01

EtherCAT介紹

1

EtherCAT狀態(tài)機(jī)制

ESM (EtherCAT state machine)是用來在啟動或者工作時(shí)協(xié)調(diào)主站和從站關(guān)系用的，由應(yīng)用層控制器將從站應(yīng)用的狀態(tài)寫入AL狀態(tài)寄存器，主站通過寫AL控制寄存器進(jìn)行狀態(tài)請求。因此從邏輯上說，ESM位于EtherCAT從站控制器與應(yīng)用之間。

如下所示，它包含 EtherCAT狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程。

初始狀態(tài)（Init）

此時(shí)應(yīng)用層無通信，沒有郵箱通信也沒有過程數(shù)據(jù)通信

轉(zhuǎn)換到預(yù)工作狀態(tài)（Init to Pre-Op）

主站配置地址和SM，用于進(jìn)行郵箱通信；同時(shí)主站請求向Pre-Op模式轉(zhuǎn)換；接著從站檢查郵箱是否初始化正確

安全工作狀態(tài)（Safe-Op）

在這一階段，從站應(yīng)用程序?qū)鬏攲?shí)際輸入數(shù)據(jù)，此時(shí)主站并不對從站輸出進(jìn)行操作，并將輸出模式設(shè)為安全狀態(tài)

轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)（Safe Op to Op）

這一階段主站開始發(fā)送有效的輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)請求向工作模式轉(zhuǎn)換

工作狀態(tài)（Op）

此時(shí)主站的輸入和輸出均有效，可以進(jìn)行過程數(shù)據(jù)的通信

Bootstrap狀態(tài)

此外還有個(gè)Bootstrap狀態(tài)，該狀態(tài)作為可選項(xiàng)，一般是在固件更新時(shí)使用，該狀態(tài)只允許從初始狀態(tài)切換到該狀態(tài)，在此狀態(tài)期間是沒有過程數(shù)據(jù)通信的，一般是用于FOE協(xié)議文件傳輸或固件升級的

下面是具體的一些狀態(tài)轉(zhuǎn)換，此處不再說明

2

EtherCAT尋址

EtherCAT通信是指主設(shè)備從EtherCAT從設(shè)備的內(nèi)部閃存讀取和寫入數(shù)據(jù)，通常來說有兩種尋址方式來控制內(nèi)部的ESC寄存器：

1）設(shè)備尋址

在設(shè)備尋址時(shí)，EtherCAT子報(bào)文頭內(nèi)的32位地址分為16位從站設(shè)備地址和16位從站設(shè)備內(nèi)部物理存儲空間地址。設(shè)備尋址時(shí)，每個(gè)報(bào)文只尋址唯一的一個(gè)從站設(shè)備，但對于尋址機(jī)制又分為兩種：

順序?qū)ぶ罚菏褂庙樞驅(qū)ぶ窌r(shí)，從站的地址由其在網(wǎng)段內(nèi)的連接位置確定，用一個(gè)負(fù)數(shù)來表示每個(gè)從站在網(wǎng)段內(nèi)由接線順序決定的位置。順序?qū)ぶ纷訄?bào)文在經(jīng)過每個(gè)從站設(shè)備時(shí)，其順序地址加1，從站在接收報(bào)文時(shí)，順序地址位0的報(bào)文就是尋址到自己的報(bào)文，因此這種尋址機(jī)制也被稱為“自動增量尋址”；

例如：主站發(fā)起三個(gè)子報(bào)文分別去尋址三個(gè)從站，其中地址分別為0，-1，-2，如上圖中的數(shù)據(jù)幀1，數(shù)據(jù)幀在到達(dá)從站1時(shí)，從站1檢查到子報(bào)文1中的地址為0，從而得知子報(bào)文1就是尋址到自己的報(bào)文，數(shù)據(jù)幀經(jīng)過從站1后，所有的順序地址都增加1，稱為1，0，-1，以此類推...

