EtherCAT EOE移植及上手说明

EtherCAT引见

ESM (EtherCAT state machine)是用来在启动或许上班时协调主站和从站相关用的，由运行层 控制器 将从站运行的形态写入AL形态 寄存器 ，主站经过写AL控制寄存器启动形态恳求。因此从逻辑上说，ESM位于EtherCAT从站控制器与运行之间。

如下所示，它蕴含 EtherCAT形态转换的环节。

初始形态（Init）

此时运行层无 通讯 ，没有邮箱通讯也没有环节数据通讯

转换到预上班形态（Init to Pre-Op）

主站性能地址和SM，用于启动邮箱通讯；同时主站恳求向Pre-Op形式转换；接着从站审核邮箱能否初始化正确

安保上班形态（Safe-Op）

在这一阶段，从站运行程序将传输实践输入数据，此时主站并不对从站输入启动操作，并将输入形式设为安保形态

转换到上班形态（Safe Op to Op）

这一阶段主站开局发送有效的输入数据，同时恳求向上班形式转换

上班形态（Op）

此时主站的输入和输入均有效，可以启动环节数据的通讯

Bootstrap形态

此外还有个Bootstrap形态，该形态作为可选项，普通是在固件更新时经常使用，该形态只准许从初始形态切换到该形态，在此形态时期是没有环节数据通讯的，普通是用于FOE协定文件传输或固件更新的

上方是详细的一些形态转换，此处不再说明

EtherCAT通讯是指主设施从EtherCAT从设施的外部闪存读取和写入数据，通常来说有两种寻址形式来控制外部的ESC寄存器：

1）设施寻址

在设施寻址时，EtherCAT子报文头内的32位地址分为16位从站设施地址和16位从站设施外部物理存储空间地址。设施寻址时，每个报文只寻址惟一的一个从站设施，但关于寻址机制又分为两种：

顺序寻址：经常使用顺序寻址时，从站的地址由其在网段内的衔接位置确定，用一个正数来示意每个从站在网段内由接线顺序选择的位置。顺序寻址子报文在经过每个从站设施时，其顺序地址加1，从站在接纳报文时，顺序地址位0的报文就是寻址到自己的报文，因此这种寻址机制也被称为“智能增量寻址”；

例如：主站动员三个子报文区分去寻址三个从站，其中地址区分为0，-1，-2，如上图中的数据帧1，数据帧在抵达从站1时，从站1审核到子报文1中的地址为0，从而得悉子报文1就是寻址到自己的报文，数据帧经过从站1后，一切的顺序地址都参与1，称为1，0，-1，以此类推...

在设置寻址时，从站的地址与其在网段内的衔接顺序有关，地址可以由主站在数据链路层启动阶段性能EtherCAT ID给从站；也可以由从站在上电初始化时从自身的EEP外部读取EtherCAT ID进而调配地址。

2）逻辑寻址

前面讲的设施寻址普通来说只针对某一从站启动读写操作，并且是在扫描阶段去经常使用的，相对与逻辑寻址来说并不经常出现。逻辑寻址面向环节数据，可以成功多播，同一个子报文可以读取多个从站设施。

在逻辑寻址时，从站地址并不是独自定义的，而是经常使用了寻址段内逻辑地址空间中的一段区域，报文内的32位地址作为全体的数据逻辑地址成功对设施的逻辑寻址。

而谈到逻辑寻址，须要了解FMMU（现场总线内存治理单元），逻辑寻址由FMMU成功，在ESC（从站控制器），重要担任逻辑地址与物理地址的映射，用于将环节数据映射到主站，从而减轻主站的存储器治理累赘。

当从站设施收到一个数据逻辑寻址的EtherCAT子报文时，会审核能否由FMMU单元地址婚配，假设有的话，就会将输入类型数据拔出至EtherCAT子报文数据区的对应位置。

