【原创】IgH EtherCAT主站详解(十一)--拓扑扫描流程

拓扑扫描流程

拓扑扫描流程

4.2 — EtherCAT 总线拓扑发现、从站识别、拓扑树构建与 PDO 映射

概览

什么是拓扑扫描?

拓扑扫描是 EtherCAT 主站自动识别总线上所有从站设备并构建拓扑树的过程。整个流程分为三个阶段：

总线探测：Master FSM 通过 BRD 广播读取寄存器 0x0130，获取在线从站数量
逐站扫描：为每个从站分配递增站地址，读取基础信息、EEPROM/SII 数据、构建 PDO 映射
拓扑构建：根据每个从站各端口的 DC 接收时间差，递归计算出父子连接关系，形成完整的拓扑树

扫描触发时机

自动触发: IDLE 线程中 Master FSM 周期性 BRD 广播，检测到从站数量变化时自动扫描
手动触发: ethercat rescan 命令强制重新扫描
热插拔: 从站上线/离线时，WKC 变化触发重新扫描

地址递增机制

EtherCAT 使用自动递增物理寻址 (Auto-increment Physical) 来逐个发现从站。帧经过每个 ESC 时，地址字段自动减 1，只有地址减到 0 的从站才会响应。因此第一个从站的 ring_position = 0，站地址被分配为 ring_position + 1。
4.2 — EtherCAT 总线拓扑扫描、从站识别与 PDO 构建

拓扑扫描地址递增示意图

技术详情

2.1 Master FSM 扫描触发流程

Master FSM 在 start 状态下发起 BRD 广播，工作流程如下：

flowchart TD A["Master FSM: start 状态 BRD 读取 0x0130"] --> B{"从站数量变化? WKC ≠ 上次值"} B -->|否| C["检查下一个设备 (主/备)"] C --> A B -->|是| D["清除旧从站列表 分配 ec_slave_t 数组"] D --> E["dc_read_old_times APRD 读取所有从站 0x0900 端口旧接收时间"] E --> F["clear_addresses BWR 广播写入 0x0010 = 0 清除所有站地址"] F --> G["dc_measure_delays BWR 广播写入 0x0900 = 0 触发从站锁存端口接收时间"] G --> H["scan_slave 触发所有从站并行扫描"] H --> I["等待所有从站扫描完成"] I --> J["ec_master_calc_dc() 计算拓扑树 + 传输延迟"] J --> K["attach_slave_configs 匹配应用层配置"] K --> L["回到 start 监控"] style A fill:#c6f6d5,stroke:#68d391 style J fill:#bee3f8,stroke:#4299e1 style L fill:#c6f6d5,stroke:#68d391

关键步骤说明

阶段	Datagram 类型	操作	目的
broadcast	BRD	读 0x0130	获取在线从站数量 (WKC = 从站数)
dc_read_old_times	APRD	读 0x0900 (16 bytes)	记录旧端口接收时间，用于后续检测端口变化
clear_addresses	BWR	写 0x0010 = 0x0000	清除所有从站的站地址，回到初始状态
dc_measure_delays	BWR	写 0x0900 = 0	触发从站锁存 DC 接收时间，用于计算传播延迟
scan_slave	—	并行启动所有从站扫描	每个从站由独立的 Slave FSM 异步扫描

2.2 拓扑数据结构

扫描完成后，内核中的 ec_slave_t 结构体存储了完整的拓扑信息。核心字段如下：

字段	类型	含义	赋值时机
`ring_position`	`uint16_t`	环位置索引（0 起始），表示从站在总线上的物理顺序	Master FSM 分配从站数组时
`station_address`	`uint16_t`	配置站地址 = `ring_position + 1`	Slave Scan FSM `state_start` 阶段 APWR 写入
`device_index`	`ec_device_index_t`	从站响应的设备索引（主/备网卡）	Master FSM 分配从站数组时
`upstream_port`	`uint8_t`	面向主站的端口索引（0-3）	`ec_master_calc_topology()` 时计算
`ports[4]`	`ec_slave_port_t`	4 个端口信息（描述、链路、下一从站指针、DC 时间）	扫描 + 拓扑计算阶段
`ports[i].next_slave`	`ec_slave_t *`	该端口连接的下游从站指针（拓扑树父子关系）	`ec_master_calc_topology_rec()` 递归赋值
`ports[i].desc`	`ec_slave_port_desc_t`	端口类型：NOT_IMPLEMENTED / NOT_CONFIGURED / EBUS / MII	Slave Scan FSM `state_base` 读寄存器 0x0007
`ports[i].receive_time`	`uint32_t`	DC 端口接收时间（ns），用于延迟计算和拓扑判断	`dc_measure_delays` 后从站锁存
`ports[i].delay_to_next_dc`	`uint32_t`	到下一个支持 DC 的从站的延迟 (ns)	`ec_slave_calc_transmission_delays_rec()` 计算

