基于S3C2440的Ethercat實現(xiàn)

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工業(yè)以太網(wǎng)由于低成本、易于組網(wǎng)和具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率、資源共享能力強以及易于Internet連接等特點，以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術(shù)，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。以太網(wǎng)最早由Xerox（施樂）公司創(chuàng)建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)成為一個標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（10Mbit/s）、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)，采用的是CSMA/CD訪問控制法，它們都符合IEEE802.3。

2 Ethercat技術(shù)介紹

2.1 Ethercat的系統(tǒng)組成及運行原理

EtherCAT 是開放的實時以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，最初由德國倍福自動化有限公司（Beckhoff Automation GmbH） 研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，同時，它還符合甚至降低了現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議（SIL3）。通過采用EtherCAT技術(shù)， Beckhoff突破了其它以太網(wǎng)解決方案的這些系統(tǒng)限制：不必再像從前那樣在每個連接點接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進行解碼并復(fù)制為過程數(shù)據(jù)。當(dāng)幀通過每一個設(shè)備（包括底層端子設(shè)備）時，EtherCAT從站控制器讀取對于該設(shè)備十分重要的數(shù)據(jù)。同樣，輸入數(shù)據(jù)可以在報文通過時插入至報文中。在幀被傳遞 （僅被延遲幾位）過去的時候，從站會識別出相關(guān)命令，并進行處理。此過程是在從站控制器中通過硬件實現(xiàn)的，因此與協(xié)議堆棧軟件的實時運行系統(tǒng)或處理器性能無關(guān)。網(wǎng)段中的最后一個EtherCAT從站將經(jīng)過充分處理的報文返回，這樣該報文就作為一個響應(yīng)報文由第一個從站返回到主站。

2.2 Ethercat協(xié)議

Ethercat主張"以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)" 。它是一個開放源代碼，高性能的系統(tǒng)，目的是利用以太網(wǎng)協(xié)議（最惠國待遇系統(tǒng)局域網(wǎng)），在一個工業(yè)環(huán)境，特別是對工廠和其他制造業(yè)的關(guān)注，其中利用機器人和其他裝備線上的技術(shù)。Ethercat采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802-3以太網(wǎng)幀，幀結(jié)構(gòu)如圖2。Ethercat在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)中使用了一個特殊的以太網(wǎng)幀類型0x88A4，采用這種方式可以使控制數(shù)據(jù)直接寫入以太網(wǎng)幀內(nèi)，并且可以與遵守其它協(xié)議的以太網(wǎng)幀在同一網(wǎng)絡(luò)中并行。一個Ethercat幀中可以包含若干個Ethercat子報文，每個報文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，由FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）寄存器和SM （SyncManager）寄存器定義，該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。Ethercat報文由一個16位的WKC（Working Count）結(jié)束，其數(shù)據(jù)區(qū)最大長度可達1486個字節(jié)。在報文頭中由8位命令區(qū)數(shù)據(jù)決定主站對從站的尋址方式，由于數(shù)據(jù)鏈獨立于物理順序，因此可以對Ethercat從站進行任意的編址。

圖2 Ethercat幀結(jié)構(gòu)

2.3 Ethercat性能

Ethercat整個協(xié)議處理過程都在硬件中進行。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時間。通過一個以太網(wǎng)幀，可以交換高達1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于12000個數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。100個伺服軸的通訊只需100μs[5]。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報告它們的實際位置和狀態(tài)。

3 基于ARM的從站節(jié)點控制器的硬件設(shè)計

ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。

Ethercat從站節(jié)點的協(xié)議部分可以直接利用BECKHOFF公司的從站控制器ESC。ESC從站控制器提供3種接口規(guī)范如表1，具體采用哪一種方式可以設(shè)置控制器的EEPROM來選擇。

表1 接口規(guī)范

本文設(shè)計的Ethercat從站節(jié)點硬件包括從站協(xié)議控制器、從站CPU和網(wǎng)絡(luò)接口等部分組成。Ethercat從站中最關(guān)鍵部分是Ethercat協(xié)議控制器，它實現(xiàn)Ethercat的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議?，F(xiàn)在市場上有多種Ethercat協(xié)議控制器可供使用，接口連接方式采用16位異步微處理器方式。從站的硬件實現(xiàn)如圖3所示。

其中ARM控制器實現(xiàn)Ethercat對現(xiàn)場任務(wù)的收集與調(diào)度；Ethercat從站控制器實現(xiàn)Ethercat協(xié)議；EEPROM用于保存從站配置數(shù)據(jù)和從站描述數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)接口用于主從站之間或從站與從站之間的連接，根據(jù)Ethercat從站控制器的不同網(wǎng)絡(luò)接口可以分別為2-4個。