EtherCAT从站同步形式重要分为以下几种：

(1)自在运转形式（Free Run Mode）

在此形式下，从站设施独立于主站运转，外部没有同步就任何外部 信号 。设施的周期性操作由外部 时钟 或 定时器 控制，通罕用于非实时要求的运行场景。

(2)散布式时钟形式（Distribud Clocks，）

散布式时钟是 EtherCAT 的关键同步机制之一，宽泛用于须要 高精度 同步的场景。在 DC 形式下，一切 EtherCAT 从站经过一个参考时钟（通常由主站或某个从站提供）成功时期同步。每个从站都会调整其外部时钟，使一切设施在微秒级别内同步。此形式实用于须要准确协调多个设施举措的运行，例如静止控制。

(3)同步治理器事情形式（SyncManager Event Mode）

前面咱们说了，FMMU重要用于地址映射，寻觅对应的地址（寻址），那SyncManager就是用于替换数据，将数据同步出来。

在此形式下，从站设施经过 SyncManager 同步数据传输。每当主站写入或读取 SyncManager 寄存器时，从站的同步治理器事情会触发终止，从而引发运行程序的口头。这个形式下的同步精度不如 DC 形式高，通罕用于不须要严厉时期同步的运行场所。

SyncManager重要有两种形式：

1）邮箱（单缓存形式）

经常使用单个缓存区，经过握手的机制成功数据替换，普通状况下，一端在成功数据的读写后，另一端能力访问该缓存区，这样可以保障数据不被失落。

普通来说，数据发送方首先将数据写入缓存区，此时缓存区被锁定为只读形态，不时等到数据接纳方将数据读走。

该形式通经常常使用在非周期性的数据替换，调配的缓存区也叫邮箱。

邮箱形式通经常常使用两个SM通道，普通状况下主站到从站通讯经常使用SM0，从站到主站通讯经常使用SM1。

关于邮箱形式来说，剖析其主从站的通讯形式：

主站到从站的通讯：主站必定审核从站邮箱命令中的应对上班计数器（Wking counter），假设上班计数器没有参与（通常是由于从站没有齐全读取上一条命令），或许在规则时期期限内没有照应，主站必定重发该邮箱命令。

从站到主站到通讯：主站必定确定从站能否用邮箱命令填满了SM，并且尽快地发送适当的读命令

2）缓存

经常使用三个缓存区，准许EtherCAT主站的控制权和从站控制器在做任何时刻都访问数据替换缓存区。

接纳数据的那一方随时可以失掉 最新 的数据，数据发送那一方也可以随时更新缓存区里的内容。

假设写缓存区的速度比读缓存区的速度快，则旧数据就会被笼罩。

软件开发环境说明

RZSC v2.0.0

Slave Stk Code (SSC) Tool Version 5.13

Beckhoff Automation TwinCAT3

装置Patch软件

下载 mingw-get-setup.exe 并依据揭示装置“Mingw-installation-manager”，若装置成功，出现“Mingw-installation-manager”窗口，在左侧窗口当选用“BSetup”，在右侧窗口中右键点击“msys-base-bin”，选用“Mark for Installation”。

在左侧窗口当选用“All Packages”，在右侧窗口中右键单击“msys-patch-bin”，并选用“标志为装置”。

在上方的菜单栏中的装置当选用“Apply Changes”

显示“Schedule of Pending Actions”窗口，单击“运行”按钮。

假设显示“All changes were applied successfully; you may now clone thisue”，则示意装置 patch.exe 成功。

将装置的 patch.exe 的门路注册到系统环境变量中。注册后，从新启动 电脑 。

启动命令揭示符，输入“where patch”。假设显示了装置的patch.exe的门路，则没有疑问。

EtherCAT EOE 从站代码生成

从 rene官方下载 EtherCAT 示例包（ ），解压后关上 common\ecat_EoE_lwIP\SSCconfig 目录下的 RZT2 EtherCAT EoE.esp 文件，点击上方导航栏的 Project-> Create_new_Slaver_Files，依次性能 Source Folder(生成文件位置需向下加长一级目录 Src) 和 ESI File。

