1 引言

工業以太網由于低成本、易于組網和具有相當高的數據傳輸速率、資源共享能力強以及易于Internet連接等特點［1］，使其在工業中應用越來越多。Ethercat技術是德國BECKHOFF公司提出的實時工業以太網技術，它基于標準的以太網技術，具備靈活的網絡拓撲結構。系統配置簡單，具有高速、有效數據率高等特點，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的通信系統中，主站控制從站發送或接收數據。主站發送數據幀，從站在數據幀經過從站時讀取相應報文中的輸出數據。同時，從站的輸入數據插入到同一數據幀的相關報文中。當該數據幀經過所有從站并與從站進行數據交換后，由Ethecat系統中末端從站將數據幀返回［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。

2.2 Ethercat協議

Ethercat以標準以太網技術為基礎，在MAC（媒體訪問層）增加了一個確定性調度的軟件層，該軟件層實現了通信周期內的數據幀的傳輸。Ethercat采用標準的IEEE802-3以太網幀，幀結構如圖2。Ethercat在標準以太網幀結構中使用了一個特殊的以太網幀類型0x88A4，采用這種方式可以使控制數據直接寫入以太網幀內，并且可以與遵守其它協議的以太網幀在同一網絡中并行。

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的特定內存區域，由FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）寄存器和SM （SyncManager）寄存器定義，該區域最大可達4GB字節。Ethercat報文由一個16位的WKC（Working Count）結束，其數據區最大長度可達1486個字節。在報文頭中由8位命令區數據決定主站對從站的尋址方式，由于數據鏈獨立于物理順序，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整個協議處理過程都在硬件中進行。EtherCAT在網絡性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環時間。通過一個以太網幀，可以交換高達1486字節的過程數據，幾乎相當于12000個數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用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據，并報告它們的實際位置和狀態。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的從站節點控制器的硬件設計

Ethercat從站節點的協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 接口規范

本文設計的Ethercat從站節點硬件包括從站協議控制器、從站CPU和網絡接口等部分組成。Ethercat從站中最關鍵部分是Ethercat協議控制器，它實現Ethercat的物理層與數據鏈路層的協議。現在市場上有多種Ethercat協議控制器可供使用，如FPGA實現和ASIC實現。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］。從站的硬件實現如圖3所示。

其中ARM控制器實現Ethercat對現場任務的收集與調度；Ethercat從站控制器實現Ethercat協議；EEPROM用于保存從站配置數據和從站描述數據；網絡接口用于主從站之間或從站與從站之間的連接，根據Ethercat從站控制器的不同網絡接口可以分別為2-4個，網絡接口采用標準以太網物理層器件就可以。

圖3 從站節點結構框圖

4 數據交換

主從站之間交換的數據主要分兩種形式：一種是周期性數據；另一種是非周期性數據。周期性數據傳輸可以根據任務的緊迫性劃分其優先級，通過采用EDF算法調度任務，把劃分好優先級的任務放入緩沖區供系統調用。緩沖區為在內存中分配的一段空間，兩端都可以訪問緩沖區中的數據；

非周期性數據采用郵箱方式傳輸，此時一端寫入數據到內存，且只有此段內存寫滿后另一端才能開始從內存中讀取數據，并且只能當內存中的數據全部讀出時，才能重新寫入數據。針對這兩種數據通信方式，從站程序可以對非周期性數據通信采用查詢方式，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 最小截止優先（EDF，Earliest Deadline First）算法

系統對周期性任務采用最小優先級優先算法進行調度，調度算法在ARM微控制器中實現。處理器對緊迫性事件的處理能力決定了系統處理突發事件的能力，把系統各種需要調度的任務按照緊迫程度用優先級來劃分，通過采用最小截止期優先算法來動態優先處理突發事件，很好地提高了Ethercat網絡實時性能。

EDF（Earliest Deadline First）是一種動態可搶占優先級實時調度，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先級（稱這一距離為時限距離），距離越近，優先級越高，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是最優動態可搶占優先級調度，對于任何實時任務集，只要存在可行的動態調度算法，則必可由EDF調度。需要注意的是，EDF只在出現任務實例就緒時調整任務的優先級。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優先級調度算法，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中突發任務（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