【原创】IgH EtherCAT主站详解(一)--EtherCAT协议、帧格式和ESC

目录

一、EtherCAT 协议概述

概览

EtherCAT 是什么?

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) 是一种基于以太网的工业实时通信协议，由德国 Beckhoff Automation 公司于 2003 年开发。它已成为 IEC 61158 / IEC/PAS 62407 国际标准，是目前工业自动化领域中性能最高、应用最广泛的实时以太网协议之一。

核心理念："On the fly" 处理

EtherCAT 的核心创新在于数据帧穿越从站时即时处理——从站 ESC (EtherCAT Slave Controller) 芯片在数据帧经过时直接读取或写入数据，无需接收完整帧后再处理。这使得 EtherCAT 具备极高的带宽利用率和超低通信延迟。

协议栈位置

EtherCAT 在工业自动化协议栈中的位置

图：EtherCAT 与其他工业以太网协议在 OSI 模型中的对比

核心优势

优势 说明
超低延迟 数据帧 "on the fly" 处理，周期可达 ~100μs，抖动 <1μs
高带宽利用率 有效数据利用率超过 90%，远超传统以太网轮询机制
灵活拓扑 支持线型、星型、树型、环型拓扑，无需交换机
从站低成本 ESC 芯片成本低廉，无需微处理器即可实现从站通信
精确同步 分布式时钟 (DC) 实现纳秒级全网时间同步
协议开放 ETG (EtherCAT Technology Group) 维护，开放协议规范

与其他工业以太网协议对比

特性 EtherCAT PROFINET IRT EtherNet/IP POWERLINK
最小周期 ~100 μs ~31.25 μs ~1 ms ~200 μs
时间抖动 < 1 μs < 1 μs ~ms 级 < 1 μs
带宽利用率 > 90% 高 低 中等
从站成本 低 (ESC 芯片) 高 (需 ASIC) 低 (标准以太网) 中等
拓扑灵活性 线/星/树/环 星型为主 任意 线/星
同步精度 纳秒级 (DC) 纳秒级 毫秒级 微秒级
标准 IEC 61158 IEC 61158 IEC 61158 IEC 61158

技术详情

EtherCAT 通信原理

EtherCAT 基于标准以太网 (IEEE 802.3) 物理层，使用专有的 EtherType 0x88A4 标识 EtherCAT 帧。与传统的 TCP/IP 通信不同，EtherCAT 直接在以太网帧中承载过程数据，完全跳过了 TCP/IP 协议栈，从而实现了极高的通信效率。

帧处理流程

flowchart LR M["主站<br/>Master"] -->|"发送帧"| S1["从站 1<br/>ESC"] S1 -->|"转发"| S2["从站 2<br/>ESC"] S2 -->|"转发"| S3["从站 3<br/>ESC"] S3 -->|"帧返回"| M M -.->|"检查 WKC"| M

核心协议组成

协议 全称 用途
CoE CANopen over EtherCAT SDO 参数配置、PDO 映射、Emergency 消息
EoE Ethernet over EtherCAT 通过 EtherCAT 隧道传输标准以太网帧
FoE File Access over EtherCAT 固件上传/下载 (类似 TFTP)
SoE Servo over EtherCAT 伺服驱动器参数访问 (SERCOS 映射)
VoE Vendor-specific over EtherCAT 厂商自定义协议扩展

EtherCAT 从站状态机 (AL State Machine)

每个 EtherCAT 从站具有 4 个应用层状态（外加 1 个可选状态），由低到高：

stateDiagram-v2 [*] --> Init: 上电 Init --> PreOp: 请求状态转换 PreOp --> Init: 错误/请求回退 PreOp --> SafeOp: 配置完成 SafeOp --> PreOp: 错误/请求回退 SafeOp --> Op: 数据交换就绪 Op --> SafeOp: 错误/请求回退 Init --> Bootstrap: 请求固件更新（可选） state Init { [*] --> 邮箱通信不可用 } state PreOp { [*] --> 邮箱通信可用 } state SafeOp { [*] --> 过程数据只读 邮箱通信可用: 邮箱仍可用 } state Op { [*] --> 过程数据读写 邮箱通信可用: 邮箱仍可用 } state Bootstrap { [*] --> 固件更新模式 }
状态 邮箱通信 过程数据 说明
Init 仅初始化 不可用 从站上电初始状态，ESC 寄存器可访问
Pre-Operational 可用 不可用 可通过邮箱 (CoE/SoE) 配置从站参数
Safe-Operational 可用 输入可读 过程数据输入可用，输出保持安全值
Operational 可用 读写可用 正常工作状态，过程数据完整交换
Bootstrap（可选） 可用 不可用 固件更新专用状态，由 Init 直接进入