圖3 從站節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

4 數(shù)據(jù)交換

主從站之間交換的數(shù)據(jù)主要分兩種形式：一種是周期性數(shù)據(jù)；另一種是非周期性數(shù)據(jù)。周期性數(shù)據(jù)傳輸可以根據(jù)任務(wù)的緊迫性劃分其優(yōu)先級，通過采用EDF算法調(diào)度任務(wù)，把劃分好優(yōu)先級的任務(wù)放入緩沖區(qū)供系統(tǒng)調(diào)用。緩沖區(qū)為在內(nèi)存中分配的一段空間，兩端都可以訪問緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)；非周期性數(shù)據(jù)采用郵箱方式傳輸，此時一端寫入數(shù)據(jù)到內(nèi)存，且只有此段內(nèi)存寫滿后另一端才能開始從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，并且只能當(dāng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)全部讀出時，才能重新寫入數(shù)據(jù)。針對這兩種數(shù)據(jù)通信方式，從站程序可以對非周期性數(shù)據(jù)通信采用查詢方式，對周期性通信采用中斷方式，程序流程圖如圖4、圖5所示。

圖4 中斷方式

圖5 查詢方式

5 最小截止優(yōu)先（EDF，Earliest Deadline First）算法

系統(tǒng)對周期性任務(wù)采用最小優(yōu)先級優(yōu)先算法進行調(diào)度，調(diào)度算法在ARM微控制器中實現(xiàn)。處理器對緊迫性事件的處理能力決定了系統(tǒng)處理突發(fā)事件的能力，把系統(tǒng)各種需要調(diào)度的任務(wù)按照緊迫程度用優(yōu)先級來劃分，通過采用最小截止期優(yōu)先算法來動態(tài)優(yōu)先處理突發(fā)事件。

EDF全稱Earliest Deadline First。最早截止時間優(yōu)先算法（EDF）也稱為截止時間驅(qū)動調(diào)度算法（DDS），是一種動態(tài)調(diào)度算法。EDF在調(diào)度時，任務(wù)的優(yōu)先級根據(jù)任務(wù)的截止時間動態(tài)分配。截止時間越短，優(yōu)先級越高。如果一個任務(wù)集負載U<=1，則是可調(diào)度的。EDF 調(diào)度算法已被證明是動態(tài)最優(yōu)調(diào)度， 而且是充要條件。處理機利用率最大可達100% 。但瞬時過載時， 系統(tǒng)行為不可預(yù)測， 可能發(fā)生多米諾骨牌現(xiàn)象， 一個任務(wù)丟失時會引起一連串的任務(wù)接連丟失。所有實時任務(wù)必須滿足以下限制條件：

（1）所有實時任務(wù)均為周期任務(wù)，且周期大于或等于截止期。

（2）所有實時任務(wù)必須在其截止期到來前結(jié)束。

（3）所有實時任務(wù)相互獨立。

（4）所有實時任務(wù)具有恒定的運動時間。

任務(wù)按周期由大到小排列為EDF以任務(wù)的截止期與當(dāng)前時刻的距離確定任務(wù)優(yōu)先級（稱這一距離為時限距離），距離越近，優(yōu)先級越高，因此，EDF總是選擇當(dāng)前最迫切需要完成的任務(wù)獲得處理器。Liu和Layland證明如下：

對于由n個周期任務(wù)組成實時任務(wù)集，當(dāng)且僅當(dāng)：

其中Ci為計算機時間，該任務(wù)集能夠由EDF調(diào)度。

EDF是最優(yōu)動態(tài)可搶占優(yōu)先級調(diào)度，對于任何實時任務(wù)集，只要存在可行的動態(tài)調(diào)度算法，則必可由EDF調(diào)度。需要注意的是，EDF只在出現(xiàn)任務(wù)實例就緒時調(diào)整任務(wù)的優(yōu)先級。

6 結(jié)束語

EDF算法是對周期性任務(wù)的動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法，存在以下缺點：①調(diào)度算法是針對周期性任務(wù)而言的，沒有考慮對實時系統(tǒng)中突發(fā)任務(wù)（非周期性任務(wù)）的調(diào)度，且周期任務(wù)要求彼此獨立。②調(diào)度算對周期和時限寬度相同的同步周期任務(wù)，即使在處理器利用率很低的情況下，也可能產(chǎn)生不了合理的調(diào)度。因此在這種情況下，必須進行調(diào)度算法的可行性分析[10]。

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