回到目录 common\ecat_EoE_lwIP\Patch ，口头脚本 apply_patch_ew_xSPI0.bat 将生成的从站代码移动到工程目录下。

EOE性能

首先经常使用FSP关上工程下的 configuration.xml 文件，参与EtherCAT SSC Port Stack，并启动性能：

使能网卡类型、性能网卡设施 参数 ，这里咱们参与两个phy（phy0和phy1）：

ETHER_ETH性能

ETHER_ESC性能

ETHER_GMAC性能

为ethercat_ssc_port参与cmt定时器并性能终止优先级

参与Ethernet

ethernet终止触发回调设置为：vEtherISRCallback

到这里，FSP的性能就告一段落了。

EOE工程简述

移植后的EtherCAT EOE工程目录档次如下所示：

其中EOE性能的重要局部位于 board/port/ethercat 目录下，关于各个文件夹的解释如下：

applation：初始化并性能 以太网 接口 及LWIP TCP/IP协定栈，同时成功一个lwip的TCP主机；

beckhoff：EtherCAT协定栈从站代码，由SSC生成；

module：设计了一套实例治理器形式，依据ethernet netif及lwip port前往的事情启动阶段性处置。

ether_netif：区分创立三个ethernet线程，担任以太网的读（eth_reer）、写（eth_writer）及以太网事情监测回调处置（eth_monitor）；

lwip_port：创立两个lwip port线程，一个担任接纳以太网Link回调并将其广播给netif，另外一个担任接纳以太网回调并将参数映射到实例治理器治理的一切接口中；为lwip注册 网络 接口的同时，处置Link事情及回调

renesas：重要包括EtherCAT数据帧的校验和处置，并依据AL形态码处置不同的运转形态，此外还包括对输入输入数据的映射生成和处置等等。

此内在main线程中，会静态初始化两个线程：

main_thread：EtherCAT SSC 端口 及PHY初始化，EtherCAT从站初始化，运转EtherCAT从站主循环，处置主站的通讯恳求、更新AL形态机等等。

ecat_thread：初始化并启动LWIP内核

以太网PHY初始化性能

这局部的初始化性能在ecat_thread中，进入RM_ETHERCAT_SSC_PORT_Open(), 这个EtherCAT 接口性能函数之后，可以看到EtherCAT Slave Controller 的一些初始化性能，其中就包括了PHY 的初始化：

这里初始化的一个PHY 实例是：p_ether_phy_instance，它是一个 ether_phy_instance_t 类型的变量,这个PHY 的实例是在调用RM_ETHERCAT_SSC_PORT_Open函数的时刻形参传递出去的，也就是 gp_ethercat_ssc_port。这种设计形式在上方的ether_netif及lwip port中的定义也有表现。

{; /// 指向PHY实例的控制结构体 ; /// 指向实例性能的结构体指针 ; /// 性能环节中用到的API操作形式所组成的结构体指针 };

也就是说其实此处其实关上的是 g_ethercat_ssc_port0：

可以看到 g_ethercat_ssc_port0_ctrl 指向的是 g_ethercat_ssc_port0 的控制结构体指针:

{., // 指向g_ethercat_ssc_port0的控制结构体指针 ., // 指向g_ethercat_ssc_port0的性能结构体指针 . // 指向g_ethercat_ssc_port0性能方法的结构指针 };

PHY 的驱动是ethercat_ssc_port0 外设驱动的子模块，雷同咱们来看下PHY的初始化：

经过调用 ether_phy_targets_initialize 依据性能的PHY型号口头对应的初始化性能：

LWIP协定栈初始化

lwip协定栈的初始化是经过um_lwip_port_core_open()函数去成功的，在该函数中会调用tcpip_init()函数启动lwip协定栈的初始化，重要会创立一个tcpip_mbox邮箱，用于接纳底层或许下层传递上来的信息，此外还会创立一个tcpip_thread线程，一切须要处置的数据都会经过这个函数去处置。

在tcpip_mbox邮箱中会接纳来自tcpip_input的数据包，并由该邮箱将其传递给tcpip_thread线程启动处置。

netifapi_netif_add()由 lwip port open中的um_lwip_port_netif_open()函数调用，该函数重要性能为：将网络接口参与到 lwIP 网络堆栈的调用。

这里咱们须要关注两个回调函数：

_netif_add_callback

tcpip_input

tcpip_input外部详细调用的就是tcpip_inpkt()，调用该函数会将ethernet_input()函数作为结构体的一局部传递给内核，当内核接纳到数据包时就会调用这个函数。