拓扑树构建原理

拓扑树通过 ports[i].next_slave 指针形成。每个从站的 upstream_port 指向主站方向，其余端口指向下游从站。端口遍历顺序为 next_table[4] = {3, 2, 0, 1}，从 upstream_port 的下一个端口开始循环。

2.3 拓扑树递归构建算法

扫描完成后，ec_master_calc_dc() 调用拓扑计算，核心算法如下：

flowchart TD A["ec_master_calc_dc()"] --> B["ec_master_find_dc_ref_clock() 找到第一个支持 DC 系统时间的从站"] B --> C["ec_master_calc_topology()"] C --> D["遍历所有从站 ec_slave_calc_upstream_port()"] D --> E["upstream_port 选择规则： 接收时间最小的开放端口"] E --> F["ec_master_calc_topology_rec() 递归构建拓扑树"] F --> G["ec_master_calc_transmission_delays() 计算传输延迟"] G --> H["完成"] style A fill:#c6f6d5,stroke:#68d391 style H fill:#c6f6d5,stroke:#68d391

upstream_port 判定规则

每个从站需确定哪个端口面向主站（upstream）。判定依据是 DC 端口接收时间：

默认假设 upstream_port = 0（正常线型拓扑）
若端口 0 链路关闭或被旁路，则寻找替代
遍历端口 1-3，找到接收时间最小的开放端口作为 upstream
不支持 DC 的从站只能假设 upstream_port = 0

拓扑递归算法

ec_master_calc_topology_rec(master, upstream_slave, slave_position) 是核心递归函数：

取当前从站 = master->slaves[slave_position]
设置当前从站的 upstream 端口的 next_slave = upstream_slave（指向父节点）
按 next_table = {3, 2, 0, 1} 顺序遍历非 upstream 端口
对每个链路开放的端口：分配下一个 slave_position，设置 ports[i].next_slave = 下一个从站
递归调用自身处理下游从站

关键洞察: 拓扑树是基于物理位置顺序（ring_position）和端口接收时间递归构建的。从站数组按总线遍历顺序排列，递归过程中依次消耗数组元素，形成深度优先的拓扑树。

2.4 Slave Scan FSM 完整流程

每个从站由独立的 Slave FSM 进行扫描，包含以下步骤：

flowchart TD A["start: APWR 分配站地址 ring_position → 0x0010"] --> B["address: 验证地址写入"] B --> C["state: FPRD 读 AL 状态 0x0130"] C --> D["base: FPRD 读基础寄存器 0x0000 (12 bytes)"] D --> E{"base_dc_supported?"} E -->|是| F["dc_cap: FPRD 读系统时间 0x0910 (4/8 bytes)"] E -->|否| G["datalink"] F --> H["dc_times: FPRD 读端口接收时间 0x0900 (16 bytes)"] H --> G["datalink: FPRD 读 DL 状态 0x0110"] G --> I{"编译选项"} I -->|EC_SII_ASSIGN| J["assign_sii: FPWR 分配 SII 给 EtherCAT"] I -->|EC_SII_CACHE| K["sii_identity: 读 EEPROM alias/serial/vendor/product"] I -->|默认| L["attach_sii: 创建/匹配 SII 镜像"] J --> K K --> L L --> M{"已有完整 SII 缓存?"} M -->|是| N["跳过 EEPROM 读取"] M -->|否| O["sii_size: 遍历 Category 确定 EEPROM 大小"] O --> P["sii_data: 读取完整 EEPROM 每 2 words 循环"] P --> Q["sii_parse: 解析 Category 数据 strings/general/syncs/PDOs"] N --> R{"支持 CoE 邮箱?"} Q --> R R -->|是| S["preop: 请求进入 Pre-Op (使用 Slave Config FSM)"] R -->|否| T["end: 扫描完成"] S --> U["sync: 读取邮箱 SM 配置 0x0800 (2 × SM 页)"] U --> V["mailbox_cleared: 清空邮箱"] V --> W{"EC_SII_CACHE 且已有 PDO 数据?"} W -->|是| X["end"] W -->|否| Y["pdos: 通过 CoE 读取 PDO 分配和映射"] Y --> X["end: 扫描完成"] style A fill:#c6f6d5,stroke:#68d391 style X fill:#c6f6d5,stroke:#68d391 style T fill:#c6f6d5,stroke:#68d391

