【原创】IgH EtherCAT主站详解(十一)--主站启动配置流程
启动配置流程
4.1 — 从 insmod 加载到所有从站进入 OP 的完整流程
概览
EtherCAT 主站启动全景
EtherCAT 主站的启动过程可以概括为 5 个阶段：从内核模块加载开始，经过设备绑定、总线扫描、从站配置，最终进入实时运行阶段。整个过程由内核线程和状态机自动驱动，应用程序只需在适当的时机调用 ecrt API 接管控制权。
五阶段启动流程
阶段 1: 内核模块加载 (
insmod) → 分配主站实例
阶段 2: 网卡设备绑定 → ORPHANED → IDLE
阶段 3: 总线扫描 + 从站识别 → EEPROM + PDO
阶段 4: 从站配置 → Init → Pre-Op → Safe-Op → Op
阶段 5: 应用激活 → IDLE → OPERATION (实时通信)
启动流程总图
flowchart TD
A[insmod ec_master.ko] --> B[ec_init_module]
B --> C["ec_master_init() × N<br/>分配 N 个主站实例"]
C --> D["等待网卡设备绑定<br/>(ORPHANED 阶段)"]
D --> E["网卡 attach<br/>ecdev_offer()"]
E --> F["ec_master_enter_idle_phase()<br/>ORPHANED → IDLE"]
F --> G["启动 IDLE 内核线程<br/>EtherCAT-IDLE"]
G --> H["Master FSM 开始运行<br/>BRD 广播探测从站"]
H --> I["从站数量变化?<br/>触发拓扑扫描"]
I -->|是| J["Slave Scan FSM<br/>扫描/识别/构建 PDO"]
I -->|否| H
J --> K["扫描完成<br/>从站信息就绪"]
K --> L["Slave Config FSM<br/>配置各从站到 Pre-Op"]
L --> M["应用程序调用<br/>ecrt_master_activate()"]
M --> N["ec_master_enter_operation_phase()<br/>IDLE → OPERATION"]
N --> O["启动 OP 内核线程<br/>EtherCAT-OP"]
O --> P["实时周期通信开始<br/>应用程序控制收发"]
style A fill:#c6f6d5,stroke:#68d391
style F fill:#ebf8ff,stroke:#90cdf4
style J fill:#fefcbf,stroke:#ecc94b
style L fill:#fefcbf,stroke:#ecc94b
style P fill:#c6f6d5,stroke:#68d391
技术详情
阶段 1: 内核模块加载
通过 insmod ec_master.ko main_devices=XX:XX:XX:XX:XX:XX 加载主站模块。
ec_init_module()执行流程：
- 注册字符设备区域 (
alloc_chrdev_region)- 创建设备类
/sys/class/EtherCAT/- 解析 MAC 地址参数（主网卡 + 备用网卡）
- 为每个主站调用
ec_master_init()：初始化锁、设备、FSM、链表、字符设备- 主站进入 ORPHANED 阶段，等待网卡设备绑定
阶段 2: 网卡设备绑定
当网卡驱动的 probe 函数被调用时，IgH 适配代码调用 ecdev_offer() 将网卡设备与主站绑定：
sequenceDiagram
participant DRV as 网卡驱动
participant DEV as ec_device
participant MST as ec_master
participant FSM as Master FSM
DRV->>DEV: ecdev_offer(dev, poll_cb, ...)
DEV->>MST: ec_master_find_device(mac)
MST->>MST: ec_device_attach(devices[MAIN])
MST->>MST: 检查两个设备是否都已绑定
alt 两个设备都已绑定
MST->>MST: ec_master_enter_idle_phase()
MST->>FSM: 启动 IDLE 线程
MST-->>DRV: 返回 0 (绑定成功)
else 还有设备未绑定
MST-->>DRV: 返回 0 (等待其他设备)
end
阶段 3: 总线扫描
IDLE 线程启动后，Master FSM 自动开始总线监控。当检测到从站响应数量变化时，触发完整的拓扑扫描流程：
- BRD 广播: 读取寄存器 0x0130 获取在线从站数量
- 地址分配: 使用 APWR 为每个从站分配递增的站地址
- DC 延迟测量: 测量每个从站的传播延迟
- 从站扫描: Slave Scan FSM 逐个扫描从站（读 EEPROM、构建 PDO 映射）
详见 4.2 拓扑扫描流程
阶段 4: 从站配置
扫描完成后，Master FSM 自动触发从站配置流程，将每个从站从 Init 状态推进到目标状态。
flowchart LR
subgraph "从站配置 5 阶段"
A[Init] -->|fsm_slave_config| B[Init → Pre-Op]
B --> C[配置邮箱 SyncManager]
C --> D[配置 SDO]
D --> E[配置 PDO/FMMU]
E --> F["Pre-Op → Safe-Op"]
F --> G["配置 DC 同步"]
G --> H["Safe-Op → Op"]
end
并行配置: 每个从站有独立的 Slave FSM，从站之间无耦合关系。所有从站的
Init → Pre-Op → Safe-Op → Op过程各自独立执行，互不阻塞。
阶段 5: 应用激活与实时运行
应用程序通过 ecrt API 激活主站：
| 步骤 | API 调用 | 作用 |
|---|---|---|
| 1 | ecrt_master_create() |
打开主站字符设备 |
| 2 | ecrt_master_create_domain() |
创建过程数据域 |
| 3 | ecrt_master_slave_config() |
获取从站配置句柄 |
| 4 | ecrt_slave_config_pdos() |
注册 PDO 映射 |
| 5 | ecrt_domain_reg_pdo_entry() |
注册 PDO 入口，获取偏移 |
| 6 | ecrt_master_activate() |
激活主站 → IDLE→OPERATION |
| 7 | ecrt_domain_data() |
获取过程数据内存指针 |
| 8 | ecrt_master_send/receive() |