在設(shè)置尋址時(shí)，從站的地址與其在網(wǎng)段內(nèi)的連接順序無關(guān)，地址可以由主站在數(shù)據(jù)鏈路層啟動階段配置EtherCAT ID給從站；也可以由從站在上電初始化時(shí)從自身的EEPROM內(nèi)部讀取EtherCAT ID進(jìn)而分配地址。

2）邏輯尋址

前面講的設(shè)備尋址一般來說只針對某一從站進(jìn)行讀寫操作，并且是在掃描階段去使用的，相對與邏輯尋址來說并不常見。邏輯尋址面向過程數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)多播，同一個(gè)子報(bào)文可以讀取多個(gè)從站設(shè)備。

在邏輯尋址時(shí)，從站地址并不是單獨(dú)定義的，而是使用了尋址段內(nèi)4G邏輯地址空間中的一段區(qū)域，報(bào)文內(nèi)的32位地址作為整體的數(shù)據(jù)邏輯地址完成對設(shè)備的邏輯尋址。

而談到邏輯尋址，需要了解FMMU（現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元），邏輯尋址由FMMU實(shí)現(xiàn)，在ESC（從站控制器），主要負(fù)責(zé)邏輯地址與物理地址的映射，用于將過程數(shù)據(jù)映射到主站，從而減輕主站的存儲器管理負(fù)擔(dān)。

當(dāng)從站設(shè)備收到一個(gè)數(shù)據(jù)邏輯尋址的EtherCAT子報(bào)文時(shí)，會檢查是否由FMMU單元地址匹配，如果有的話，就會將輸入類型數(shù)據(jù)插入至EtherCAT子報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)的對應(yīng)位置。

3

EtherCAT從站同步模式

EtherCAT從站同步模式主要分為以下幾種：

(1)自由運(yùn)行模式（Free Run Mode）

在此模式下，從站設(shè)備獨(dú)立于主站運(yùn)行，內(nèi)部沒有同步到任何外部信號。設(shè)備的周期性操作由內(nèi)部時(shí)鐘或定時(shí)器控制，通常用于非實(shí)時(shí)要求的應(yīng)用場景。

(2)分布式時(shí)鐘模式（Distributed Clocks，DC）

分布式時(shí)鐘是 EtherCAT 的關(guān)鍵同步機(jī)制之一，廣泛用于需要高精度同步的場景。在 DC 模式下，所有 EtherCAT 從站通過一個(gè)參考時(shí)鐘（通常由主站或某個(gè)從站提供）實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。每個(gè)從站都會調(diào)整其內(nèi)部時(shí)鐘，使所有設(shè)備在微秒級別內(nèi)同步。此模式適用于需要精確協(xié)調(diào)多個(gè)設(shè)備動作的應(yīng)用，例如運(yùn)動控制。

(3)同步管理器事件模式（SyncManager Event Mode）

前面我們說了，F(xiàn)MMU主要用于地址映射，尋找對應(yīng)的地址（尋址），那SyncManager就是用于交換數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)同步進(jìn)去。

在此模式下，從站設(shè)備通過 SyncManager 同步數(shù)據(jù)傳輸。每當(dāng)主站寫入或讀取 SyncManager 寄存器時(shí)，從站的同步管理器事件會觸發(fā)中斷，從而引發(fā)應(yīng)用程序的執(zhí)行。這個(gè)模式下的同步精度不如 DC 模式高，通常用于不需要嚴(yán)格時(shí)間同步的應(yīng)用場合。

SyncManager主要有兩種模式：

1）郵箱（單緩存模式）

使用單個(gè)緩存區(qū)，通過握手的機(jī)制完成數(shù)據(jù)交換，一般情況下，一端在完成數(shù)據(jù)的讀寫后，另一端才能訪問該緩存區(qū)，這樣可以保證數(shù)據(jù)不被丟失。

一般來說，數(shù)據(jù)發(fā)送方首先將數(shù)據(jù)寫入緩存區(qū)，此時(shí)緩存區(qū)被鎖定為只讀狀態(tài)，一直等到數(shù)據(jù)接收方將數(shù)據(jù)讀走。

該模式通常使用在非周期性的數(shù)據(jù)交換，分配的緩存區(qū)也叫郵箱。

郵箱模式通常使用兩個(gè)SM通道，一般情況下主站到從站通信使用SM0，從站到主站通信使用SM1。

對于郵箱模式來說，分析其主從站的通信模式：

主站到從站的通信：主站必須檢查從站郵箱命令中的應(yīng)答工作計(jì)數(shù)器（Working counter），如果工作計(jì)數(shù)器沒有增加（通常是因?yàn)閺恼緵]有完全讀取上一條命令），或者在規(guī)定時(shí)間期限內(nèi)沒有響應(yīng)，主站必須重發(fā)該郵箱命令。