而在_netif_add_callback()函数中，咱们关注三个接口函数：

etharp_output

_link_output

_status_changed

第一个 p_netif->output = etharp_output 是以太网接口的输入回调函数，用于处置IP数据包，重要担任将IP数据包经过以太网发送出去，并处置ARP协定以解析IP到MAC地址的映射相关。

第二个 p_netif->linkoutput 是链路层的输入回调函数，该函数被用来实践发送以太网帧到网络驱动程序，etharp_output 等高层协定函数会处置好数据包内容，最终调用 linkoutput 将数据帧发送到 配件 。

第三个是当网络接口形态出现变动时调用的回调函数。比如，网络接口的链路形态（link up/down）出现变动时，lwIP就会调用这个回调函数，假设说netif曾经up并且IP地址被设置时，他就会发送一个Event：LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_IP_UP

网卡数据传入LWIP内核流程

当eth接纳完数据后会发生一个终止，在终止中会监禁一个信号量

此时在ether_reader线程中收到此信号量，会从以太网驱动缓冲区中读取接纳到的以太网帧，并经过um_ether_netif_callback_request口头回调p_func

此时event为ETHER_NETIF_CALLBACK_EVENT_RECEIVE_ETHER_FRAME，口头 um_lwip_port_thread_receiver_request();

此时lwip_recv线程收到该Frame，口头_netif_frame_input（p_callback），在此函数中经过um_lwip_port_netif_input()将以太网帧传入到lwip netif中；

紧接着调用tcpip_input回调，将封装的信息传递给tcpip_mbox邮箱中，同时由tcpip_thread对该信息启动解析。

EOE从站接纳以太网数据帧流程（经常使用ping指令）

首先系统须要以此成功两局部初始化：

ethernet网络接口初始化

ether_monitor Thread: 审核netif link形态，同时将收到的形态发送给回调更新event

ether_reader Thread: 接纳来自ethernet的通知并接纳数据帧，由ethernet终止触发

ether_writer Thread: 接纳来自信息队列的数据帧

tcp/ip网络协定栈初始化

LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_LINK_UP -> _netif_link_on

LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_LINK_DOWN -> _netif_link_off

LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_IP_UP -> um_lwip_port_netif_set_netif_state(LWIP_PORT_NETIF_STATE_UP);

LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_IP_DOWN -> um_lwip_port_netif_set_netif_state(LWIP_PORT_NETIF_STATE_DOWN);

lwip_launch Thread: 接纳来自ethernet link回调的通知，以此判别恳求的event

lwip_recv Thread: 接纳来自ether link回调的通知，并广播给netif

在此时期以此经过几个Event来成功网络的初始化

ETHER_NETIF_CALLBACK_EVENT_LINK_DOWN：此时的一切网络端口处于初始形态，还未初始化

ETHER_NETIF_CALLBACK_EVENT_LINK_UP：存在端口link up，口头um_lwip_port_task_launcher_request，将event形态设置为LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_LINK_UP

LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_LINK_UP：netif链路link up，口头 status_changed，并口头 um_lwip_port_task_launcher_request 修正 event 为 LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_IP_UP

LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_IP_UP：IP is up，口头um_lwip_port_netif_set_netif_state设置netif形态并设置通知回调，将event修正为LWIP_PORT_CALLBACK_EVENT_NETIF_UP

LWIP_PORT_CALLBACK_EVENT_NETIF_UP：network interface link up，审核IP地址能否有效，并创立sock监听

只要当这么几个Event依次触发，能力成功对EtherCAT从站网络的初始化，主从站之间能力反常收发数据：

ICMP普通被以为是IP协定层的一局部，但在结构上位于IP协定层之上。重要用于确认网络形态或许链路不等同场景，当数据报文不可反常抵达指标主机时，ICMP就会前往一个过错报文，让源主机知道数据抵达状况，经常出现的ping命令就是属于ICMP 查问报文性能的一局部，当ping成功，也就代表网卡、IP层、ICMP层都能反常通讯，也可以证实LWIP移植成功。

上方是经常使用Wireshark抓包抓取回显应对报文的示例：

3

ARP：地址解析协定，重要是经过解析IP地址失掉数据链路层的MAC地址（网卡标识符），在以太网中，一个主机想要与另一个主机间接通讯，必定知道指标主机的MAC地址，这时刻就须要ARP启动地址解析。