深入源码

IgH 中的协议实现概览

IgH EtherCAT Master 在内核空间完整实现了 EtherCAT 协议栈。以下列出协议各层对应的源码模块：

协议层 源文件 说明
Datagram 收发 master/datagram.c Datagram 生命周期管理，14 种类型支持
FMMU 配置 master/fmmu_config.c 逻辑地址到物理地址映射配置
Sync Manager master/sync.c, master/sync_config.c 同步管理器/邮箱缓冲区配置
邮箱通信 master/mailbox.c 邮箱发送/接收/握手底层实现
CoE (SDO) master/fsm_coe.c SDO 上传/下载，字典读取，PDO 映射
EoE master/fsm_eoe.c, master/ethernet.c 以太网隧道，虚拟网络接口
FoE master/fsm_foe.c 文件传输/固件升级
SoE master/fsm_soe.c SERCOS 协议映射
AL 状态转换 master/fsm_change.c 从站 AL 状态请求-确认机制
DC 同步 master/fsm_slave_config.c (DC 部分) 分布式时钟配置流程

源码阅读建议

建议按照以下顺序阅读协议相关源码：

  1. datagram.h/c — 理解数据帧基本单元

  2. mailbox.c — 理解邮箱通信基础

  3. fsm_change.c — 理解 AL 状态转换

  4. fsm_coe.c — 理解 CoE/SDO 流程

  5. 其他 FSM 按需深入

二、EtherCAT 数据帧结构

完整以太网帧 + EtherCAT Header + Datagram 结构详解

概览

帧结构全景

EtherCAT 数据帧基于标准 IEEE 802.3 以太网帧格式，使用 EtherType 0x88A4 标识。在物理层上，完整帧包含帧间隔 (IFG, 12字节)、前导码 (Preamble, 7字节)、帧起始定界符 (SFD, 1字节)、以太网帧头、EtherCAT 数据区及 FCS 帧校验 (4字节, CRC-32)。一个 EtherCAT 帧内可以串联多个 Datagram，每个 Datagram 独立寻址、独立处理。

100 Mbps 传输速率

EtherCAT 物理层使用 100BASE-TX 全双工以太网 (100 Mbit/s)。在该速率下，每传输一个字节需要 80 ns（8 bits ÷ 100 MHz = 80 ns）。例如传输 100 字节数据需要 8 μs。

EtherCAT 完整以太网帧布局

图：完整的 EtherCAT 以太网帧字节级布局（含帧间隔、前导码、帧校验）

帧结构层次

flowchart TD WIRE["物理层帧<br/>On the Wire @ 100 Mbps"] --> IFG["帧间隔 IFG<br/>12 Bytes / 960 ns"] WIRE --> PRE["前导码 Preamble<br/>7 Bytes / 560 ns"] WIRE --> SFD["帧起始定界符 SFD<br/>1 Byte / 80 ns"] WIRE --> ETH["以太网帧<br/>64~1518 Bytes"] ETH --> HDR["帧头<br/>Dest MAC 6B + Src MAC 6B + EtherType 2B"] ETH --> PAY["EtherCAT 数据<br/>44~1498 Bytes"] ETH --> FCS["FCS 帧校验序列<br/>4 Bytes / CRC-32"] PAY --> EHDR["EtherCAT Header<br/>2 Bytes"] PAY --> DG["Datagram × N<br/>可串联多个"] DG --> ITEM["每个 Datagram:<br/>Header 10B + Data + WKC 2B"]

技术详情

物理层帧结构与传输时序

EtherCAT 基于 IEEE 802.3 标准以太网，物理层使用 100BASE-TX 全双工模式，固定传输速率 100 Mbit/s。下面是以太网帧在物理线路上的完整结构：

字段 大小 说明 传输时间 @ 100Mbps
IFG (Inter-Frame Gap) 12 Bytes 帧间隔，以太网规范要求两帧之间的最小间隔，用于设备准备接收下一帧 960 ns
Preamble (前导码) 7 Bytes 用于接收端时钟同步和信号电平稳定，固定模式 0x55 (10101010) 重复 7 次 560 ns
SFD (Start of Frame Delimiter) 1 Byte 帧起始定界符，固定值 0xD5 (10101011)，标记以太网帧的开始 80 ns
Dest MAC (目标地址) 6 Bytes 目标 MAC 地址 480 ns
Src MAC (源地址) 6 Bytes 源 MAC 地址 480 ns
EtherType 2 Bytes EtherCAT 固定值 0x88A4，用于区分其他以太网协议 160 ns
EtherCAT Data 44~1498 Bytes 包含 EtherCAT Header (2B) + Datagram(s)，满足以太网最小帧 64 字节要求 3.52 ~ 119.84 μs
FCS (Frame Check Sequence) 4 Bytes 帧校验序列，使用 CRC-32 算法，覆盖 Dest MAC 到 Data 的全部内容，用于检测传输错误 320 ns

