CANバス

1本のバスに全部ぶら下げる

現代の自動車には数十から百を超えるECU（電子制御ユニット）が載ります。これを1対1の専用配線で結べば線束は膨大になります。CAN（Controller Area Network、1986年 Bosch）はこれを、全ノードが同じ2本の線を共有するマルチマスタ型のブロードキャストバスで解きました。送信されたフレームは全ノードが同時に受け取り、各ノードが「自分に必要か」をアドレスではなく内容（ID）で判断します。

ここで効くのが2つの原理です。電気的な堅牢さを生む差動信号と、配線1本で衝突を捌くビットアービトレーション。以下この2点を軸に、フレーム構成・エラー検出・用途まで内部から見ていきます。

差動信号：なぜノイズに強いのか

CANの物理層は CANH と CANL の2線で、両者の電圧差で1ビットを表します。値は論理レベルではなく「ドミナント（優性）」「レセシブ（劣性）」という言葉で定義されます。

堅牢さの源泉は「差を取る」ことにあります。外来ノイズや電磁妨害は近接する2本の線にほぼ同じ大きさで重畳します（コモンモードノイズ）。受信側は CANH - CANL の差だけを見るので、両線に等しく乗ったノイズは引き算で相殺されます。さらに2線を撚る（ツイストペア）と拾う磁束が反転して打ち消し合い、放射・被妨害の双方に強くなります。この物理は /semiconductor/ や信号処理を扱う /dsp-control/ の領域とも地続きです。

もうひとつの鍵が非対称性です。ドミナントはレセシブに常に打ち勝ちます。バスは通常レセシブへ戻ろうとし、どこか1ノードがドミナントを出せば全体がドミナントになります。電気的にはワイヤードAND（誰か1人が0を出せば全体が0）として振る舞い、後述のアービトレーションとエラー通知の土台になります。バス両端には反射を抑える120Ωの終端抵抗を入れます。

ビットアービトレーション：衝突を壊さず解決する

配線を共有する以上、2つ以上のノードが同時に送信を始める瞬間があります。Ethernet の CSMA/CD が「衝突したら壊れたので破棄して再送」なのに対し、CANは CSMA/CR（Collision Resolution） で、衝突を非破壊に解決します。勝者のフレームは1ビットも欠けずにそのまま送り切られます。

仕組みは単純です。各ノードは送信中、自分が出したビットとバス上に実際に現れたビットを毎ビット読み比べます。アービトレーションフィールド（＝メッセージID）を送っている間、あるノードがレセシブ（1）を出したのにバスがドミナント（0）なら——他の誰かが同時にドミナントを出したという意味です。レセシブを出したノードは「自分より優先度の高い送信者がいる」と判断し、即座に送信をやめて受信に回ります。

    bit:      SOF  ID10 ID9 ID8 ID7 ...
  NodeA →      0    0    0    1 (レセシブを出したが…)
  NodeB →      0    0    0    0  (ドミナント)
  ------------------------------------------------
  Bus  =       0    0    0    0  ← ワイヤードANDでドミナント
                              ↑
             ここで NodeA は Bus=0 と自分=1 の不一致を検出し降参。
             NodeB は自分の送信がそのまま通るので、そのまま送信継続。

この結果、数値が小さいIDほど（ドミナントビットが多いほど）優先されるという性質が自動的に得られます。IDはアドレスであると同時に優先度そのものです。緊急のブレーキ制御に小さいID、頻度の低い診断に大きいIDを割り当てれば、混雑時も重要フレームが先に通ります。しかも敗者はIDを送り切る前に静かに降りるだけなので、帯域も無駄になりません。

フレーム構成とビットスタッフィング

データを運ぶデータフレーム（標準フォーマット、11ビットID）の主要フィールドは次の通りです。ビットは MSB から送られます。

[SOF][   11bit Identifier   ][RTR][IDE][r0][DLC 4bit][ Data 0..8 byte ][ CRC 15bit ][CRCdel][ACK][ACKdel][ EOF 7bit ]
  1   └ アービトレーション ┘                 └ データ長 ┘                └ 巡回冗長 ┘   1     1    1       7

• SOF：ドミナント1ビットでフレーム開始を告げ、全受信ノードのタイミングを同期させます。
• Identifier / RTR / IDE：IDはアービトレーションと優先度を担います。拡張フォーマットではIDを29ビットへ拡張します（IDEで区別）。RTR=レセシブはリモート要求（データ要求）です。
• DLC / Data：データバイト数（0〜8）と本体。ペイロードが最大8バイトと小さい点が「制御情報を小刻みに撒く」設計思想を映します。
• CRC 15bit：フレーム内容から計算する巡回冗長検査。受信側が独立に再計算し照合します。
• ACK スロット：送信側はレセシブで送り、正しく受信できたノードがドミナントで上書きします。1つでも受信成功ノードがあればACKが立ちます（ワイヤードANDの応用）。

ここで重要な下地がビットスタッフィングです。CANはクロック線を持たず、受信側は信号の遷移（エッジ）でタイミングを再同期します。同じ値が続くとエッジが消えて同期がずれるため、送信側は同一ビットが5個連続したら反対の1ビットを強制挿入します（受信側は自動で除去）。これで最長6ビットごとにエッジが保証され、非同期でもビット境界を追従できます。この規則違反は後述のエラー検出にも使われます。

多重のエラー検出とフォールトコンテインメント

CANが車載・産業で信頼される最大の理由は、エラーを5つの独立した仕組みで捕まえ、さらに壊れたノードを自動隔離することにあります。

いずれかのエラーを検出したノードは直ちにエラーフレーム（連続するドミナントビット）を送出します。ワイヤードANDにより進行中フレームを意図的に破壊し、全ノードにエラーを即時伝播させます。壊れたフレームは全員が破棄し、送信元が自動再送します。「誰か1人が気づけば全員でやり直す」という潔い設計です。

問題は、故障ノードが誤検出を繰り返し正常な通信まで壊し続ける事態です。これを防ぐのがエラー状態機械です。各ノードは送信エラーカウンタ（TEC）と受信エラーカウンタ（REC）を持ち、値に応じて3状態を遷移します。

  Error Active   ──(TEC or REC > 127)──▶  Error Passive  ──(TEC > 255)──▶  Bus-Off
   (通常。         正常時はエラーごとに        (エラー通知を控えめに        (送信停止・バスから
    ドミナントで     +8、成功で−1 する         する劣性エラーフラグ。       離脱。自身を黙らせる)
    強くエラー通知)  カウンタで健全性を評価)     暴走を抑制)

車載から産業まで：適材適所

CANはペイロードが小さく、決定的（デターミニスティック）で堅牢という特性から制御系のバックボーンとして広く使われます。自動車ではパワートレインや車体制御に古典CAN/CAN FDが、高帯域が要る映像・ADASには車載Ethernetが、単純なセンサ配線には LIN が併用されます。産業分野では CANopen や DeviceNet といった上位プロトコルがCANのデータリンク層の上に載り、工場の分散I/O やモーション制御を担います。

重要なのは、CANが「速さ」ではなく「確実に・壊れず・優先度通りに小さな制御メッセージを配る」ことに最適化された設計だという理解です。フレームを処理するのは組み込みマイコンとCANコントローラであり、割り込みやリアルタイム制御の作法は /os/ のリアルタイムOS、コントローラを載せる回路や電源は /hardware-components/ や /power/ と結びつきます。