1 引言

工業(yè)以太網(wǎng)由于低成本、易于組網(wǎng)和具有相當高的數(shù)據(jù)傳輸速率、資源共享能力強以及易于Internet連接等特點［1］，使其在工業(yè)中應用越來越多。Ethercat技術是德國BECKHOFF公司提出的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術，它基于標準的以太網(wǎng)技術，具備靈活的網(wǎng)絡拓撲結構。系統(tǒng)配置簡單，具有高速、有效數(shù)據(jù)率高等特點，全雙工特性完全得以利用［2］。

2 Ethercat技術介紹

2.1 Ethercat的系統(tǒng)組成及運行原理

Ethercat采用了主從介質訪問方式，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)過從站時讀取相應報文中的輸出數(shù)據(jù)。同時，從站的輸入數(shù)據(jù)插入到同一數(shù)據(jù)幀的相關報文中。當該數(shù)據(jù)幀經(jīng)過所有從站并與從站進行數(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由一個主站和3個從站組成的線性拓撲結構的簡單Ethercat系統(tǒng)。

2.2 Ethercat協(xié)議

Ethercat以標準以太網(wǎng)技術為基礎，在MAC（媒體訪問層）增加了一個確定性調度的軟件層，該軟件層實現(xiàn)了通信周期內(nèi)的數(shù)據(jù)幀的傳輸。Ethercat采用標準的IEEE802-3以太網(wǎng)幀，幀結構如圖2。Ethercat在標準以太網(wǎng)幀結構中使用了一個特殊的以太網(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)絡中并行。

一個Ethercat幀中可以包含若干個Ethercat子報文，每個報文都服務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4GB字節(jié)。Ethercat報文由一個16位的WKC（Working Count）結束，其數(shù)據(jù)區(qū)最大長度可達1486個字節(jié)。在報文頭中由8位命令區(qū)數(shù)據(jù)決定主站對從站的尋址方式，由于數(shù)據(jù)鏈獨立于物理順序，因此可以對Ethercat從站進行任意的編址［4］。

圖2 Ethercat幀結構

2.3 Ethercat性能

Ethercat整個協(xié)議處理過程都在硬件中進行。EtherCAT在網(wǎng)絡性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時間。通過一個以太網(wǎng)幀，可以交換高達1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當于12000個數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。100個伺服軸的通訊只需100μs［5］。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數(shù)據(jù)，并報告它們的實際位置和狀態(tài)。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1μs ［6］。

3 基于ARM的從站節(jié)點控制器的硬件設計

Ethercat從站節(jié)點的協(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置控制器的EEPROM來選擇。

表1 接口規(guī)范

本文設計的Ethercat從站節(jié)點硬件包括從站協(xié)議控制器、從站CPU和網(wǎng)絡接口等部分組成。Ethercat從站中最關鍵部分是Ethercat協(xié)議控制器，它實現(xiàn)Ethercat的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議?，F(xiàn)在市場上有多種Ethercat協(xié)議控制器可供使用，如FPGA實現(xiàn)和ASIC實現(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］。從站的硬件實現(xiàn)如圖3所示。

其中ARM控制器實現(xiàn)Ethercat對現(xiàn)場任務的收集與調度；Ethercat從站控制器實現(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)絡接口可以分別為2-4個，網(wǎng)絡接口采用標準以太網(wǎng)物理層器件就可以。

圖3 從站節(jié)點結構框圖

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)任務的緊迫性劃分其優(yōu)先級，通過采用EDF算法調度任務，把劃分好優(yōu)先級的任務放入緩沖區(qū)供系統(tǒng)調用。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)，并且只能當內(nèi)存中的數(shù)據(jù)全部讀出時，才能重新寫入數(shù)據(jù)。針對這兩種數(shù)據(jù)通信方式，從站程序可以對非周期性數(shù)據(jù)通信采用查詢方式，對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

5 最小截止優(yōu)先（EDF，Earliest Deadline First）算法

系統(tǒng)對周期性任務采用最小優(yōu)先級優(yōu)先算法進行調度，調度算法在ARM微控制器中實現(xiàn)。處理器對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)各種需要調度的任務按照緊迫程度用優(yōu)先級來劃分，通過采用最小截止期優(yōu)先算法來動態(tài)優(yōu)先處理突發(fā)事件，很好地提高了Ethercat網(wǎng)絡實時性能。

EDF（Earliest Deadline First）是一種動態(tài)可搶占優(yōu)先級實時調度，所有實時任務必須滿足以下限制條件：

（1）所有實時任務均為周期任務，且周期大于或等于截止期。

（2）所有實時任務必須在其截止期到來前結束。

（3）所有實時任務相互獨立。

（4）所有實時任務具有恒定的運動時間。

任務按周期由大到小排列為

EDF以任務的截止期與當前時刻的距離確定任務優(yōu)先級（稱這一距離為時限距離），距離越近，優(yōu)先級越高，因此，EDF總是選擇當前最迫切需要完成的任務獲得處理器。Liu和Layland證明如下：

對于由n個周期任務組成實時任務集，當且僅當：

其中Ci為計算機時間，該任務集能夠由EDF調度。

EDF是最優(yōu)動態(tài)可搶占優(yōu)先級調度，對于任何實時任務集，只要存在可行的動態(tài)調度算法，則必可由EDF調度。需要注意的是，EDF只在出現(xiàn)任務實例就緒時調整任務的優(yōu)先級。因為在其它時刻，任務實例按時限距離的長短的排序關系不變，因此任務間優(yōu)先級的排序不變［9］。

6 結束語

EDF算法是對周期性任務的動態(tài)優(yōu)先級調度算法，存在以下缺點：①調度算法是針對周期性任務而言的，沒有考慮對實時系統(tǒng)中突發(fā)任務（非周期性任務）的調度，且周期任務要求彼此獨立。②調度算對周期和時限寬度相同的同步周期任務，即使在處理器利用率很低的情況下，也可能產(chǎn)生不了合理的調度。因此在這種情況下，必須進行調度算法的可行性分析［10］。

編輯：jq