2.5 扫描获取的从站信息

阶段	读取内容	寄存器 / 方法	存储位置
start	分配站地址	APWR → 0x0010	`slave->station_address`
state	AL 状态	FPRD → 0x0130	`slave->current_state`
base	类型、版本、端口数、FMMU/SM 数、DC 能力	FPRD → 0x0000-0x000B	`slave->base_*`
base (端口)	4 个端口类型描述	0x0007 byte → 2-bit/port	`slave->ports[i].desc`
dc_cap	是否有系统时间寄存器	FPRD → 0x0910, 检查 WKC	`slave->has_dc_system_time`
dc_times	4 端口 DC 接收时间	FPRD → 0x0900 (16 bytes)	`slave->ports[i].receive_time`
datalink	各端口链路状态	FPRD → 0x0110	`slave->ports[i].link`
sii_identity	Alias, Vendor ID, Product Code, Serial	EEPROM words 0x04-0x0E	`slave->sii_image->sii.*`
sii_parse	Strings (0x0A), General (0x1E), Syncs (0x29), TxPDO (0x32), RxPDO (0x33)	EEPROM Category 遍历	`slave->sii_image->sii.*`
sync	已配置的邮箱 SM 偏移/大小	FPRD → 0x0800	`slave->configured_{rx,tx}_mailbox_*`
pdos	CoE PDO 分配和映射（若支持）	CoE SDO 读	`slave->sii_image->sii.pdos`

2.6 EEPROM (SII) Category 解析

在 sii_parse 阶段，Slave Scan FSM 解析 EEPROM 中的 Category 数据：

Category 类型	内容	解析函数
0x000A	字符串表	`ec_slave_fetch_sii_strings()`
0x001E	General（设备名称、分组、物理层、CoE 详情）	`ec_slave_fetch_sii_general()`
0x0028	FMMU 描述（跳过）	—
0x0029	Sync Manager 描述	`ec_slave_fetch_sii_syncs()`
0x0032	TxPDO（从站→主站）映射	`ec_slave_fetch_sii_pdos(EC_DIR_INPUT)`
0x0033	RxPDO（主站→从站）映射	`ec_slave_fetch_sii_pdos(EC_DIR_OUTPUT)`
0xFFFF	结束标记	—

2.7 `ethercat graph` 命令的拓扑信息来源

tool/CommandGraph.cpp 通过 ioctl 从内核获取已扫描的从站拓扑信息，转换为 DOT 图形语言输出。

数据获取路径

sequenceDiagram participant CG as CommandGraph (用户空间) participant MD as MasterDevice participant DEV as /dev/EtherCAT0 participant KRN as 内核 Master (ioctl 处理) participant SLV as ec_slave_t 数组 CG->>MD: getMaster(&master) MD->>DEV: ioctl(EC_IOCTL_MASTER) DEV->>KRN: ec_ioctl_master() KRN->>KRN: 读取 master->slave_count KRN-->>CG: slave_count = N loop i = 0 到 N-1 CG->>MD: getSlave(&slave, i) MD->>DEV: ioctl(EC_IOCTL_SLAVE, {position=i}) DEV->>KRN: ec_ioctl_slave() KRN->>SLV: ec_master_find_slave_const(master, 0, i) KRN->>KRN: 复制 ports[i].desc, .link, .receive_time KRN->>KRN: ports[i].next_slave → ring_position (指针转为 ring_position 索引) KRN->>KRN: 复制 dc_supported, dc_range, transmission_delay 等 KRN-->>CG: ec_ioctl_slave_t 结构体 end Note over CG: 根据 ports[i].next_slave 构建 DOT 边 CG->>CG: 输出 DOT 格式拓扑图