帧大小约束 (IEEE 802.3)

最小帧: 以太网帧（不含 IFG 和前导码）最小 64 字节。当 EtherCAT 数据不足时需填充 (Padding) 到 46 字节载荷。
最大帧: 以太网帧（不含 IFG 和前导码）最大 1518 字节（标准帧）。
完整帧: 含 IFG + 前导码 + SFD + 以太网帧，最小 84 字节 (6.72 μs)，最大 1538 字节 (123.04 μs)。

EtherCAT Header

字段 位数 说明
Length 11 bits EtherCAT 数据区长度 (不含 EtherCAT Header 本身)
Reserved 1 bit 保留位
Type 4 bits 协议类型: 0x1 = EtherCAT Datagram 类型

Datagram 结构详解

字段 大小 说明
Cmd 1 Byte 命令类型，决定操作方式 (读/写/读写) 和寻址模式
Index 1 Byte Datagram 序号标识，由主站分配
Address 4 Bytes 地址字段，含义取决于寻址模式
Len+M 2 Bytes 数据区长度 (11 bits) + More 标志位 (1 bit，表示后续还有更多 Datagram)
IRQ 2 Bytes 中断寄存器，从站可通过此字段向主站发送中断请求
Data 最多 1486 Bytes 有效数据负载
WKC 2 Bytes Working Counter，由从站在处理过程中递增

Datagram 命令类型一览

命令 代码 寻址模式 操作 WKC 增量
APRD 0x01 Auto-increment 读 +1 (读)
APWR 0x02 Auto-increment 写 +2 (写)
APRW 0x03 Auto-increment 读写 +3 (读+写)
FPRD 0x04 Configured address 读 +1
FPWR 0x05 Configured address 写 +2
FPRW 0x06 Configured address 读写 +3
BRD 0x07 Broadcast 读 每站 +1
BWR 0x08 Broadcast 写 每站 +2
BRW 0x09 Broadcast 读写 每站 +3
LRD 0x0A Logical 读 +1
LWR 0x0B Logical 写 +2
LRW 0x0C Logical 读写 +3
ARMW 0x0D Auto-increment 读多写 +3
FRMW 0x0E Configured address 读多写 +3

三种寻址模式

flowchart LR subgraph Auto["Auto-increment (APxx)"] A1["ADP(2B): 递增计数<br/>从0开始递减"] A2["ADO(2B): ESC 内存地址"] end subgraph Configured["Configured (FPxx)"] C1["ADP(2B): 站地址<br/>固定配置地址"] C2["ADO(2B): ESC 内存地址"] end subgraph Logical["Logical (Lxx)"] L1["4 Bytes: 逻辑地址<br/>FMMU 自动映射"] end

WKC (Working Counter) 机制

多 Datagram 串联排列与 WKC 机制

图：多个 Datagram 串联排列及 WKC 处理流程

WKC 机制要点

每个从站处理 Datagram 时按操作类型递增 WKC：读操作 +1、写操作 +2、读写操作 +3。主站通过检查返回帧中的 WKC 值来验证操作是否被正确执行。若 WKC 不等于期望值，表示通信异常。

帧校验 (FCS / CRC-32)

FCS (Frame Check Sequence) 位于以太网帧末尾，长度为 4 字节，使用 CRC-32 多项式校验算法。FCS 覆盖范围从目标 MAC 地址到数据区末尾的全部内容（即以太网帧中除前导码和 FCS 本身之外的所有字段）。

FCS 与 ESC 处理

ESC (EtherCAT 从站控制器) 在硬件层面自动处理 FCS：接收帧时验证 CRC-32，转发帧时重新计算并更新 FCS。这意味着 ESC 在 "on-the-fly" 处理过程中修改了帧数据（如写入过程数据、更新 WKC），FCS 会在转发时自动更新，无需主站干预。