從站到主站到通信：主站必須確定從站是否用郵箱命令填滿了SM，并且盡快地發(fā)送適當(dāng)?shù)淖x命令

2）緩存

使用三個(gè)緩存區(qū)，允許EtherCAT主站的控制權(quán)和從站控制器在做任何時(shí)候都訪問數(shù)據(jù)交換緩存區(qū)。

接收數(shù)據(jù)的那一方隨時(shí)可以得到最新的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送那一方也可以隨時(shí)更新緩存區(qū)里的內(nèi)容。

假如寫緩存區(qū)的速度比讀緩存區(qū)的速度快，則舊數(shù)據(jù)就會被覆蓋。

02

軟件開發(fā)環(huán)境說明

IAR 9.50.2

RZSC v2.0.0

Slave Stack Code (SSC) Tool Version 5.13

Beckhoff Automation TwinCAT3

03

安裝Patch軟件

下載 mingw-get-setup.exe 并根據(jù)提示安裝“Mingw-installation-manager”，若安裝完成，出現(xiàn)“Mingw-installation-manager”窗口，在左側(cè)窗口中選擇“Basic Setup”，在右側(cè)窗口中右鍵點(diǎn)擊“msys-base-bin”，選擇“Mark for Installation”。

在左側(cè)窗口中選擇“All Packages”，在右側(cè)窗口中右鍵單擊“msys-patch-bin”，并選擇“標(biāo)記為安裝”。

在上面的菜單欄中的安裝中選擇“Apply Changes”

顯示“Schedule of Pending Actions”窗口，單擊“應(yīng)用”按鈕。

如果顯示“All changes were applied successfully; you may now clone this dialogue”，則表示安裝 patch.exe 成功。

將安裝的 patch.exe 的路徑注冊到系統(tǒng)環(huán)境變量中。注冊后，重新啟動電腦。

啟動命令提示符，輸入“where patch”。如果顯示了安裝的patch.exe的路徑，則沒有問題。

04

EtherCAT EOE 從站代碼生成

從 renesas 官網(wǎng)下載 EtherCAT 示例包（https://www.renesas.cn/cn/zh/document/scd/rzt2m-group-ethercat-sample-program-package?r=1574901），解壓后打開 common\ecat_EoE_lwIP\SSCconfig 目錄下的 RZT2 EtherCAT EoE.esp 文件，點(diǎn)擊上方導(dǎo)航欄的 Project-> Create_new_Slaver_Files，依次配置 Source Folder(生成文件位置需向下延伸一級目錄 Src) 和 ESI File。

回到目錄 common\ecat_EoE_lwIP\Patch ，執(zhí)行腳本 apply_patch_ewarm_xSPI0.bat 將生成的從站代碼移動到工程目錄下。

05

EOE Ethernet配置

首先使用FSP打開工程下的 configuration.xml 文件，添加EtherCAT SSC Port Stack，并進(jìn)行配置：

使能網(wǎng)卡類型、配置網(wǎng)卡設(shè)備參數(shù)，這里我們添加兩個(gè)phy（phy0和phy1）：

ETHER_ETH配置

ETHER_ESC配置

ETHER_GMAC配置

為ethercat_ssc_port添加cmt定時(shí)器并配置中斷優(yōu)先級

添加Ethernet

ethernet中斷觸發(fā)回調(diào)設(shè)置為：vEtherISRCallback

到這里，F(xiàn)SP的配置就告一段落了。

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EOE工程簡述

移植后的RT-Thread EtherCAT EOE工程目錄層次如下所示：

其中EOE功能的主要部分位于 board/port/ethercat 目錄下，對于各個(gè)文件夾的解釋如下：

application：初始化并配置以太網(wǎng)接口及LWIP TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)lwip的TCP服務(wù)器；

beckhoff：EtherCAT協(xié)議棧從站代碼，由SSC生成；

module：設(shè)計(jì)了一套實(shí)例管理器模式，根據(jù)ethernet netif及l(fā)wip port返回的事件進(jìn)行階段性處理。

ether_netif：分別創(chuàng)建三個(gè)ethernet線程，負(fù)責(zé)以太網(wǎng)的讀（eth_reader）、寫（eth_writer）及以太網(wǎng)事件監(jiān)測回調(diào)處理（eth_monitor）；

lwip_port：創(chuàng)建兩個(gè)lwip port線程，一個(gè)負(fù)責(zé)接收以太網(wǎng)Link回調(diào)并將其廣播給netif，另外一個(gè)負(fù)責(zé)接收以太網(wǎng)回調(diào)并將參數(shù)映射到實(shí)例管理器管理的所有接口中；為lwip注冊網(wǎng)絡(luò)接口的同時(shí)，處理Link事件及回調(diào)

renesas：主要包括EtherCAT數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)和處理，并根據(jù)AL狀態(tài)碼處理不同的運(yùn)行狀態(tài)，此外還包括對輸入輸出數(shù)據(jù)的映射生成和處理等等。