ARP缓存表：在每台主机的内存中都有一个ARP缓存表，记载了IP地址到MAC地址的映射相关，经过arp -a可失掉 信息

其重要的运作流程是：

1.假设主机A想要发送数据给主机B，那么主机A会先审核自己的ARP缓存中能否有主机B的IP地址及MAC地址的映射，假设有的话才会将主机B的MAC地址作为源地址封装到数据帧中；假设没有，那主机A就会向局域网中广播ARP恳求（包括发送方的IP地址、MAC地址，接纳方的IP地址），每台其余主机在收到ARP恳求后都会审核自己的IP地址能否与ARP恳求中接纳方的IP地址相反，如不相反，就会摈弃ARP恳求包。

2.当 替换机 接纳到此数据帧后，发现此数据帧为广播帧，因此会将此数据帧从非接纳的一切接口中发送出去。

3.当主机B接纳到此数据帧后，会核查IP地址能否是自己的，并将主机A的IP地址和MAC地址的对应相关记载到自己的ARP缓存表中，同时发送一个ARP照应，其中就包括自己的MAC地址。

4.当主机A接纳到这个主机B回应的数据帧后，就会在自己的ARP缓存表中记载主机B的IP地址和MAC映射相关。

详细流程可见下图：

上方这个是EtherCAT EOE工程测试ping命令时ARP缓存表的变动状况

那这里LWIP是怎样处置ARP恳求并且失掉到从站的IP及MAC地址的呢，咱们接着往下看

先来了解两个API：

LWIP从网卡中接纳数据包的函数是：ethernet_input()

ARP数据包的处置函数是：etharp_input()，其重要内容为：

（1）审核ARP报文。

（2）ARP恳求报文：假设是恳求报文的指标IP和本地的婚配，就组装ARP照应报文并发送出去。

（3）ARP照应报文：

1）更新ARP缓存表。

2）把阻塞在arp entry缓存队列的IP数据报发送出去。

3）监禁pbuf。由于ARP报文到此曾经处置终了。

关于ARP处置数据包来说，有这么两种状况：

（1）收到APR应对包：此时说明之前发送的APR恳求包失掉了回应，那么就依据应对包去更新自身的ARP缓存表；

（2）收到ARP恳求包：首先会判别包中的指标能否与主机IP婚配，婚配上的话就记载下源主机的IP及MAC地址，接着在更新自身的ARP表外，还要向源主机发送一个ARP应对包；假设说包中的指标IP与主机IP并不婚配，那么依据ARP表的空余状况选用记载源主机的IP及MAC地址（假设没有空余的表项，则不会记载），并摈弃该恳求包。

这里对应咱们EtherCAT EOE工程来说，ethernet调用流程为：

前面咱们了解了一个数据包的接纳流程，假设收到的是ARP数据包，那么就会交给ARP处置，假设是IP数据包就会调用ip4_input()函数将其传递给下层.

arp经过 etharp_output() 函数接纳到IP数据包后，判别该数据包是单播，多播还是广播，关于其处置形式：

关于多播或许广播数据包，间接交给网卡处置（调用ethernet_output）

关于单播，arp须要依据IP找到对应的MAC地址，假设找不到MAC地址，还要提前发送数据包。ARP首先会创立一个ARP表项，再将数据包挂载到ARP表项上对应的缓存队列上，同时会收回一个ARP恳求包，期待指标主机的回应后再发送IP数据包

那么对应netif->linkoutput()其实就是在初始化lwip网卡接口设施时绑定的 _link_output()

EtherCAT EOE测试

编译并启动下载调试，终端出现RT-Thread LOGO即为启动成功

将 瑞萨 EtherCAT EOE例程下的ESI文件（RZT2M_EtherCAT_K_rev0200\common\ecat_EoE_lwIP\ESI\Renesas EtherCAT RZT2 EoE.xml）复制到TwinCAT装置目录下（C:\TwinCAT\3.1\Config\Io\EtherCAT）

