基于S3C2440的Ethercat實(shí)時(shí)

1  引言
    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(qiáng)以及易于Internet連接等特點(diǎn)[1]，使其在工業(yè)中應(yīng)用越來越多。Ethercat技術(shù)是德國BECKHOFF公司提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，具有高速、有效數(shù)據(jù)率高等特點(diǎn)，全雙工特性完全得以利用[2]。
2  Ethercat技術(shù)介紹
2.1  Ethercat的系統(tǒng)組成及運(yùn)行原理

 Ethercat采用了主從介質(zhì)訪問方式，在基于Ethercat的通信系統(tǒng)中，主站控制從站發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從站在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過從站時(shí)讀取相應(yīng)報(bào)文中的輸出數(shù)據(jù)。同時(shí)，從站的輸入數(shù)據(jù)插入到同一數(shù)據(jù)幀的相關(guān)報(bào)文中。當(dāng)該數(shù)據(jù)幀經(jīng)過所有從站并與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換后，由Ethecat系統(tǒng)中末端從站將數(shù)據(jù)幀返回[3]。圖1由一個(gè)主站和3個(gè)從站組成的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單Ethercat系統(tǒng)。
2.2  Ethercat協(xié)議
    Ethercat以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，在MAC(媒體訪問層)增加了一個(gè)確定性調(diào)度的軟件層，該軟件層實(shí)現(xiàn)了通信周期內(nèi)的數(shù)據(jù)幀的傳輸。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(gè)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(gè)Ethercat幀中可以包含若干個(gè)Ethercat子報(bào)文，每個(gè)報(bào)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(dá)4GB字節(jié)。Ethercat報(bào)文由一個(gè)16位的WKC(Working Count)結(jié)束，其數(shù)據(jù)區(qū)最大長度可達(dá)1486個(gè)字節(jié)。在報(bào)文頭中由8位命令區(qū)數(shù)據(jù)決定主站對(duì)從站的尋址方式，由于數(shù)據(jù)鏈獨(dú)立于物理順序，因此可以對(duì)Ethercat從站進(jìn)行任意的編址[4]。

圖2  Ethercat幀結(jié)構(gòu)

2.3  Ethercat性能
    Ethercat整個(gè)協(xié)議處理過程都在硬件中進(jìn)行。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達(dá)到了一個(gè)新的高度。1000個(gè)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(shí)間。通過一個(gè)以太網(wǎng)幀，可以交換高達(dá)1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。100個(gè)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(bào)告它們的實(shí)際位置和狀態(tài)。分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時(shí)間偏差小于1μs [6]。
3  基于ARM的從站節(jié)點(diǎn)控制器的硬件設(shè)計(jì)
    Ethercat從站節(jié)點(diǎn)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
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本文設(shè)計(jì)的Ethercat從站節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)Ethercat的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有多種Ethercat協(xié)議控制器可供使用，如FPGA實(shí)現(xiàn)和ASIC實(shí)現(xiàn)。從站CPU采用ARM920T核的S3C2440芯片。接口連接方式采用16位異步微處理器方式[7]。從站的硬件實(shí)現(xiàn)如圖3所示。
    其中ARM控制器實(shí)現(xiàn)Ethercat對(duì)現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)的收集與調(diào)度；Ethercat從站控制器實(shí)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(gè)，網(wǎng)絡(luò)接口采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層器件就可以。

圖3  從站節(jié)點(diǎn)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(jí)，通過采用EDF算法調(diào)度任務(wù)，把劃分好優(yōu)先級(jí)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(shí)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(shí)，才能重新寫入數(shù)據(jù)。針對(duì)這兩種數(shù)據(jù)通信方式，從站程序可以對(duì)非周期性數(shù)據(jù)通信采用查詢方式，對(duì)周期性通信采用中斷方式，程序流程圖如圖4、圖5所示[8]。

圖4 中斷方式

圖5 查詢方式[!--empirenews.page--]
5  最小截止優(yōu)先（EDF，Earliest Deadline First）算法
    系統(tǒng)對(duì)周期性任務(wù)采用最小優(yōu)先級(jí)優(yōu)先算法進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度算法在ARM微控制器中實(shí)現(xiàn)。處理器對(duì)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(jí)來劃分，通過采用最小截止期優(yōu)先算法來動(dòng)態(tài)優(yōu)先處理突發(fā)事件，很好地提高了Ethercat網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能。
    EDF（Earliest Deadline First）是一種動(dòng)態(tài)可搶占優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)調(diào)度，所有實(shí)時(shí)任務(wù)必須滿足以下限制條件：
    （1）所有實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)任務(wù)必須在其截止期到來前結(jié)束。
    （3）所有實(shí)時(shí)任務(wù)相互獨(dú)立。
    （4）所有實(shí)時(shí)任務(wù)具有恒定的運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)刻的距離確定任務(wù)優(yōu)先級(jí)（稱這一距離為時(shí)限距離），距離越近，優(yōu)先級(jí)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(duì)于由n個(gè)周期任務(wù)組成實(shí)時(shí)任務(wù)集，當(dāng)且僅當(dāng)：

其中Ci為計(jì)算機(jī)時(shí)間，該任務(wù)集能夠由EDF調(diào)度。
    EDF是最優(yōu)動(dòng)態(tài)可搶占優(yōu)先級(jí)調(diào)度，對(duì)于任何實(shí)時(shí)任務(wù)集，只要存在可行的動(dòng)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(shí)例就緒時(shí)調(diào)整任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。因?yàn)樵谄渌鼤r(shí)刻，任務(wù)實(shí)例按時(shí)限距離的長短的排序關(guān)系不變，因此任務(wù)間優(yōu)先級(jí)的排序不變[9]。
6  結(jié)束語
    EDF算法是對(duì)周期性任務(wù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，存在以下缺點(diǎn)：①調(diào)度算法是針對(duì)周期性任務(wù)而言的，沒有考慮對(duì)實(shí)時(shí)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(dú)立。②調(diào)度算對(duì)周期和時(shí)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(jìn)行調(diào)度算法的可行性分析[10]。