EtherCAT協議以IEEE8002.3以太網規范為基礎，并繼承了以太網全雙工通信的特點，與普通以太網系統不同，EtherCAT系統采用主/從通信結構，主站和從站之間使用通用的物理層器件進行連接，系統中可以存在多個從站設備，主站和從站之間采用介質訪問控制(MAC)，從根本上消除了數據沖突。

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EtherCAT工作機制

在EtherCAT系統中，主站是所有EtherCAT通信服務的發起者。主站發送以太網數據幀遍歷各從站，一個以太網數據包含了若干設備的過程數據，與傳統的以太網節點接收-解碼-復制-轉發以太網數據幀的處理方式不同，EtherCAT從站使用“On the Fly”技術在報文傳輸不停止的情況下分析尋址到本站的EtherCAT子報文，并根據子報文中的命令讀取或插入數據。“On the Fly”技術由硬件來實現，這極大的降低了傳輸時，提高了網絡的實時性。從站遍歷結束后，數據幀返回到網段內第一個從站，并由第一個從站返回給主站，主站根據返回的數據幀進行校驗，從而完成一次通信。EtherCAT控制系統可以不通過軟件，僅使用硬件就完成 EtherCAT數據幀的讀寫，傳輸實時性高。采用分布式時鐘不同，減小同步誤差的同時，還保證了傳輸的可靠性。支持網絡環路適當的存在幾余，加大傳輸數據的量，從而增加了傳輸效率。

▲EtherCAT運行原理EtherCAT各種出色的性能：極小的循環時間、高速、高同步性、易用性和低成本使其在機器人控制、機床應用、CNC功能、包裝機械、測量應用、超高速金屬切割、汽車工業自動化、機器內部通信、焊接機器、嵌入式系統、變頻器、編碼器等領域獲得極大的應用。因拓撲的靈活，無需交換機或集線器、網絡結構沒有限制、自動連接檢測等特點使其在大橋減震系統、印刷機械、液壓/電動沖壓機、木材加工設備等領域具有很大的應用價值。

02

ESC技術特點

EtherCAT主站可以在任何具有標準以太網卡的控制設備上實現，從站則需要借助專門的EtherCAT從站控制器芯片（ESC），是系統中最關鍵的組成部分。ESC芯片主要負責主從站之間的協議處理,實現EtherCAT物理層與數據鏈路層的所有功能，除此之外，還要為與從站微處理器部分連接提供PDI接口。ESC作為實現 EtherCAT數據鏈路層的專用集成電路，為EtherCAT協議提供了很多獨特的技術支持。

1幀處理順序

ESC最多提供四個MI1端口，端口0被定義為入口，每個端口有打開或者關閉兩種狀態，ESC實現了自動關閉沒有外部連接的端口的功能。ESC使用自動回環來處理以太網數據幀:數據幀在ESC內部按照端口0->端口3->端口1->端口 2->端口0的順序傳遞，轉發過程中未啟用的端口將被直接跳過。ESC自動回環的幀處理方式極大的提高了EtherCAT構造多種拓撲結構的能力。

▲EtherCAT幀處理過程

2現場總線存儲管理單元

現場總線存儲管理單元(FMMU)用于建立邏輯地址轉化為從站的物理地址之間的映射，它使用內部地址映射的方式來實現，它為EtherCAT協議中的邏輯尋址提供了技術支持。ESC中含有多個FMMU通道，每個都有16個配置寄存器用于配置包括邏輯地址起始地址、數據長度、訪問權限等在內的配置信息，以建立映射關系，FMMU可以實現位映射。通過對FMMU配置寄存器進行設置，可以將同一段邏輯地址空間映射到不同從站的不同物理地址空間中，從而實現一個EtherCAT子報文的多從站尋址功能。FMMU通道由主站在初始化配置階段配置，一旦映射關系建立就不能再進行映射。

▲FMMU映射原理

3存儲同步管理

數據的一致性和安全性是EtherCAT系統中主站和從站在進行數據通信時一個非常重要的特性。在ESC中，數據的同步管理由存儲同步管理通道SM機制來實現。

SM通道用于管理從站ESC本地緩存，它通過控制ESC本地緩存的讀寫來實現主站和從站之間數據交換的一致性和安全性。在EtherCAT中緩存區的數量、數據交換的方向以及通信方式等都可以由主主站通過SM配置寄存器配置。EtherCAT定義了兩種SM運行模式:緩存類型和郵箱類型。周期性過程數據通信用于傳送實時性的過程數據。主站使用邏輯尋址方式讀、寫過程數據。系統初始化過勝過程數據通信男于傳送客時提夠過程數揭·信號周期FMMU(FMMU管理邏輯地址到物理地址的映射)相關的參數。周期性過程數據通信開始后，主站按照一個固定的周期發送 EtherCAT數據幀。該數據幀使用了邏輯尋址的方式與從站進行交互。該通訊模式下，ESC的存儲區被配置成緩存模式。相關的配置由ESC中的同步管理器（SyncManager)來完成。