深入源码

源码：master/datagram.h

ec_datagram 结构体

master/datagram.h — ec_datagram_t 核心字段

typedef struct {
    struct list_head queue;          // 主站 datagram 队列节点
    struct list_head sent;           // 已发送 datagram 列表节点
    ec_device_index_t device_index;  // 发送设备索引 (主/备)
    ec_datagram_type_t type;         // 命令类型 (APRD, APWR, ...)
    uint8_t address[EC_ADDR_LEN];   // 4 字节地址字段
    uint8_t *data;                   // 数据负载指针
    ec_origin_t data_origin;         // 数据内存来源 (内部/外部)
    size_t mem_size;                 // 数据内存大小
    size_t data_size;                // 实际数据大小
    uint8_t index;                   // Datagram 序号
    uint16_t working_counter;        // 工作计数器 (返回值)
    ec_datagram_state_t state;       // 当前状态
    unsigned long jiffies_sent;      // 发送时间戳
    unsigned long jiffies_received;  // 接收时间戳
    char name[EC_DATAGRAM_NAME_SIZE];// Datagram 描述名
} ec_datagram_t;

Datagram 类型枚举

master/datagram.h — ec_datagram_type_t

typedef enum {
    EC_DATAGRAM_NONE = 0x00,  // 空类型
    EC_DATAGRAM_APRD = 0x01,  // Auto-increment Physical Read
    EC_DATAGRAM_APWR = 0x02,  // Auto-increment Physical Write
    EC_DATAGRAM_APRW = 0x03,  // Auto-increment Physical ReadWrite
    EC_DATAGRAM_FPRD = 0x04,  // Configured Address Physical Read
    EC_DATAGRAM_FPWR = 0x05,  // Configured Address Physical Write
    EC_DATAGRAM_FPRW = 0x06,  // Configured Address Physical ReadWrite
    EC_DATAGRAM_BRD  = 0x07,  // Broadcast Read
    EC_DATAGRAM_BWR  = 0x08,  // Broadcast Write
    EC_DATAGRAM_BRW  = 0x09,  // Broadcast ReadWrite
    EC_DATAGRAM_LRD  = 0x0A,  // Logical Read
    EC_DATAGRAM_LWR  = 0x0B,  // Logical Write
    EC_DATAGRAM_LRW  = 0x0C,  // Logical ReadWrite
    EC_DATAGRAM_ARMW = 0x0D,  // Auto-increment Read Multiple Write
    EC_DATAGRAM_FRMW = 0x0E   // Configured Address Read Multiple Write
} ec_datagram_type_t;

Datagram 状态枚举

master/datagram.h — ec_datagram_state_t

typedef enum {
    EC_DATAGRAM_INIT,       // 初始化状态
    EC_DATAGRAM_QUEUED,     // 已入队等待发送
    EC_DATAGRAM_SENT,       // 已发送 (仍在队列中)
    EC_DATAGRAM_RECEIVED,   // 已接收 (已出队)
    EC_DATAGRAM_TIMED_OUT,  // 超时 (已出队)
    EC_DATAGRAM_ERROR,      // 发送/接收错误
    EC_DATAGRAM_INVALID     // 无效，不应被入队
} ec_datagram_state_t;

源码：master/datagram.c 关键函数

函数 说明
ec_datagram_aprd(datagram, ring_pos, addr, size) 构造 Auto-increment 读 Datagram
ec_datagram_fpwr(datagram, config_addr, addr, size) 构造 Configured address 写 Datagram
ec_datagram_lrd(datagram, offset, size) 构造逻辑地址读 Datagram
ec_datagram_lrw(datagram, offset, size) 构造逻辑地址读写 Datagram
ec_datagram_brd(datagram, addr, size) 构造广播读 Datagram
ec_datagram_print_wc_error(datagram) 打印 WKC 错误信息

常量定义

EC_ADDR_LEN = 4 — 地址字段长度
EC_DATAGRAM_HEADER_SIZE = 10 — Datagram 头部长度 (Cmd+Idx+Addr+Len+IRQ)
EC_DATAGRAM_FOOTER_SIZE = 2 — Datagram 尾部长度 (WKC)
EC_MAX_DATA_SIZE ≈ 1486 — 单个 Datagram 最大数据长度

三、ESC 从站控制器 (EtherCAT Slave Controller)

1.3 — ESC 硬件实现、寄存器映射、帧处理流程（基于 N32H7x5EC）

概览

ESC 是什么?

