基于S3C2440的Ethercat实现

工业以太网由于低成本、易于组网和具有相当高的数据传输速率、资源共享能力强以及易于Internet连接等特点，以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3系列标准相类似。以太网最早由Xerox（施乐）公司创建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准。以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太网，采用的是CSMA/CD访问控制法，它们都符合IEEE802.3。

2 Ethercat技术介绍

2.1 Ethercat的系统组成及运行原理

EtherCAT 是开放的实时以太网络通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公司（Beckhoff Automation GmbH）研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议（SIL3）。通过采用EtherCAT技术， Beckhoff突破了其它以太网解决方案的这些系统限制：不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包，然后进行解码并复制为过程数据。当帧通过每一个设备（包括底层端子设备）时，EtherCAT从站控制器读取对于该设备十分重要的数据。同样，输入数据可以在报文通过时插入至报文中。在帧被传递（仅被延迟几位）过去的时候，从站会识别出相关命令，并进行处理。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。网段中的最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的报文返回，这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站返回到主站。

2.2 Ethercat协议

Ethercat主张"以太网控制自动化技术" 。它是一个开放源代码，高性能的系统，目的是利用以太网协议（最惠国待遇系统局域网），在一个工业环境，特别是对工厂和其他制造业的关注，其中利用机器人和其他装备线上的技术。Ethercat采用标准的IEEE802-3以太网帧，帧结构如图2。Ethercat在标准以太网帧结构中使用了一个特殊的以太网帧类型0x88A4，采用这种方式可以使控制数据直接写入以太网帧内，并且可以与遵守其它协议的以太网帧在同一网络中并行。一个Ethercat帧中可以包含若干个Ethercat子报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，由FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）寄存器和SM （SyncManager）寄存器定义，该区域最大可达4GB字节。Ethercat报文由一个16位的WKC（Working Count）结束，其数据区最大长度可达1486个字节。在报文头中由8位命令区数据决定主站对从站的寻址方式，由于数据链独立于物理顺序，因此可以对Ethercat从站进行任意的编址。

图2 Ethercat帧结构

2.3 Ethercat性能

Ethercat整个协议处理过程都在硬件中进行。EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs，其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧，可以交换高达1486字节的过程数据，几乎相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300μs。100个伺服轴的通讯只需100μs[5]。在此期间，可以向所有轴提供设置值和控制数据，并报告它们的实际位置和状态。

3 基于ARM的从站节点控制器的硬件设计

ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。

Ethercat从站节点的协议部分可以直接利用BECKHOFF公司的从站控制器ESC。ESC从站控制器提供3种接口规范如表1，具体采用哪一种方式可以设置控制器的EEPROM来选择。

表1 接口规范

本文设计的Ethercat从站节点硬件包括从站协议控制器、从站CPU和网络接口等部分组成。Ethercat从站中最关键部分是Ethercat协议控制器，它实现Ethercat的物理层与数据链路层的协议。现在市场上有多种Ethercat协议控制器可供使用，接口连接方式采用16位异步微处理器方式。从站的硬件实现如图3所示。

其中ARM控制器实现Ethercat对现场任务的收集与调度；Ethercat从站控制器实现Ethercat协议；EEPROM用于保存从站配置数据和从站描述数据；网络接口用于主从站之间或从站与从站之间的连接，根据Ethercat从站控制器的不同网络接口可以分别为2-4个。

图3 从站节点结构框图

4 数据交换

主从站之间交换的数据主要分两种形式：一种是周期性数据；另一种是非周期性数据。周期性数据传输可以根据任务的紧迫性划分其优先级，通过采用EDF算法调度任务，把划分好优先级的任务放入缓冲区供系统调用。缓冲区为在内存中分配的一段空间，两端都可以访问缓冲区中的数据；非周期性数据采用邮箱方式传输，此时一端写入数据到内存，且只有此段内存写满后另一端才能开始从内存中读取数据，并且只能当内存中的数据全部读出时，才能重新写入数据。针对这两种数据通信方式，从站程序可以对非周期性数据通信采用查询方式，对周期性通信采用中断方式，程序流程图如图4、图5所示。

图4 中断方式

图5 查询方式

5 最小截止优先（EDF，Earliest Deadline First）算法

系统对周期性任务采用最小优先级优先算法进行调度，调度算法在ARM微控制器中实现。处理器对紧迫性事件的处理能力决定了系统处理突发事件的能力，把系统各种需要调度的任务按照紧迫程度用优先级来划分，通过采用最小截止期优先算法来动态优先处理突发事件。

EDF全称Earliest Deadline First。最早截止时间优先算法（EDF）也称为截止时间驱动调度算法（DDS），是一种动态调度算法。EDF在调度时，任务的优先级根据任务的截止时间动态分配。截止时间越短，优先级越高。如果一个任务集负载U<=1，则是可调度的。EDF 调度算法已被证明是动态最优调度，而且是充要条件。处理机利用率最大可达100% 。但瞬时过载时，系统行为不可预测，可能发生多米诺骨牌现象，一个任务丢失时会引起一连串的任务接连丢失。所有实时任务必须满足以下限制条件：

（1）所有实时任务均为周期任务，且周期大于或等于截止期。

（2）所有实时任务必须在其截止期到来前结束。

（3）所有实时任务相互独立。

（4）所有实时任务具有恒定的运动时间。

任务按周期由大到小排列为EDF以任务的截止期与当前时刻的距离确定任务优先级（称这一距离为时限距离），距离越近，优先级越高，因此，EDF总是选择当前最迫切需要完成的任务获得处理器。Liu和Layland证明如下：

对于由n个周期任务组成实时任务集，当且仅当：

其中Ci为计算机时间，该任务集能够由EDF调度。

EDF是最优动态可抢占优先级调度，对于任何实时任务集，只要存在可行的动态调度算法，则必可由EDF调度。需要注意的是，EDF只在出现任务实例就绪时调整任务的优先级。

6 结束语

EDF算法是对周期性任务的动态优先级调度算法，存在以下缺点：①调度算法是针对周期性任务而言的，没有考虑对实时系统中突发任务（非周期性任务）的调度，且周期任务要求彼此独立。②调度算对周期和时限宽度相同的同步周期任务，即使在处理器利用率很低的情况下，也可能产生不了合理的调度。因此在这种情况下，必须进行调度算法的可行性分析[10]。

参考文献:

[1].RISCdatasheethttp:///datasheet/RISC_1189725.html.

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