EtherCAT协议概述

一 EtherCAT简介

EtherCAT（EtherNet Control Automation Technology）是由德国公司BECKHOFF公司于2003年提出的实时工业以太网技术。其具有高速、高数据有效率的特点，支持多种设备的连接拓扑结构。从站节点使用专用的控制芯片，例如：microchip公司的Lan9252、BECKHOFF公司的ET1100等ESC（EtherCAT slave controller）芯片。主站的搭建方式有很多，例如：开源主站IGH、SOEM、商业化主站TwinCAT等。

传统的以太网在通信的过程当中每个节点是以接受、处理、转发依次进行，而EtherCAT则是同时传输和处理EtherCAT数据。每个从站的节点都有FMMU（现场总线内存管理单元），FMMU的功能是对经过从站节点的数据包进行地址分析，将逻辑地址转化为物理地址，如果数据包中有当前从站所用的数据则读出，并同时转发报文至下一个从站节点，同样的，在报文经过时也可以插入数据。

 

每个EtherCAT从站在接收到的报文中提取或者插入用户数据，然后将处理好的报文发送到下一个EtherCAT从站，报文在依次被所有从站处理之后由最后一个EtherCAT从站回传，并由第一个从站作为响应报文返回给EtherCAT主站控制单元。整个过程基于以太网的全双工模式，通过TX线发送出去的报文会从RX线返回，因此在EtherCAT通信系统中，任何物理拓扑结构在逻辑上永远是环形。

二 EtherCAT的数据帧格式

EtherCAT在基于传统以太网数据帧格式做出了修改，将其中的EtherType(帧类型)修改为了0X88A4，EtherType是以太帧中的一个字段，用来指明应用于帧数据字段的协议。例如：0X0806 地址解析协议ARP、0X08DD IPV6等。

传统的以太网帧结构由以太网帧头、以太网数据、FCS帧校验组成，最大1514字节。在这里EtherCAT并未修改数据帧结构，而是对数据区域做了细分，将EtherNet data分为了EtherCAT头和EtherCAT数据。其中EtherCAT头包括了EtherCAT数据长度、保留位、类型，将EtherCAT数据区分为了多个子报文，每个报文含有子报文头、数据、WKC（工作计数器）。具体细分如下图。

目的地址：接收方的MAC地址     源地址：发送方的MAC地址     帧类型：0X88A4 EtherCAT帧     FCS(Frame check sequence):帧校验序列

EtherCAT头（数据长度）：EtherCAT数据区的长度     EtherCAT头（类型）：1表示与从站通信，其余保留 

EtherCAT子报文结构定义：

其中子报文头的作用是确定此子报文由哪一个从站使用、什么操作命令、处理多长的数据等。WKC主要是记录报文被对应从站操作的类型和次数，主站在发送EtherCAT报文前会根据要进行的操作预设一个WKC值，将数据帧发给从站，如果从站操作成功（RD+1、WR+2、RD/WR+3），从站以硬件方式使WKC增加，最终返回报文携带该数值与主站预设值进行对比，来检查EtherCAT数据报是否有效的处理。

三 EtherCAT的寻址方式

（1）网段寻址

• 直连模式：主站设备通过与EtherCAT网段的直接端口连接来对MAC地址进行广播。
• 开放模式：主站设备通过以太网交换机与EtherCAT网段进行连接，网段可以使用EtherCAT数据帧当中的目的地址来做MAC地址。

（2）设备寻址

EtherCAT数据帧中的子报文头有32位地址区，其中前16位是从站设备的设备地址，后16位是设备内部物理存储空间地址。16位从站设备地址可以寻址65535个从站设备，每个设备最多可以有64K字节的本地地址空间。

• 顺序寻址（自动增量寻址）：从站的地址由物理连接顺序决定，从站地址自动加一，一般用于主站启动阶段，主站为从站分配地址，无需从站设置。
• 设置寻址：该地址与从站物理连接顺序无关，通常有两种配置方式：1 >数据链路层启动阶段由主站配置给从站  2>在上电初始化的时，从站从自身的EEPROM的配置文件中读取出来。主站利用顺序寻址的方式来读取从站设置的地址，掉电后固定地址会丢失。

（3）逻辑寻址

在逻辑寻址模式下，报文内的32位地址空间用来寻址，整个网段有4GB地址空间可以被寻址。逻辑寻址方式由FMMU（现场总线内存管理单元）来实现，ESC芯片中的FMMU单元将从站本地的物理地址映射到网段内的逻辑地址。当从站收到来自主站的报文时，会检查报文中的地址是否与FMMU中的地址相符，如果有，将根据操作类型进行读写操作。

 

参考：

https://www.youtube.com/watch?v=-crTapwT_HI

https://www.bilibili.com/video/BV1Fb4y1x71w/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=835c74286eb721ae3d8723f55c9feec8