此外在main線程中，會靜態(tài)初始化兩個(gè)線程：

main_thread：EtherCAT SSC端口及PHY初始化，EtherCAT從站初始化，運(yùn)行EtherCAT從站主循環(huán)，處理主站的通信請求、更新AL狀態(tài)機(jī)等等。

ecat_thread：初始化并啟動LWIP內(nèi)核

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以太網(wǎng)PHY初始化配置

這部分的初始化配置在ecat_thread中，進(jìn)入RM_ETHERCAT_SSC_PORT_Open(), 這個(gè)EtherCAT 接口配置函數(shù)之后，可以看到EtherCAT Slave Controller 的一些初始化配置，其中就包括了PHY 的初始化：

這里初始化的一個(gè)PHY 實(shí)例是：p_ether_phy_instance，它是一個(gè) ether_phy_instance_t 類型的變量,這個(gè)PHY 的實(shí)例是在調(diào)用RM_ETHERCAT_SSC_PORT_Open函數(shù)的時(shí)候形參傳遞進(jìn)來的，也就是 gp_ethercat_ssc_port。這種設(shè)計(jì)方式在下面的ether_netif及l(fā)wip port中的定義也有體現(xiàn)。

typedef struct st_ether_phy_instance
{
ether_phy_ctrl_t * p_ctrl; /// 指向PHY實(shí)例的控制結(jié)構(gòu)體
ether_phy_cfg_t const * p_cfg; /// 指向?qū)嵗渲玫慕Y(jié)構(gòu)體指針
ether_phy_api_t const * p_api; /// 配置過程中用到的API操作方式所組成的結(jié)構(gòu)體指針
} ether_phy_instance_t;

也就是說其實(shí)此處其實(shí)打開的是 g_ethercat_ssc_port0：

可以看到 g_ethercat_ssc_port0_ctrl 指向的是 g_ethercat_ssc_port0 的控制結(jié)構(gòu)體指針:

const ethercat_ssc_port_instance_t g_ethercat_ssc_port0 =
{
.p_ctrl = &g_ethercat_ssc_port0_ctrl, // 指向g_ethercat_ssc_port0的控制結(jié)構(gòu)體指針
.p_cfg = &g_ethercat_ssc_port0_cfg, // 指向g_ethercat_ssc_port0的配置結(jié)構(gòu)體指針
.p_api = &g_ethercat_ssc_port_on_ethercat_ssc_port // 指向g_ethercat_ssc_port0配置方法的結(jié)構(gòu)指針
};

PHY 的驅(qū)動是ethercat_ssc_port0 外設(shè)驅(qū)動的子模塊，同樣我們來看下PHY的初始化：

通過調(diào)用 ether_phy_targets_initialize 根據(jù)配置的PHY型號執(zhí)行對應(yīng)的初始化配置：

08

LWIP協(xié)議棧初始化

1

tcpip_init()

lwip協(xié)議棧的初始化是通過um_lwip_port_core_open()函數(shù)去實(shí)現(xiàn)的，在該函數(shù)中會調(diào)用tcpip_init()函數(shù)進(jìn)行l(wèi)wip協(xié)議棧的初始化，主要會創(chuàng)建一個(gè)tcpip_mbox郵箱，用于接收底層或者上層傳遞過來的消息，此外還會創(chuàng)建一個(gè)tcpip_thread線程，所有需要處理的數(shù)據(jù)都會通過這個(gè)函數(shù)去處理。

在tcpip_mbox郵箱中會接收來自tcpip_input的數(shù)據(jù)包，并由該郵箱將其傳遞給tcpip_thread線程進(jìn)行處理。

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netifapi_netif_add()

netifapi_netif_add()由 lwip port open中的um_lwip_port_netif_open()函數(shù)調(diào)用，該函數(shù)主要功能為：將網(wǎng)絡(luò)接口添加到 lwIP 網(wǎng)絡(luò)堆棧的調(diào)用。

