基于S3C2440的Ethercat实现
1 引言
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(beckhoffautomation 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 memorymanagement 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]。
工业自动化技术下一个主战场是东南亚,将掀起机器人热潮
5G时代体育场馆产业链将会面临新的挑战
ZigBee在生产线智能化管理上的应用
TCL华星与翰博高新围绕MiniLED、材料等领域达成战略合作
Qualcomm与Facebook在城市区域基于60GHz频段提供高速互联网连接
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欧洲多家零售商偷跑11代酷睿桌面处理器售价 核心数量少价格提升
多样需求大满足！西部数据年终好价存储好物请查收
运动传感器供应商矽立科技携手海尔建立智控传感联合实验室打造全新智能家电
机器视觉的发展前景如何，工业方面的视觉检测怎么样
python为什么叫爬虫 python工资高还是java的高
openEuler安全配置基线标准首发
XSENS配备全新GNSS/INS模块的新款坚固型MTi-670G
中国电信：5G尚处发展初期，还未达到预期
紫外线UV杀菌灯的工作原理是怎样的
如何才能知道步进电机的脉冲周期
三星智能手表市场份额同比增长1%，苹果推动行业整体高端化
将HB LED驱动到更亮的高度，适用于汽车应用等
京东方开始供应iPhone 15 OLED屏
四个对比 搞清薄膜电容关键特性
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(beckhoffautomation 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 memorymanagement 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：
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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]。
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openEuler安全配置基线标准首发
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