ioctl 接口中的拓扑信息转换

关键转换发生在 master/ioctl.c 的 ec_ioctl_slave() 函数中：

内核数据结构	ioctl 输出字段	转换说明
`slave->ports[i].next_slave` (`ec_slave_t *` 指针)	`data.ports[i].next_slave` (`uint16_t`)	指针 → `ring_position` 索引 NULL → 0xFFFF（无连接）
`slave->ports[i].desc`	`data.ports[i].desc`	直接复制端口类型枚举
`slave->ports[i].link`	`data.ports[i].link`	直接复制链路状态
`slave->ports[i].receive_time`	`data.ports[i].receive_time`	直接复制 DC 接收时间
`slave->ports[i].delay_to_next_dc`	`data.ports[i].delay_to_next_dc`	直接复制延迟值

CommandGraph DOT 输出逻辑

CommandGraph::execute() 的 DOT 生成逻辑：

创建 "master" 节点，连接到第一个从站 (slave0) 的端口 0
遍历所有从站，创建节点，标签包含 position / alias:pos / order / DC 信息
遍历每个从站的端口 1-3（跳过端口 0，它是 upstream）：
- 若 next_slave != 0xFFFF，创建边 slaveN -- slaveM
- 边标签包含：端口索引、DC 延迟、CRC 错误（可选）
- 端口媒体类型（MII/EBUS）作为边标签

重要说明

ethercat graph 本身不进行任何扫描或拓扑计算。它只是从内核读取已经扫描完成的拓扑数据并格式化输出。所有拓扑计算（upstream_port 判定、next_slave 指针赋值、延迟计算）都在内核的扫描阶段完成。

2.8 PDO 映射构建

PDO 映射有两个来源：

EEPROM SII：在 sii_parse 阶段从 EEPROM Category 0x32/0x33 解析
CoE 在线读取：在 pdos 阶段通过 CoE SDO 从已进入 Pre-Op 的从站读取 PDO 分配和映射

CoE 在线读取会覆盖 EEPROM 中的 PDO 数据（如果从站支持 CoE），因为 CoE 能获取运行时动态配置的 PDO 映射。

源码分析

Slave Scan FSM 状态函数清单

源文件: master/fsm_slave_scan.c, master/fsm_slave_scan.h

状态函数	行号	Datagram	职责	下一状态
`state_start`	211	APWR	APWR 分配站地址到 0x0010	state_address
`state_address`	229	—	验证地址写入 (WKC=1)	state_state
`state_state`	268	FPRD 0x0130	读取 AL 状态	state_base
`state_base`	314	FPRD 0x0000 (12B)	读取基础信息：type/revision/ports/FMMU/SM/DC	state_dc_cap 或 enter_datalink
`state_dc_cap`	390	FPRD 0x0910	检测是否有系统时间寄存器 (WKC 判断)	state_dc_times
`state_dc_times`	437	FPRD 0x0900 (16B)	读取 4 端口接收时间，检测 bypassed	enter_datalink
`state_datalink`	680	FPRD 0x0110	读取数据链路状态	enter_assign_sii / enter_sii_identity / enter_attach_sii
`state_assign_sii`	726	FPWR 0x0500	[EC_SII_ASSIGN] 分配 SII 访问给 EtherCAT	enter_sii_identity / enter_attach_sii
`state_sii_identity`	768	SII FSM	[EC_SII_CACHE] 读 EEPROM alias/serial/vendor/product	enter_attach_sii
`state_sii_device`	850	SII FSM	[EC_SII_OVERRIDE] 读 EEPROM 前 16 words 获取设备 ID	enter_sii_request
`state_sii_request`	984	异步	[EC_SII_OVERRIDE] 请求固件覆盖 SII	state_sii_size / state_sii_parse
`state_sii_size`	1042	SII FSM	遍历 Category 直到 0xFFFF，确定 EEPROM 大小	state_sii_data
`state_sii_data`	1138	SII FSM	逐 word 读取完整 EEPROM 内容	state_sii_parse
`state_sii_parse`	1192	—	解析 Category：strings/general/syncs/PDOs	enter_regalias / enter_preop / state_end
`state_mailbox_cleared`	1562	—	清空邮箱旧数据，分配邮箱缓冲区	enter_pdos / state_end
`state_regalias`	1376	FPRD 0x0012	[EC_REGALIAS] 从寄存器读 alias	enter_preop / state_end
`state_preop`	1463	Slave Config FSM	请求进入 Pre-Op（委托给 fsm_slave_config）	enter_clear_mailbox
`state_sync`	1483	FPRD 0x0800	读取已配置的邮箱 SM 偏移和大小	enter_clear_mailbox
`state_pdos`	1634	PDO FSM	通过 CoE SDO 读取 PDO 分配和映射	state_end
`state_retry`	1656	—	扫描失败重试入口	state_retry_wait
`state_retry_wait`	1673	—	等待 SCAN_RETRY_TIME (100ms) 后重试	state_start
`state_end`	1704	—	扫描完成（终态）	—
`state_error`	1693	—	扫描失败（终态）	—

