EtherCAT
（以太网控制自动化技术，Ethernet for Control Automation Technology)
本文用于记录学习，主要摘自此文，侵删
S1 概述
1.1 介绍
由德国倍福（Beckhoff）公司提出的一种实时以太网技术。EtherCAT是一种开放但不开源的技术，意味着您可以任意使用这项技术，但若要进行相关设备的开发，则需要向倍福公司获取相关授权。
1.1.1 主从架构
EtherCAT采用主从式通信结构（Master-Slave），主站是总线的“大脑”，负责通信的发起、处理和调度，从站主要负责接收主站的指令数据并返回结果。同时，EtherCAT具有较高的实时性，有利于高精度控制。
网络组态于PC主机上进行配置，需要使用到相应的EMI（EtherCAT Master Information Files）、ESI（EtherCAT Slave Information Files）文件，经专用配置软件（通常于主站配置软件中集成）进行配置后生成ENI（EtherCAT Network Information Files）文件下载至主站中，主站便依据该文件进行整个网络的识别。
图中关于EtherCAT从站设备的内部组成，即是一个实现EtherCAT协议OSI模型的过程：RJ45网口、PHY物理层芯片用于实现物理层协议；ESC用于实现链路层协议，通常使用倍福官方的ET1100芯片实现；MCU则用于实现应用层协议，需要厂商自行根据相应的协议编写程序代码，或是直接使用协议栈代码实现。
1.1.2 ISO/OSI参考模型
EtherCAT仅使用了物理层、链路层、应用层三层协议，与多数传统的现场总线相同，但相比于其它实时以太网协议，如PROFINET、EtherNet/IP等，其协议栈更加精简。这也是EtherCAT协议的实时性优越于其它实时以太网协议的重要原因之一。
1.2 物理层
采用通RJ45接口、物理层PHY芯片，通信介质可采用TX（双绞线，max:100m）或FX（光纤，max:20km）进行传输，另有LVDS形式可供进行电路板级的协议数据传输。
1.3 链路层
1.3.1 特点
- 采用IEEE 802.3标准以太网帧结构
- 支持UDP，不支持IP协议
- 报文帧的传输要通过专用硬件（如ET1100）
1.3.2 数据帧解析
- Cmd：8bit命令码。具体有RD（读）、WR（写）、RW（读写）等行为，结合下面提到的数种寻址方式（AP、FP、L、B）共同构成命令码部分；
- Idx：8bit索引值，供Master识别该帧；
- Address：32bit寻址方式；
- 广播寻址（B）：每个从站都可识别该帧；
- 自增量寻址（AP）：通常用于主站启动时进行整个网络组态的扫描。从0开始，负自增地识别每个从站（0x0000、0xFFFF、0xFFFE……），每次经过从站都会使帧的地址值-1；
- 定点寻址（FP）：帧包括16bit节点地址与16bit偏移量，max带动65536台从站，每个从站max数据65536个。该帧可以识别
- 逻辑寻址（L）：
- Len：11bit数据段长度，与后面Data段长度对应；
- R：3bit保留位；
- C：1bit帧循环标志；
- M：1bit后续报文标志，0表示当前报文为最后一个报文，1表示后续会提供更多报文；
- IRQ：16bit中断请求标志；
- Data：报文帧数据段，可为0-1486 Bytes；
- FMMU管理机制：用于每个Slave的每个数据进行自身物理地址与通信逻辑地址的映射。对于Master而言同一逻辑地址可以访问多个Slave的物理地址，实现报文1对N访问数据。
- WKC自增计数器：用于校检报文帧的命令是否正确的运行。报文帧的Cmd正确执行后，相应的WKC会自增相应的值。在报文返回Master时会和Master自己计算的MKC进行对比，检验报文帧是否正确执行。
1.4 应用层
EtherCAT应用层支持多种设备行规以实现邮箱通讯，包括CANopen、SERCOS、HTTP等，基于EtherCAT的应用层行规被称为xoE协议（xxx over EtherCAT）。
1.4.1 各种协议
1.4.2 站点状态机
- Init：初始化状态。检查数据链路是否正确，与应用层无数据交互。
- Pre-Op：预操作状态。仅进行邮箱通信，不进行过程数据交互。
- Safe-Op：安全运行状态。可进行邮箱通信，并允许过程数据输入，不可输出。
- OP：操作状态。可进行完全的数据通信，正常的工作状态。
- Bootstrap：引导状态。仅适用于FoE邮箱通信，用于固件更新。
S2 主站（Master）
2.1 SOEM（Simple Open EtherCAT Master）开源协议栈
github-SOEM
EtherCAT 主站协议栈是 EtherCAT 主站的主要功能模块，使用开源 SOEM 协议栈实现，主要功能包括：
- 对EtherCAT数据报文（应用层）封装成数据帧（数据链路层），并发送；
- 接收EtherCAT数据帧（数据链路层），并对数据报文（应用层）进行识别解析；
- 管理Slave状态机，负责其状态配置、切换、维护；
- 进行非周期性邮箱数据通信，完成Slave系统参数配置；
- 进行周期性过程数据通信，周期性与Slave交互PDO (Process Data Object) 数据，通过对 PDO 的操作完成对Slave的控制和监控等功能；
底层数据收发模块实现利用网卡传输数据的功能，主要包括：
（1）将 EtherCAT 主站协议栈封装好的数据通过网卡驱动处理然后从网卡发送给从站；
（2）从网卡接收 EtherCAT 返回数据帧并将其传送给 EtherCAT 主站协议栈。