ESC (EtherCAT Slave Controller) 是 EtherCAT 从站的核心通信芯片，负责处理 EtherCAT 数据帧。ESC 由德国 Beckhoff 授权的 IP 核实现，在数据帧经过时直接读取/写入过程数据，无需在每个节点接收、解析和复制数据，实现 "on the fly" 帧处理。

N32H7x5EC ESC 主要特性

MII 端口: 2 个（连接外部以太网 PHY）
FMMU: 8 个现场总线内存管理单元
同步管理器 (SM): 8 个
过程数据内存: 8 KB
分布式时钟 (DC): 64 位纳秒精度
过程数据接口 (PDI): 片上总线（AHB-to-OPB 桥接）

ESC 内部功能模块

flowchart LR subgraph "ESC 内部结构" P0["端口 0<br/>MII → PHY"] P1["端口 1<br/>MII → PHY"] EPU["EPU<br/>EtherCAT 处理单元"] FMMU["FMMU × 8<br/>逻辑→物理地址映射"] SM["同步管理器 × 8<br/>缓冲区管理"] DC["分布式时钟 (DC)<br/>64 位时间同步"] PD_RAM["过程数据 RAM<br/>8 KB"] EEPROM["SII EEPROM<br/>I2C 接口"] MON["监控单元<br/>错误计数器 + 看门狗"] PHY_MGMT["PHY 管理<br/>MII 管理接口"] PDI_IF["PDI 接口<br/>AHB-to-OPB 桥"] end P0 --> EPU P1 --> EPU EPU --> FMMU EPU --> SM FMMU --> PD_RAM SM --> PD_RAM EPU --> DC EPU --> MON EPU --> PHY_MGMT PD_RAM <--> PDI_IF EEPROM <--> EPU

ESC 内存映射全景

ESC 寄存器内存映射全景图

图：N32H7x5EC ESC 内存映射 (0x0000–0x2FFF)

技术详情

ESC 帧处理流程

ESC 使用标准 IEEE 802.3 以太网帧，EtherType = 0x88A4。ESC 无 MAC/IP 地址，可处理任意 MAC/IP 的 EtherCAT 帧。帧处理顺序：端口 0 → EPU → 端口 1。帧不存储，通过时即读写，转发延迟最小化。

flowchart TD A["接收 EtherCAT 帧<br/>(端口 0 或端口 1)"] --> B{"EtherType = 0x88A4?"} B -->|否| C{"DL 控制<br/>转发非 ECAT 帧?"} C -->|是| Z["转发标准以太网帧"] C -->|否| Z2["丢弃帧"] B -->|是| D["解析 EtherCAT Header<br/>Length + Type(=0x1)"] D --> E["遍历每个 Datagram"] E --> F{"寻址模式?"} F -->|Auto-inc| G["地址计数器递减<br/>为0时匹配"] F -->|Configured| H["匹配配置站地址"] F -->|Logical| I["FMMU 地址匹配"] F -->|Broadcast| J["所有从站执行"] G --> K{"地址匹配?"} H --> K I --> K J --> K K -->|是| L["执行读/写操作<br/>更新 WKC<br/>(读+1, 写+2, 读写+3)"] K -->|否| M["透传到下一从站"] L --> M M --> N{"More 标志=1?"} N -->|是| E N -->|否| O["转发帧到下一端口"] style A fill:#ebf8ff,stroke:#90cdf4 style L fill:#f0fff4,stroke:#9ae6b4 style Z2 fill:#fff5f5,stroke:#feb2b2