▲同步管理器緩沖模式工作原理

EtherCAT協議中的非周期數據通信采用郵箱模式(Mailbox Mode)，故又稱為郵箱數據通信。它可以進行雙向通信--主站到從站和從站到主站。支持全雙工、兩個方向獨立通信和多用戶協議，比如EOE、FOE、SoE等。非周期數據通信只使用一個緩存區，由兩個同步管理器SM來管理數據通信:使用SMO管理主站到從站的寫郵箱命令；使用SM1管理從站到主站的讀郵箱命令。由于非周期數據通信，只采用一個緩存區模式，主站和微處理器之間只有其中一個完成之后，才能訪問緩存區。故只有數據被完全讀走后才能進寫操作。同理數據只有當完全寫完后才能執行讀操作。

▲同步管理器郵箱模式工作原理

4分布式時鐘

分布式時鐘(DC，Distributed Clock)可以使所有EtherCAT設備共享一個系統時間，從而控制各個設備(包括主站和從站)的任務同步執行。精確同步對于同步動作的分布過程尤為重要，如在大型印刷設備中，要求多個伺服軸同時執行和協調運動。如果各個從站同步性出現較大的差異，便會產生嚴重的后果。與主站連接的第一個具有分布時鐘功能的從站作為參考時鐘，以參考時鐘來同步其他設備和主站的從時鐘。采用EtherCAT數據交換基于純硬件機制，主站可以通過發送的數據幀和返回的數據幀的時間差來測量和計算時間偏移、傳輸延時，并補償本地時鐘的漂移。支持分布式時鐘的從站稱為DC從站。

▲分布式時鐘工作原理

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碼靈半導體ESC芯片技術特點

碼靈半導體推出的CF110x系列ESC芯片完全滿足EtherCAT從站數據幀接收、處理、轉發實時性的要求，為實現EtherCAT從站提供了一種經濟高效且緊湊的解決方案。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖CF110x系列最多可以提供3個數據收發端口，使從站能夠靈活的實現各種拓撲結構，內部含有8個FMMU單元，8個SM通道，4KB控制寄存器，8KB過程數據存儲區，支持64位分布式時鐘功能，其中8KB過程數據存儲區是DPRAM，用于和微控制器交換數據。CF110x系列提供了三種過程數據接口:數字量IO接口、SPI接口和8/16位異步微控制器接口（μC8/16），其中SPI和μC8/16用于連接外部微控制器，組成復雜的從站設備。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖

CF110x系列具體功能特性

? 以太網端口：最多支持3個MII端口，單端口最大數據傳輸速度100Mbit/s，全雙工傳輸；

? FMMUs（現場總線內存管理單元）：8個，提供了一種從站地址的映射，通過地址的邏輯映射方式可以同時完成對多個從站設備的控制，可大幅提升通信效率；

? Sync Managers（同步管理器）：8個，用于數據在傳輸過程中同步，保證了數據使用過程中的一致性和安全性；

? Distributed Clock（分布式時鐘）：1個64 位，用于實現主站和從站間通訊和管理的實時同步，同步精度<< 1μs；

? PDI Interfaces（過程數據接口）：支持32位 Digital I/O、SPI 從站接口、8/16位異步微控制器接口（μC8/16），作為從站控制器和應用之間的數據接口；

? RAM容量：8KB，用于存儲基本寄存器參數和使用方數據；

? GPIO：最多支持16位；

? 拓撲結構：最多可支持65,535個設備，對拓撲結構沒有限制，支持線型、樹型、星型拓撲及任何拓撲的組合；

? 供電：內部 LDO 提供邏輯內核 /PLL電源 (3.3V 到 1.8V)，選擇外部電源供電給內部 LDO 提供邏輯內核/PLL電源；

? 集成：可選擇性集成2個10M/100Mbps以太網PHY，兼容100BASE-TX，或32位ARM Cortex-M3內核微控制器（MCU）；

? 其他特性：低延時（納秒級），輸出時鐘頻率25MHz；

? 封裝形式和尺寸：QFN64L (9x9mm)、QFN88L (10x10mm)、QFN100L (12x12mm)；

? 工作溫度：-40℃~85℃。

EtherCAT從站控制器芯片作為工業控制系統中重要的組成部分，是推動工業控制系統向分散化、網絡化、智能化目標的重要技術點。碼靈半導體CF110x系列提供全系列產品應用參考設計，并提供完善的軟硬件設計文件，方便工程師快速進行上手使用、性能評估以及二次開發，助力客戶項目快速量產落地。

▲CF1103A型號開發評估板

▲CF1103B型號開發評估板

▲CF1106A型號開發評估板

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