這里我們需要關(guān)注兩個(gè)回調(diào)函數(shù)：

_netif_add_callback

tcpip_input

tcpip_input內(nèi)部具體調(diào)用的就是tcpip_inpkt()，調(diào)用該函數(shù)會將ethernet_input()函數(shù)作為結(jié)構(gòu)體的一部分傳遞給內(nèi)核，當(dāng)內(nèi)核接收到數(shù)據(jù)包時(shí)就會調(diào)用這個(gè)函數(shù)。

而在_netif_add_callback()函數(shù)中，我們關(guān)注三個(gè)接口函數(shù)：

etharp_output

_link_output

_status_changed

第一個(gè) p_netif->output = etharp_output 是以太網(wǎng)接口的輸出回調(diào)函數(shù)，用于處理IP數(shù)據(jù)包，主要負(fù)責(zé)將IP數(shù)據(jù)包通過以太網(wǎng)發(fā)送出去，并處理ARP協(xié)議以解析IP到MAC地址的映射關(guān)系。

第二個(gè) p_netif->linkoutput 是鏈路層的輸出回調(diào)函數(shù)，該函數(shù)被用來實(shí)際發(fā)送以太網(wǎng)幀到網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序，etharp_output 等高層協(xié)議函數(shù)會處理好數(shù)據(jù)包內(nèi)容，最終調(diào)用 linkoutput 將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到硬件。

第三個(gè)是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)調(diào)用的回調(diào)函數(shù)。比如，網(wǎng)絡(luò)接口的鏈路狀態(tài)（link up/down）發(fā)生變化時(shí)，lwIP就會調(diào)用這個(gè)回調(diào)函數(shù)，如果說netif已經(jīng)up并且IP地址被設(shè)置時(shí)，他就會發(fā)送一個(gè)Event：LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_IP_UP

09

網(wǎng)卡數(shù)據(jù)傳入LWIP內(nèi)核流程

當(dāng)eth接收完數(shù)據(jù)后會產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷中會釋放一個(gè)信號量

此時(shí)在ether_reader線程中收到此信號量，會從以太網(wǎng)驅(qū)動緩沖區(qū)中讀取接收到的以太網(wǎng)幀，并通過um_ether_netif_callback_request執(zhí)行回調(diào)p_func

此時(shí)event為ETHER_NETIF_CALLBACK_EVENT_RECEIVE_ETHER_FRAME，執(zhí)行 um_lwip_port_thread_receiver_request();

此時(shí)lwip_recv線程收到該Frame，執(zhí)行_netif_frame_input（p_callback），在此函數(shù)中通過um_lwip_port_netif_input()將以太網(wǎng)幀傳入到lwip netif中；

緊接著調(diào)用tcpip_input回調(diào)，將封裝的消息傳遞給tcpip_mbox郵箱中，同時(shí)由tcpip_thread對該消息進(jìn)行解析。

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EOE從站接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀流程（使用ping指令）

1

初始化前提

首先系統(tǒng)需要以此完成兩部分初始化：

ethernet網(wǎng)絡(luò)接口初始化

ether_monitor Thread: 檢查netif link狀態(tài)，同時(shí)將收到的狀態(tài)發(fā)送給回調(diào)更新event

ether_reader Thread: 接收來自ethernet的通知并接收數(shù)據(jù)幀，由ethernet中斷觸發(fā)

ether_writer Thread: 接收來自消息隊(duì)列的數(shù)據(jù)幀

tcp/ip網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧初始化

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: 接收來自ethernet link回調(diào)的通知，以此判斷請求的event

lwip_recv Thread: 接收來自ether link回調(diào)的通知，并廣播給netif

在此期間以此通過幾個(gè)Event來完成網(wǎng)絡(luò)的初始化

ETHER_NETIF_CALLBACK_EVENT_LINK_DOWN：此時(shí)的所有網(wǎng)絡(luò)端口處于初始狀態(tài)，還未初始化

ETHER_NETIF_CALLBACK_EVENT_LINK_UP：存在端口link up，執(zhí)行um_lwip_port_task_launcher_request，將event狀態(tài)設(shè)置為LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_LINK_UP

LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_LINK_UP：netif鏈路link up，執(zhí)行 netif_link_on ,并設(shè)置 network interface up（um_lwip_port_netif_set_up），最終執(zhí)行到status_changed，并執(zhí)行 um_lwip_port_task_launcher_request 修改 event 為 LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_IP_UP

LWIP_PORT_LAUNCHER_EVENT_IP_UP：IP is up，執(zhí)行um_lwip_port_netif_set_netif_state設(shè)置netif狀態(tài)并設(shè)置通知回調(diào)，將event修改為LWIP_PORT_CALLBACK_EVENT_NETIF_UP

LWIP_PORT_CALLBACK_EVENT_NETIF_UP：network interface link up，檢查IP地址是否有效，并創(chuàng)建sock監(jiān)聽

只有當(dāng)這么幾個(gè)Event依次觸發(fā)，才能完成對EtherCAT從站網(wǎng)絡(luò)的初始化，主從站之間才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)：

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ICMP簡要介紹

ICMP一般被認(rèn)為是IP協(xié)議層的一部分，但在結(jié)構(gòu)上位于IP協(xié)議層之上。主要用于確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)或者鏈路不同等場景，當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文無法正常到達(dá)目標(biāo)主機(jī)時(shí)，ICMP就會返回一個(gè)差錯(cuò)報(bào)文，讓源主機(jī)知道數(shù)據(jù)到達(dá)情況，常見的ping命令就是屬于ICMP 查詢報(bào)文功能的一部分，當(dāng)ping成功，也就代表網(wǎng)卡、IP層、ICMP層都能正常通信，也可以證明LWIP移植成功。

下面是使用Wireshark抓包抓取回顯應(yīng)答報(bào)文的示例：

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ARP簡要介紹

ARP：地址解析協(xié)議，主要是通過解析IP地址得到數(shù)據(jù)鏈路層的MAC地址（網(wǎng)卡標(biāo)識符），在以太網(wǎng)中，一個(gè)主機(jī)想要與另一個(gè)主機(jī)直接通信，必須知道目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，這時(shí)候就需要ARP進(jìn)行地址解析。

ARP緩存表：在每臺主機(jī)的內(nèi)存中都有一個(gè)ARP緩存表，記錄了IP地址到MAC地址的映射關(guān)系，通過arp -a可獲取信息

其主要的運(yùn)作流程是：

1.如果主機(jī)A想要發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)B，那么主機(jī)A會先檢查自己的ARP緩存中是否有主機(jī)B的IP地址及MAC地址的映射，如果有的話才會將主機(jī)B的MAC地址作為源地址封裝到數(shù)據(jù)幀中；如果沒有，那主機(jī)A就會向局域網(wǎng)中廣播ARP請求（包括發(fā)送方的IP地址、MAC地址，接收方的IP地址），每臺其他主機(jī)在收到ARP請求后都會檢查自己的IP地址是否與ARP請求中接收方的IP地址相同，如不相同，就會丟棄ARP請求包。

2.當(dāng)交換機(jī)接收到此數(shù)據(jù)幀后，發(fā)現(xiàn)此數(shù)據(jù)幀為廣播幀，因此會將此數(shù)據(jù)幀從非接收的所有接口中發(fā)送出去。

3.當(dāng)主機(jī)B接收到此數(shù)據(jù)幀后，會核對IP地址是否是自己的，并將主機(jī)A的IP地址和MAC地址的對應(yīng)關(guān)系記錄到自己的ARP緩存表中，同時(shí)發(fā)送一個(gè)ARP響應(yīng)，其中就包括自己的MAC地址。

4.當(dāng)主機(jī)A接收到這個(gè)主機(jī)B回應(yīng)的數(shù)據(jù)幀后，就會在自己的ARP緩存表中記錄主機(jī)B的IP地址和MAC映射關(guān)系。

具體流程可見下圖：

下面這個(gè)是EtherCAT EOE工程測試ping命令時(shí)ARP緩存表的變化情況

那這里L(fēng)WIP是怎么處理ARP請求并且獲取到從站的IP及MAC地址的呢，我們接著往下看

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ARP接收數(shù)據(jù)包流程

先來了解兩個(gè)API：

LWIP從網(wǎng)卡中接收數(shù)據(jù)包的函數(shù)是：ethernet_input()