环路控制

每个端口可处于打开或关闭状态，支持四种环路控制模式：

模式 描述
手动打开 端口始终开启，即使无链路
手动关闭 端口始终关闭
自动 根据链路状态自动开关
自动关闭 链路丢失时关闭，但不自动打开

⚠ 注意

若所有端口均关闭，端口 0 自动打开作为恢复端口。ESC 间或主站与首个从站间不能使用非管理型交换机。

影子缓冲区

寄存器写入（0x0000-0x0F7F）先存入影子缓冲区，帧 FCS 正确后才写入有效寄存器。过程数据 RAM 无影子缓冲区。

循环帧防护

端口 0 环路关闭且为自动模式时，EPU 设置数据报循环位 (C 位)。循环位已为 1 的帧被丢弃，防止帧在网络中无限循环。

ESC 寄存器映射表

地址范围 大小 区域名称 读/写 说明
0x0000–0x000F 16 B 类型与版本信息 R ESC 类型 (0xAC/0xAD)、版本号、构建号、FMMU/SM 数量、端口描述
0x0010–0x0011 2 B 配置站地址 R/W ESC_CFGSA — 用于 FPRD/FPWR 寻址
0x0012–0x0013 2 B 配置站别名 R/W ESC_CFGSALIAS
0x0020 1 B 寄存器写使能 W ESC_REGWEN — 写保护控制
0x0030 1 B ESC 写使能 W ESC_ESCWEN — 全局写保护控制
0x0040 1 B ECAT 复位 ESC W 连续写入 'R','E','S' 触发硬件复位
0x0041 1 B PDI 复位 ESC W ESC_RSTPDI
0x0100–0x0103 4 B DL 控制 R/W ESC_DLCTRL — 环路控制/FIFO/转发设置
0x0108–0x010B 4 B 物理 R/W 偏移 R/W ESC_RWOFFSET
0x0110–0x0111 2 B DL 状态 R ESC_DLSTS
0x0120–0x0121 2 B AL 控制 R/W ESC_ALCTRL — 应用层状态控制
0x0130–0x0131 2 B AL 状态 R ESC_ALSTS — 当前应用层状态
0x0134–0x0135 2 B AL 状态码 R ESC_ALSTSC — 状态码/错误码
0x0140–0x0159 ~26 B PDI 控制/配置 R/W ESC_PDICTRL, ESC_CFG, ESC_PDIINFO, ESC_PDICFG 等
0x0200–0x0223 ~36 B 事件/中断寄存器 R/W ECAT 事件屏蔽/请求, AL 事件屏蔽/请求
0x0300–0x0317 ~24 B 错误计数器 R/W RX 错误、转发错误、EPU 错误、丢失链接计数器
0x0400–0x0445 ~70 B 看门狗寄存器 R/W 分频器、PDI/PD 看门狗时间、状态、计数器
0x0500–0x051F ~32 B EEPROM 寄存器 R/W 配置、控制/状态、地址、数据
0x0510–0x0519 ~10 B MII 管理寄存器 R/W PHY 管理接口控制、地址、数据
0x0600–0x067F 128 B FMMU 寄存器 R/W 8 个 FMMU 通道，每个 16 字节 (0x0600+0x10×n)
0x0800–0x083F 64 B 同步管理器寄存器 R/W 8 个 SM 通道，每个 8 字节 (0x0800+0x08×n)
0x0900–0x0A07 ~264 B 分布式时钟 (DC) 寄存器 R/W 接收时间、系统时间、偏移、延迟、SYNC 控制、Latch 等
0x0E00–0x0E0F 16 B 识别寄存器 R 产品 ID、供应商 ID（来自 EEPROM）

ESC 内存空间总览

地址范围 大小 用途
0x0000–0x0F7F ~4 KB 寄存器
0x0F80–0x0FFF 128 B 用户 RAM
0x1000–0x2FFF 8 KB 过程数据 RAM

FMMU 寄存器配置（每个通道 16 字节）

偏移地址公式：0x0600 + 0x10 × n（n = 0~7）

偏移 寄存器名 大小 说明
+0x00 ESC_FMMUnLSA 4 B 逻辑起始地址 (32 位)
+0x04 ESC_FMMUnLEN 2 B 长度 (16 位)
+0x06 ESC_FMMUnLSATB 1 B 逻辑起始位
+0x07 ESC_FMMUnLSTPB 1 B 逻辑停止位
+0x08 ESC_FMMUnPSA 2 B 物理起始地址 (16 位)
+0x0A ESC_FMMUnPSATB 1 B 物理起始位
+0x0B ESC_FMMUnTYPE 1 B 类型 (读/写/读写)
+0x0C ESC_FMMUnACT 1 B 激活/停用

同步管理器寄存器（每个通道 8 字节）

偏移地址公式：0x0800 + 0x08 × n（n = 0~7）

偏移 寄存器名 大小 说明
+0x00 ESC_SMnPSA 2 B 物理起始地址
+0x02 ESC_SMnLEN 2 B 长度
+0x04 ESC_SMnCTRL 1 B 控制 (模式/方向/看门狗/中断)
+0x05 ESC_SMnSTS 1 B 状态
+0x06 ESC_SMnACT 1 B 激活
+0x07 ESC_SMnPDICTRL 1 B PDI 控制

同步管理器通信模式

模式 特点 用途
缓冲模式（三缓冲） 生产者可随时写入，消费者获取最新数据，旧数据丢弃 周期过程数据
邮箱模式 握手机制，交替读写，数据不丢失 应用层协议（EoE/CoE/FoE/AoE）

错误计数器

所有计数器在 0xFF 饱和，可通过写入清除。

计数器 寄存器 描述
无效帧计数器 ESC_RXERRCNTn (低 8 位) 最初检测到无效帧
RX 错误计数器 ESC_RXERRCNTn (高 8 位) 物理层接收错误
转发 RX 错误计数器 ESC_FWDRXERRCNTn 前级 ESC 标记的无效帧
EPU 错误计数器 ESC_EPUERRCNT 无效帧通过 EPU
PDI 错误计数器 ESC_PDIERRCNT PDI 检测到的物理错误
丢失链接计数器 ESC_LOSTLINKCNTn 链路丢失事件（每端口）
看门狗计数器 PD ESC_WDCNTPD 过程数据看门狗超时
看门狗计数器 PDI ESC_WDCNTPDI PDI 看门狗超时