周期性收发过程数据 |
IDLE 线程 vs OPERATION 线程
| 特性 | IDLE 线程 | OPERATION 线程 |
|---|---|---|
| 函数 | ec_master_idle_thread() |
ec_master_operation_thread() |
| 运行阶段 | IDLE | OPERATION |
| 收发控制 | 线程自行收发 | 由应用程序回调控制 |
| 调度优先级 | 普通 (SCHED_OTHER) | 实时 (SCHED_FIFO/RT) |
| 主要工作 | 扫描从站 + 配置从站 | 执行 FSM + 统计输出 |
| 收发回调 | ec_master_internal_send/receive_cb |
app_send/receive_cb |
深入源码
ec_init_module() — 模块加载入口
位置: master/module.c:112–187
核心流程：
alloc_chrdev_region()注册字符设备号class_create("EtherCAT")创建 sysfs 设备类- 解析
main_devices[]和backup_devices[]MAC 地址参数- 为每个主站调用
ec_master_init(&masters;[i], i, main_mac, backup_mac, ...)- 所有主站初始状态为
EC_ORPHANED
ec_master_init() — 主站初始化
位置: master/master.c:140–411
初始化所有互斥锁 (master_sem, device_sem, io_sem)、设备、FSM、外部数据报环形缓冲、字符设备、链表头等。
ec_master_enter_idle_phase() — 进入 IDLE 阶段
位置: master/master.c:771–820
关键步骤：
- 安装内部收发回调 (
ec_master_internal_send/receive_cb)- 设置
master->phase = EC_IDLE- 重置
slaves_responding[]以触发首次扫描- 创建 EoE 接口（如果配置了
eoe_interfaces）- 启动
EtherCAT-IDLE内核线程
ec_master_idle_thread() — IDLE 线程主循环
位置: master/master.c:1926–1987
flowchart TD
A["while (!kthread_should_stop())"] --> B["ecrt_master_receive()<br/>(io_sem 保护)"]
B --> C["ec_lock_down(master_sem)"]
C --> D["ec_fsm_master_exec(&fsm;)<br/>执行 Master FSM"]
D --> E["ec_master_exec_slave_fsms()<br/>执行 Slave FSM 列表"]
E --> F["ec_lock_up(master_sem)"]
F --> G["ecrt_master_send()<br/>(io_sem 保护)"]
G --> H{"FSM 空闲?"}
H -->|是| I["nanosleep(send_interval)"]
H -->|否| J["nanosleep(发送字节时间)"]
I --> A
J --> A
ec_master_enter_operation_phase() — 进入 OPERATION 阶段
位置: master/master.c:852–917
关键步骤：
- 等待从站配置完成 (
config_busy清零)- 等待扫描完成 (
scan_busy清零)- 禁止新的扫描 (
allow_scan = 0)- 将所有在线从站请求设置为
PREOP- 设置
master->phase = EC_OPERATION- 清空应用回调指针（由
ecrt_master_activate()设置）
ecrt_master_activate() — 应用激活
位置: master/master.c:2880–3060
由用户空间库 lib/master.c:ecrt_master_activate() 通过 ioctl 调用。
- 冻结从站配置（不允许新的配置请求）
- 为每个 Domain 分配 FMMU、计算逻辑地址偏移
- 为每个 Domain 分配过程数据内存
- 调用
ec_master_enter_operation_phase()切换到 OPERATION - 启动 EoE 线程（如有）
- 启动
EtherCAT-OP内核线程
ec_master_operation_thread() — OPERATION 线程
位置: master/master.c:1993–2064
与 IDLE 线程的关键区别：不自行收发数据（由应用程序回调控制），使用 hrtimer 高精度定时，Slave FSM 由应用层或内核线程调度（取决于 rt_slave_requests）。
启动时序图
sequenceDiagram
participant MOD as module.c
participant MST as master.c
participant FSM as fsm_master.c
participant SCAN as fsm_slave_scan.c
participant CFG as fsm_slave_config.c
participant APP as 应用程序
MOD->>MST: ec_init_module() → ec_master_init()
Note over MST: ORPHANED 阶段
MST->>MST: ec_master_find_device() → attach
MST->>MST: ec_master_enter_idle_phase()
Note over MST: ORPHANED → IDLE
MST->>MST: 启动 EtherCAT-IDLE 线程
loop IDLE 线程循环
MST->>FSM: ec_fsm_master_exec()
FSM->>FSM: BRD 广播读取从站数
FSM->>SCAN: 检测到从站数变化，触发扫描
SCAN->>SCAN: 逐从站扫描(EEPROM+PDO)
SCAN-->>FSM: 扫描完成
FSM->>CFG: 触发从站配置
CFG->>CFG: Init → Pre-Op → Safe-Op → Op
end
APP->>MST: ecrt_master_activate()
MST->>MST: ec_master_enter_operation_phase()
Note over MST: IDLE → OPERATION
MST->>MST: 启动 EtherCAT-OP 线程
APP->>MST: 周期性 send/receive
浙公网安备 33010602011771号