Master FSM 扫描关键代码

源文件: master/fsm_master.c

从站数组分配 (`ec_fsm_master_state_broadcast`, line 263)

当 BRD 检测到从站数量变化时：

ec_master_clear_slaves(master) — 清除旧从站列表
kmalloc(sizeof(ec_slave_t) * count) — 分配从站数组
遍历初始化每个 ec_slave_t：设置 ring_position, station_address = i + 1, device_index
进入 DC 旧时间读取 → 地址清除 → 延迟测量 → 扫描

并行扫描启动 (`ec_fsm_master_state_dc_measure_delays`, line 993)

DC 延迟测量完成后，进入并行扫描阶段：

对每个从站调用 ec_fsm_slave_set_ready(&slave->fsm)，标记为可扫描
每个从站的 Slave FSM 在各自的 fsm_slave 线程上下文中独立执行扫描
Master FSM 进入 state_scan_slave 轮询等待所有从站完成

扫描完成后 (`ec_fsm_master_state_scan_slave`, line 1048)

所有从站扫描完成后：

ec_master_attach_slave_configs(master) — 将应用层配置匹配到从站
ec_master_calc_dc(master) — 计算拓扑树和传输延迟
ec_master_eoe_start(master) — 启动 EoE 处理

拓扑计算源码分析

`ec_slave_calc_upstream_port()` (slave.c:1085)

根据端口接收时间判定 upstream 端口：

初始 upstream_port = 0
遍历端口 1-3，找接收时间最小的开放端口
若端口 0 已关闭/bypassed，则任何开放端口都优于它
不支持 DC 的从站默认端口 0

`ec_master_calc_topology_rec()` (master.c:2634)

递归构建拓扑树。关键代码逻辑：

// master/master.c : 2634
int ec_master_calc_topology_rec(
        ec_master_t *master, ec_slave_t *upstream_slave,
        unsigned int *slave_position)
{
    ec_slave_t *slave = master->slaves + *slave_position;
    // 端口遍历顺序：跳过 upstream，按 next_table 顺序
    static const unsigned int next_table[EC_MAX_PORTS] = {3, 2, 0, 1};

    slave->ports[slave->upstream_port].next_slave = upstream_slave;

    port_index = next_table[slave->upstream_port];
    while (port_index != slave->upstream_port) {
        if (!slave->ports[port_index].link.loop_closed) {
            // 链路开放的端口 → 有下游从站
            *slave_position = *slave_position + 1;
            slave->ports[port_index].next_slave =
                master->slaves + *slave_position;
            ec_master_calc_topology_rec(master, slave, slave_position);
        }
        port_index = next_table[port_index];
    }
}

ioctl 拓扑数据传递

源文件: master/ioctl.c

`ec_ioctl_slave()` (ioctl.c:216)

将内核 ec_slave_t 结构体转换为用户空间 ec_ioctl_slave_t：

// master/ioctl.c : 297
for (i = 0; i < EC_MAX_PORTS; i++) {
    data.ports[i].desc = slave->ports[i].desc;
    data.ports[i].link = slave->ports[i].link;
    data.ports[i].receive_time = slave->ports[i].receive_time;
    // 关键：将内核指针转为 ring_position 索引
    if (slave->ports[i].next_slave) {
        data.ports[i].next_slave =
            slave->ports[i].next_slave->ring_position;
    } else {
        data.ports[i].next_slave = 0xffff; // 无连接
    }
    data.ports[i].delay_to_next_dc =
        slave->ports[i].delay_to_next_dc;
}