看门狗

两个独立看门狗共享分频器：

看门狗 触发条件 超时后果
过程数据 WD SM 缓冲区完整写入 状态位反映，计数器递增
PDI WD 任何 PDI 读写访问 DL 状态位反映，计数器递增

超时计算：tWD_Div = (WD_DIV + 2) × 40 ns。过程数据/PDI 看门狗分别可通过将对应时间寄存器设为 0 来禁用。

写保护机制

保护类型 范围 说明
寄存器写保护 0x0000–0x0F7F 需在帧内先写 ESC_REGWEN (0x0020)
ESC 写保护 所有区域 需在帧内先写 ESC_ESCWEN (0x0030)

ESC 复位

通过 ECAT 或 PDI 向 0x0040/0x0041 连续写入 0x52('R')、0x45('E')、0x53('S') 触发硬件复位。复位信号可通过 GPIO 输出（如 PHY 复位）。

LED 信号状态

LED 状态 含义
RUN LED (绿) 灭 INIT 状态
慢闪 预运行 (Pre-Op) 状态
单闪 安全运行 (Safe-Op) 状态
常亮 运行 (Op) 状态
快闪 BOOTSTRAP 或加载 EEPROM
ERR LED (红) 灭 无错误
快闪 EEPROM 加载错误
慢闪 无效硬件配置
单闪 AL 状态错误指示
双闪 过程数据看门狗超时
常亮 PDI 看门狗超时或自检错误

ESC 封装器寄存器 (N32H7x5EC 特有)

ESC 起始地址：0x400B 0000。封装器提供额外的控制和配置寄存器：

偏移地址 寄存器 描述
0x0000 ESC_WRACTRLSTS 控制状态（含 ESCRST 位）
0x0004 ESC_WRACFG0 配置 0（TXSHIFT, LINKPOL, ADDROFFSET 等）
0x0008 ESC_WRACFG1 配置 1（EEPROMSIZE, 中断使能, RSTESC 等）
0x000C ESC_WRAINTSTS 中断状态（SYNC_OUT, PDI_WD, RESET, SOF/EOF 等）

中断机制

AL 事件请求（PDI 中断）

AL 事件请求寄存器与 AL 事件屏蔽寄存器逻辑与后，所有位逻辑或合并为一个 IRQ。

中断线 NVIC 映射 说明
IRQ_A ECAT_OPB_IRQ AL 事件合并中断
IRQ_B ECAT_SYNC0_INT DC SYNC0 中断
IRQ_C ECAT_SYNC1_INT DC SYNC1 中断
IRQ_D ECAT_WRP_INT 封装器中断

ECAT 事件请求（ECAT 中断）

通知主站从站事件，利用 EtherCAT 数据报中的 IRQ 字段，各从站中断位逻辑或组合。

SII EEPROM

通过 I2C 接口连接外部 EEPROM（最大 1 Mbit），EEPROM_CLK 和 EEPROM_DATA 需 4.7kΩ 上拉电阻。半字（16 位）寻址。

EEPROM 内容布局

半字地址 内容
0x0 PDI 控制/ESC 配置
0x1 PDI 配置
0x2 同步信号脉冲长度
0x3 扩展 PDI 配置
0x4 配置站别名
0x7 校验和
0x8–0x9 供应商 ID
0xA–0xB 产品代码
0xC–0xD 修订编号
0xE–0xF 序列号
0x14–0x1B 邮箱配置（偏移/大小）
0x1C 邮箱协议
0x28–0x2F 额外 ESC 配置
0x3E 大小
0x3F 版本
0x40+ 类别数据 (Category)

支持三种 EEPROM 命令：读（4 字节）、写（2 字节）、重新加载。上电/复位后自动加载配置区域（半字 0-7）。写操作需先在同一帧内设置写使能位。

物理层要求

100 Mbit/s 全双工，使用标准 IEEE 802.3 PHY，通过 MII 接口连接。不支持 RMII（会增加转发延迟和抖动）。

三种链路状态来源：LINK_MII 信号（PHY LED 输出，最快）→ MI 链路检测（MII 管理接口轮询）→ 增强型链路检测（RX_ERR 信号检测）。

EtherCAT 命令类型

CMD 缩写 名称 描述
0 NOP 无操作 从站忽略命令
1 APRD 自动递增读 地址递减，为 0 时读取数据
2 APWR 自动递增写 地址递减，为 0 时写入数据
3 APRW 自动递增读写 地址递减，为 0 时读写数据
4 FPRD 配置地址读 地址匹配时读取
5 FPWR 配置地址写 地址匹配时写入
6 FPRW 配置地址读写 地址匹配时读写
7 BRD 广播读 所有从站逻辑或读取
8 BWR 广播写 所有从站写入
9 BRW 广播读写 所有从站逻辑或读写
10 LRD 逻辑内存读 FMMU 读映射
11 LWR 逻辑内存写 FMMU 写映射
12 LRW 逻辑内存读写 FMMU 读写映射
13 ARMW 自动递增读多次写 自动递增读，多次写
14 FRMW 配置读多次写 配置地址匹配读，多次写