ARP數(shù)據(jù)包的處理函數(shù)是：etharp_input()，其主要內(nèi)容為：

（1）檢查ARP報(bào)文。

（2）ARP請求報(bào)文：如果是請求報(bào)文的目標(biāo)IP和本地的匹配，就組裝ARP響應(yīng)報(bào)文并發(fā)送出去。

（3）ARP響應(yīng)報(bào)文：

1）更新ARP緩存表。

2）把阻塞在arp entry緩存隊(duì)列的IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去。

3）釋放pbuf。因?yàn)锳RP報(bào)文到此已經(jīng)處理完畢。

對于ARP處理數(shù)據(jù)包來說，有這么兩種情況：

（1）收到APR應(yīng)答包：此時(shí)說明之前發(fā)送的APR請求包得到了回應(yīng)，那么就根據(jù)應(yīng)答包去更新自身的ARP緩存表；

（2）收到ARP請求包：首先會判斷包中的目標(biāo)是否與主機(jī)IP匹配，匹配上的話就記錄下源主機(jī)的IP及MAC地址，接著在更新自身的ARP表外，還要向源主機(jī)發(fā)送一個(gè)ARP應(yīng)答包；如果說包中的目標(biāo)IP與主機(jī)IP并不匹配，那么根據(jù)ARP表的空余情況選擇記錄源主機(jī)的IP及MAC地址（如果沒有空余的表項(xiàng)，則不會記錄），并丟棄該請求包。

這里對應(yīng)我們EtherCAT EOE工程來說，ethernet調(diào)用流程為：

ethernet_input(收到ARP數(shù)據(jù)包) ->etharp_input()-> etharp_raw(發(fā)送應(yīng)答包) ->ethernet_output()-> _link_output -> um_lwip_port_ether_netif_send -> UM_ETHER_NETIF_Send()

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ARP發(fā)送數(shù)據(jù)包流程

前面我們了解了一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收流程，如果收到的是ARP數(shù)據(jù)包，那么就會交給ARP處理，如果是IP數(shù)據(jù)包就會調(diào)用ip4_input()函數(shù)將其傳遞給上層.

arp通過 etharp_output() 函數(shù)接收到IP數(shù)據(jù)包后，判斷該數(shù)據(jù)包是單播，多播還是廣播，對于其處理方式：

對于多播或者廣播數(shù)據(jù)包，直接交給網(wǎng)卡處理（調(diào)用ethernet_output）

對于單播，arp需要根據(jù)IP找到對應(yīng)的MAC地址，如果找不到MAC地址，還要延遲發(fā)送數(shù)據(jù)包。ARP首先會創(chuàng)建一個(gè)ARP表項(xiàng)，再將數(shù)據(jù)包掛載到ARP表項(xiàng)上對應(yīng)的緩存隊(duì)列上，同時(shí)會發(fā)出一個(gè)ARP請求包，等待目標(biāo)主機(jī)的回應(yīng)后再發(fā)送IP數(shù)據(jù)包

那么對應(yīng)netif->linkoutput()其實(shí)就是在初始化lwip網(wǎng)卡接口設(shè)備時(shí)綁定的 _link_output()

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EtherCAT EOE測試

編譯并啟動下載調(diào)試，終端出現(xiàn)RT-Thread LOGO即為啟動成功

將瑞薩EtherCAT EOE例程下的ESI文件（RZT2M_EtherCAT_RSK_rev0200\common\ecat_EoE_lwIP\ESI\Renesas EtherCAT RZT2 EoE.xml）復(fù)制到TwinCAT安裝目錄下（C:\TwinCAT\3.1\Config\Io\EtherCAT）

啟動TwinCAT，并燒入EEPROM的EOE固件

使用ping命令測試EOE協(xié)議是否運(yùn)行成功

使用TCPIP測試工具測試TCP通信回顯功能

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其他說明：三網(wǎng)口使用配置說明

打開RZSC，配置ethercat_ssc_port的phy2

設(shè)置第三個(gè)網(wǎng)口的PHY

設(shè)置ETHER_ETH2

設(shè)置ETHER_ESC的phy2配置，修改ESC_LINKACT2為P21_0，ESC_PHYLINK2為P00_5

生成RZSC源碼，回到IAR工程重新編譯下載

EEPROM固件更新

此時(shí)T2M的三個(gè)網(wǎng)口都可以進(jìn)行EtherCAT EOE通信，具體測試方法參考如上