CommandGraph 源码分析

源文件: tool/CommandGraph.cpp

核心 execute() 方法逻辑 (line 92)

解析参数（DC / CRC 选项）
m.getMaster(&master) → ioctl(EC_IOCTL_MASTER) 获取 slave_count
循环 m.getSlave(&slave, i) → ioctl(EC_IOCTL_SLAVE) 获取每个从站信息
[CRC 模式] 通过 m.readReg(&io) → ioctl(EC_IOCTL_SLAVE_REG_READ) 读 0x0300 寄存器获取 CRC 错误
生成 DOT 格式输出

DOT 边生成逻辑 (line 229)

// tool/CommandGraph.cpp : 229
// 遍历端口 1-3（跳过端口 0 = upstream）
for (int port = 1; port < EC_MAX_PORTS; port++) {
    uint16_t next_pos = si->ports[port].next_slave;
    if (next_pos == 0xffff) continue; // 无连接

    // 创建边：当前从站 → 下游从站
    cout << "slave" << si->position << " -- "
         << "slave" << next_pos
         << " [taillabel=\"" << port    // 当前端口索引
         << "\",headlabel=\"0"           // 对端始终是端口 0
         << "\",label=\"" << media      // MII/EBUS
         << "\"]";
}

DOT 边方向说明: CommandGraph 只遍历端口 1-3，因为端口 0 是 upstream（指向主站方向的父节点）。每条边表示一个从站的非 upstream 端口连接到下一个从站的端口 0（即下游从站的 upstream 端口）。0xFFFF 表示端口无连接（线型拓扑末端或星型拓扑未使用的端口）。

完整拓扑扫描时序图

sequenceDiagram participant IDLE as IDLE 线程 participant MFSM as Master FSM participant SSFSM as Slave Scan FSM (每个从站独立) participant SII as SII FSM participant BUS as EtherCAT 总线 loop 每个 IDLE 循环 IDLE->>MFSM: ec_fsm_master_exec() MFSM->>BUS: BRD 读取 0x0130 (从站数量) BUS-->>MFSM: WKC = N (slaves_responding) end Note over MFSM: 检测到从站数量变化 MFSM->>MFSM: kmalloc ec_slave_t[N] MFSM->>MFSM: 初始化 ring_position, station_address loop 所有从站 MFSM->>BUS: APRD 0x0900 (旧 DC 接收时间) end MFSM->>BUS: BWR 0x0010 = 0 (清除所有站地址) MFSM->>BUS: BWR 0x0900 = 0 (DC 延迟测量) Note over MFSM: 设置所有从站 fsm_ready 触发并行扫描 par 从站 0 扫描 SSFSM->>BUS: APWR 0x0010 = 1 (分配地址) SSFSM->>BUS: FPRD 0x0000 (基础信息) SSFSM->>BUS: FPRD 0x0900 (DC 时间) SSFSM->>BUS: FPRD 0x0110 (DL 状态) SSFSM->>SII: 读 EEPROM (SII FSM) SII->>BUS: FPRD 读 EEPROM SSFSM->>SSFSM: 解析 Category SSFSM->>SSFSM: [CoE] 读取 PDO 映射 and 从站 1 扫描 (并行) SSFSM->>BUS: APWR 0x0010 = 2 SSFSM->>BUS: FPRD 0x0000 SSFSM->>SII: 读 EEPROM SSFSM->>SSFSM: 解析 Category and 从站 N-1 扫描 (并行) SSFSM->>BUS: APWR 0x0010 = N SSFSM->>BUS: FPRD 0x0000 SSFSM->>SII: 读 EEPROM end MFSM->>MFSM: 所有从站扫描完成 MFSM->>MFSM: ec_master_calc_dc() MFSM->>MFSM: calc_upstream_port() × N MFSM->>MFSM: calc_topology_rec() 递归建树 MFSM->>MFSM: calc_transmission_delays() MFSM->>MFSM: attach_slave_configs()

posted @ 2026-04-14 21:49 沐多阅读(294) 评论(0) 收藏举报

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