WKC (工作计数器)

每次成功读写操作递增 WKC：读操作 +1，写操作 +2，读写操作 +3。

深入源码

源码：master/slave.h — ec_slave 结构体

从站在 IgH 主站中由 ec_slave 结构体表示，包含了从 ESC 寄存器和 EEPROM/SII 中读取的所有信息：

master/slave.h — ec_slave 关键字段

struct ec_slave {
    ec_master_t *master;             // 所属主站
    ec_device_index_t device_index;  // 响应设备索引 (主/备网卡)

    // 地址信息
    uint16_t ring_position;          // 环形拓扑位置
    uint16_t station_address;        // 配置站地址 (对应 ESC 0x0010)
    uint16_t effective_alias;        // 有效别名地址 (对应 ESC 0x0012)

    // 端口信息
    ec_slave_port_t ports[EC_MAX_PORTS]; // 端口状态
    uint8_t upstream_port;           // 面向主站的端口索引

    // 配置状态
    ec_slave_config_t *config;       // 当前从站配置
    ec_slave_state_t requested_state;// 请求的 AL 状态 (写 0x0120)
    ec_slave_state_t current_state;  // 当前 AL 状态 (读 0x0130)
    uint16_t last_al_error;          // 最后 AL 错误码 (读 0x0134)

    // 邮箱配置 (来自 EEPROM 0x14-0x1B)
    uint16_t configured_rx_mailbox_offset;
    uint16_t configured_rx_mailbox_size;
    uint16_t configured_tx_mailbox_offset;
    uint16_t configured_tx_mailbox_size;

    // 基础信息 (从 ESC 0x0000 区域读取)
    uint8_t base_type;               // ESC 类型 (0x0000, 复位值 0xAC/0xAD)
    uint8_t base_revision;           // ESC 修订版本 (0x0001)
    uint16_t base_build;             // 构建版本 (0x0002-0x0003)
    uint8_t base_fmmu_count;         // FMMU 数量 (0x0004, 复位值 0x08)
    uint8_t base_sync_count;         // SM 数量 (0x0005, 复位值 0x08)
    uint8_t base_dc_supported;       // 是否支持 DC (0x0008 特性位)
    ec_slave_dc_range_t base_dc_range; // DC 范围类型
    uint32_t transmission_delay;     // DC 传播延迟 (写入 0x0928)

    // SII/EEPROM 数据
    uint16_t *vendor_words;          // SII 前 16 个字
    ec_sii_image_t *sii_image;       // 完整 SII 镜像

    // 各类请求队列
    struct list_head sdo_requests;   // SDO 请求队列
    struct list_head foe_requests;   // FoE 请求队列
    struct list_head soe_requests;   // SoE 请求队列
    struct list_head eoe_requests;   // EoE 请求队列

    // 邮箱接收数据缓冲区
    ec_mbox_data_t mbox_coe_data;
    ec_mbox_data_t mbox_foe_data;
    ec_mbox_data_t mbox_soe_data;
    ec_mbox_data_t mbox_voe_data;
};

ESC 寄存器访问方式

IgH 主站通过以下 Datagram 类型访问 ESC 寄存器：

场景 Datagram 类型 用途
拓扑扫描 APRD (Auto-increment Read) 扫描时按递增地址读取各从站 ESC 寄存器（类型/版本 0x0000）
正常运行 FPRD/FPWR (Configured address) 通过配置站地址 (0x0010) 读写从站寄存器
过程数据 LRD/LWR/LRW (Logical) 通过 FMMU (0x0600+) 逻辑地址映射访问过程数据 RAM (0x1000-0x2FFF)
广播操作 BRD/BWR (Broadcast) 同时向所有从站读写 (如 DC 时间同步 0x0910)
DC 漂移补偿 ARMW/FRMW 读取参考时钟并写入其他从站 (0x0910)

深入了解

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posted @ 2026-04-14 21:00  沐多  阅读(3056)  评论(0)    收藏  举报