0b 0001 1000 0000 0000 1111 0000 0000 0001,用括号分别区别为：0b 000[1 1000 0000 00][00 1111 0000 0000 0001]，红色部分为扩展ID，蓝色部分为基本ID。那么知道这些有什么用呢？接下来的代码示例中你就会有什么用了。
4.2 位宽为32位的屏蔽模式
在此种模式下中过滤多个CAN ID，此时，过滤器包含两个寄存器，屏蔽码寄存器和标识符寄存器。此模式下最多只存在一个屏蔽过滤器。
如下图所示：
图10
如上图，上面的ID为标识符寄存器，中间部分的MASK为屏蔽码寄存器。每个寄存器都是32位的。最下边显示的是与CAN ID各位定位的映射关系。由4.1的知识很快可以发现，上图最下边的映射关系恰好等于扩展CAN值左移3位再补上IDE（扩展帧标识），RTR（远程帧标志）。
因此，我们初步得出这样的推论：对于一个扩展CAN ID，不能单纯地将它看到的一个数，而应该将它看成两部分，基本ID和扩展ID(当然标准CAN ID只包含基本ID部分)，过滤器屏蔽码寄存器和标识符寄存器也应该看成多个部分，然后问题就变成了如何将CAN ID所表示的各部分如何针对过滤器寄存器各部分对号入座的问题了。
对号入座的方法多种多样，但万变不离其心，主要是掌握其核心思想即可：1:在各种过滤器模式下，CAN ID与寄存器相应位置一定要匹配；2：在屏蔽方式下，屏蔽码寄存器某位为1表示接收到的CAN ID对应的位必须对验证码寄存器对应的位相同。
下面给出一个代码例子，假设我们要接收多个ID：0x7e9,0x1800f001,前面为标准ID，后面为扩展ID，要同时能接收这两个ID，那么该如何设置这个过滤器呢?
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CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;
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U16 std_id =0x7e9;
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U32 ext_id =0x1800f001;
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U32 mask =0;
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CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure); //初始化CAN_FilterInitStructrue结构体变量
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0; //设置过滤器组0，范围为0~13
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdMask; //设置过滤器组0为屏蔽模式
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit; //设置过滤器组0位宽为32位
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//标识位寄存器的设置
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//ext_id<<3对齐，见上图9，再>>16取高16位
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=（(ext_id<<3) >>16) &0xffff; //设置标识符寄存器高字节。
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=(U16)(ext_id<<3) | CAN_ID_EXT; //设置标识符寄存器低字节
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//这里也可以这样设置
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//CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=std_id<<5; //设置标识符寄存器高字节.这里为什么是左移5位呢？从上图可以看出，CAN_FilterIdHigh包含的是STD[0~10]和EXID[13~17],标准CAN ID本身是不包含扩展ID数据，因此为了要将标准CAN ID放入此寄存器，标准CAN ID首先应左移5位后才能对齐.
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//CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=0|CAN_ID_EXT; //设置标识符寄存器低字节,这里也可以设置为CAN_ID_STD
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//屏蔽寄存器的设置
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//这里的思路是先将标准CAN ID和扩展CAN ID对应的ID值先异或后取反，为什么？异或是为了找出两个CAN ID有哪些位是相同的，是相同的位则说明需要关心，需要关心的位对应的屏蔽码位应该设置为1，因此需要取反一下。最后再整体左移3位。
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mask =(std_id<<18);//这里为什么左移18位？因为从ISO11898中可以看出，标准CAN ID占ID18~ID28，为了与CAN_FilterIdHigh对齐，应左移2位，接着为了与扩展CAN对应，还应该再左移16位，因此，总共应左移2+16＝18位。也可以用另一个方式来理解：直接看Mapping的内容，发现STDID相对EXID[0]偏移了18位,因此左移18位.
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mask ^=ext_id;//将对齐后的标准CAN与扩展CAN异或后取反
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mask =~mask;
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mask <<=3;//再整体左移3位
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mask |=0x02; //只接收数据帧，不接收远程帧
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh=(mask>>16)&0xffff; //设置屏蔽寄存器高字节
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow=mask&0xffff; //设置屏蔽寄存器低字节
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=CAN_FIFO0; //此过滤器组关联到接收FIFO0
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE; //**此过滤器组
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CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure); //设置过滤器
总结可知，当过滤器为屏蔽模式时，标识符寄存器对应的ID内容可为任意一需求接收的ID值，当同时要接收标准帧和扩展帧时，标识符寄存器对应IDE位也随意设置，屏蔽寄存器的IDE位设置为0，表示不关心标准帧还是扩展帧。而屏蔽寄存器对应的ID内容为各需求接收的ID值依次异或的结果再取反。
4.3 位宽为32位的标识符列表模式
在此种模式下，过滤器组包含的两个寄存器含义一样，此模式下只多存在两个标识符列表过滤器如下图：
图11
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CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;
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U16 std_id =0x7e9;
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U32 ext_id =0x1800f001;
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CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure); //初始化CAN_FilterInitStructrue结构体变量
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0; //设置过滤器组0，范围为0~13
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdList; //设置过滤器组0为标识符列表模式
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit; //设置过滤器组0位宽为32位
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//设置屏蔽寄存器，这里当标识符寄存器用
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=std_id<<5) ; //为什么左移5位？与上面相同道理，这里不再重复解释
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=0|CAN_ID_STD; //设置标识符寄存器低字节,CAN_FilterIdLow的ID位可以随意设置，在此模式下不会有效。
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//设置标识符寄存器
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh=((ext_id<<3)>>16) & 0xffff; //设置屏蔽寄存器高字节
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow=((ext_id<<3)& 0xffff) | CAN_ID_EXT; //设置屏蔽寄存器低字节
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=CAN_FIFO0; //此过滤器组关联到接收FIFO0
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CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE; //**此过滤器组
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CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure); //设置过滤器
4.4 位宽为16位的屏蔽码模式
在此模式下，最多存在两个屏蔽码过滤器，如下图：
图12
由上图映射可知，最下面的映射只包含STDID0~ID10,因此，此模式下的两个屏蔽过滤器只能实现对标准ID的过滤。具体代码就不介绍了，参见上图的映射即可。
4.5 位宽为16位的标识符列表模式
图13
在此模式下，由于标识符寄存器的高16位和低16位，屏蔽寄存器的高16位和低16位都用来做标识符寄存器，因此，最多可存在4个标识符过滤器。同样，只能实现对标准帧的过滤。具体代码就不介绍了，参见上图的映射即可。
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