启动TwinCAT，并烧入EEPROM的EOE固件

经常使用ping命令测试EOE协定能否运转成功

经常使用TCPIP测试工具测试TCP通讯回显性能

其余说明：三网口经常使用性能说明

关上RZSC，性能ethercat_ssc_port的phy2

设置第三个网口的PHY

设置ETHER_ETH2

设置ETHER_ESC的phy2性能，修正ESC_LINKACT2为P21_0，ESC_PHYLINK2为P00_5

生成RZSC源码，回到IAR工程从新编译下载

EEPROM固件更新

此时T2M的三个网口都可以启动EtherCAT EOE通讯，详细测试方法参考如上

EtherCAT总线技术全解析：EtherCAT的设备行规COE、EOE、FOE等（11）

EtherCAT，作为一种先进的设备通信技术，通过一系列设备行规（Device Profile）支持不同类型的设备和广泛的应用场景。 11.1中提到， EtherCAT并未为特定设备类别开发新的配置文件，而是提供与现有设备配置文件兼容的接口，简化了从传统现场总线向EtherCAT的迁移过程。 CoE（CANopen over EtherCAT）是主要的行规之一，它利用CANopen标准，允许在已有的CANopen设备中轻松转换为EtherCAT，保留了对象字典、PDO和SDO等功能，甚至支持更大数据量的上传。 通过将CANopen固件重复利用，降低了转换成本。 EoE（Ethernet over EtherCAT）则利用以太网协议，使得EtherCAT网络对以太网设备透明，可以在EtherCAT网段内部传输标准TCP/IP数据，实现了互联网技术在 EtherCAT环境中的应用，如web服务器、电子邮件等。 SOE（SERCOS Profile over EtherCAT）专为运动控制设计，将SERCOS行规与EtherCAT映射，允许访问驱动器内部参数，而FoE（File access over EtherCAT）则提供了文件访问和固件升级功能，无需TCP/IP协议。 AoE（ADS over EtherCAT）作为基于邮箱的协议，提供低开销的客户端-服务器通信，适用于PLC程序与子网设备间的通信，并支持远程诊断。 这些行规共同扩展了EtherCAT的功能，使得不同设备间的通信更为灵活和高效。

EtherCAT FP介绍系列文章—EoE

EtherCAT EoE技术详解EtherCAT EoE（Ethernet over EtherCAT）是一种创新技术，它允许标准以太网设备如打印机、相机或PC在EtherCAT网络中无缝通信，而不会影响实时性能。 该技术通过EtherCAT协议透传第三方设备的数据帧，为以太网设备提供了与EtherCAT网络的透明连接。 然而，支持EoE的EtherCAT从站设备可能在性能和内存容量上有所限制，仅适合处理连续的以太网帧。 因此，在设计EoE系统时，应避免EtherCAT主站的switch同时通过EoE发送多个帧，以避免性能瓶颈。 默认的TCP/IP协议站会在发送数据帧时计算校验和，但有时网卡可能修改这些设置。 这可能导致在EoE环境中生成无效帧，影响数据传输。 为确保EoE的正常运行，需要对网卡进行特定配置，确保生成有效校验和。 在电机驱动器调试和监控软件中，EoE的应用尤为典型。 通过EoE，无需额外接线，电机驱动器的配置和诊断可以由EtherCAT网络直接处理，上位机通过TCP/IP将指令通过主站路由到设备，大大简化了调试流程。 一个完整的EoE系统包括上位机操作系统、EtherCAT主站网关和从站模块，其中从站通常需要支持EoE协议、IP栈和TCP/UDP。 主站网关的Virtual Switch负责数据帧路由，上位系统的EoE Endpoint则负责处理和打包数据，使其符合以太网格式。 Acontis的EC-Master EtherCAT主站方案中集成了稳定可靠的EoE Switch功能，并提供了EoE Endpoint SDK和EoE Gateway等工具，帮助用户开发和调试。 例如，EoE Endpoint SDK提供了Windows驱动和RAS功能，便于与从站设备通信，而EoE Gateway则为不使用EoE Endpoint API的应用提供直接EoE通信的途径。 总而言之，EtherCAT EoE技术通过集成的主站网关和上位机工具，实现了以太网设备与EtherCAT网络的高效协同，为工业控制领域的调试和监控提供了强大支持。