ethercat主站

一、实时性的意义

在主从DC同步模式下，主站需要以非常精准的时间发送过程数据，如下图所示：

二、实时性的关键

如下图所示，影响实时性的关键因素是操作系统和网卡驱动，前者需要将过程数据准时送出，后者需要优化网卡驱动，即"准时出发，路上不能耽误"。

操作系统的实时性体现在需要非常准时地调用EtherCAT主站协议栈的发送函数，例如SOEM的发送函数是ecx_send_processdata()

Etherlab的发送函数为ecrt_master_send()。

采用Linux系统时，需要打上实时补丁，如Xenomai、RTAI、OSADL等。

标准Linux下的网卡驱动是为通用的网络通信设计的，网络数据穿过TCP/IP协议栈是一个非常漫长的过程，其中包括各种安全性检查、路由、出入队列、分片和重组等等，这其中有很多的不确定性，所以在EtherCAT主站开发中需要优化网卡驱动，使EtherCAT数据

绕过TCP/IP协议栈。

三、移植网卡驱动

在Etherlab的说明文档中给出了改造标准网卡驱动的三个基本点，如下：

(1)禁用netif_*()

(2)禁用中断

(3)重复利用socket buffer

接下来以EtherLAB源码中移植好的网卡驱动RealTek RTL-8139为例进行说明。

1、禁用netif_*()

在网卡驱动程序中的接收函数rtl8139_rx()中，netif_receive_skb (skb)负责将数据包传递给TCP/IP协议栈，

将其改成由EtherCAT主站直接处理。

改造前：

//8139too-3.4-orig.c

static int rtl8139_rx(struct net_device *dev, struct rtl8139_private *tp,

int budget)

{

......

netif_receive_skb (skb);//将数据包提交给TCP/IP协议栈处理

......

}

改造后：

//8139too-3.4-ethercat.c

static int rtl8139_rx(struct net_device *dev, struct rtl8139_private *tp,

int budget)

{

......

if (tp->ecdev) { //作为EtherCAT使用时直接交给EtherCAT协议栈处理，绕过TCP/IP协议栈

ecdev_receive(tp->ecdev,

&rx_ring[ring_offset + 4], pkt_size);

dev->last_rx = jiffies;

dev->stats.rx_bytes += pkt_size;

dev->stats.rx_packets++;

}

else

{

......

netif_receive_skb (skb);

......

}

}

2. 禁用中断

Linux标准网卡驱动中，采用中断方式收发网络数据包，较新的网卡驱动中采用NAPI(中断和轮询相结合)，而EtherCAT通信中,EtherCAT主站发出过程数据包后，主站非常清楚数据包什么时候返回主站，因此不需要采用中断的方式，而由主站直接查询和处理返回的过程数据包。

改造前：

//8139too-3.4-orig.c

static int rtl8139_open (struct net_device *dev)

{

......

retval = request_irq (dev->irq, rtl8139_interrupt, IRQF_SHARED, dev->name, dev); //向内核注册中断

......

}

改造后：

//8139too-3.4-ethercat.c

static int rtl8139_open (struct net_device *dev)

{

......

if (!tp->ecdev) {

retval = request_irq(dev->irq, rtl8139_interrupt, //作为普通网卡时才注册中断

IRQF_SHARED, dev->name, dev);

if (retval)

return retval;

}

......

}

void ec_poll(struct net_device *dev)

{

rtl8139_interrupt(0, dev);

}

函数调用关系为：ec_poll()->rtl8139_interrupt()->rtl8139_rx()->ecdev_receive();

3. 重复利用Socket buffer

Linux标准网卡驱动中，将数据包发送后将释放数据包所占用的内存，或者放回预先分配的内存池中，

而EtherCAT通信中，只需重复使用其中的一两个缓存即可，这样可以节省为数据包分配和释放内存的时间。

改造前：

//8139too-3.4-orig.c

static netdev_tx_t rtl8139_start_xmit (struct sk_buff *skb,

struct net_device *dev)

{

......

dev_kfree_skb(skb);//释放Socket buffer所占内存或将其放回内存池

......

}

改造后：

//8139too-3.4-ethercat.c

static netdev_tx_t rtl8139_start_xmit (struct sk_buff *skb,

struct net_device *dev)

{

......

if (!tp->ecdev) { //只有作为普通网卡时才释放Socket buffer

dev_kfree_skb(skb);

}

......

}