一、EtherCAT 简介

EtherCAT（Ethernet Control Automation Technology）是一种工业以太网现场总线，它将计算机网络中的以太网技术应用于工业自动化领域，构成工业控制以太网（工业以太网、工业以太网现场总线）。

其以太网数据帧的数据区由多个子报文组成，每个子报文都服务于一个特定的逻辑映像区。在数据传输过程中，读取数据时，每个设备中的 FMMU（Fieldbus Memory Management Unit，现场总线内存管理单元）会在数据帧通过时，读出该数据帧中映射到此设备的逻辑地址中的数据（如数字伺服控制指令数据）；输入数据（如数字伺服状态数据）则可在数据帧通过时插入到相应的逻辑地址区中，且数据帧在整个过程仅有几纳秒的延时。

通常每个通信周期只需要传输一个以太网数据帧，这个数据帧沿着逻辑环传输一周，就能完成所有的广播式、多播式以及从站间的通信。

EtherCAT 协议基于以太网接口，在 MAC（介质访问控制）层上增加一个确定性调度的软件层，该软件层实现了通信周期内的数据交换。在高层协议中，EtherCAT 并没有定义任何设备规范，而是支持现有的各种设备规范和服务，方便用户和设备生产商从现有的现场总线标准移植到 EtherCAT。

二、EtherCAT 相关协议

常用的高层协议包括：

FoE（File over EtherCAT）：可通过网络访问设备中的文件，以及将统一的固件跨网络上传到设备，无需 TCP/IP 协议堆栈。

EoE（Ethernet over EtherCAT）：可以在 EtherCAT 网段实现以太网数据的传输。

SoE（SERCOS over EtherCAT）：基于 SERCOS 协议，SERCOS 是一种实时通信接口，尤其适用于运动控制。

CoE（CANopen over EtherCAT）：基于 CANopen 协议。

AoE（ADS over EtherCAT）：基于邮箱的客户端 - 服务器协议。

三、相关概念

Ethernet（以太网）：计算机网络中常用的局域网技术。

MAC（介质访问控制）：以太网中的数据链路层协议子层，负责控制对物理介质的访问。

CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路访问机制）：传统以太网采用的介质访问控制方法。

实时以太网（RTE，Real Time Ethernet）：能满足实时性要求的以太网技术。

IEC61158：工业通信网络 —— 现场总线规范，包括了 10 种工业以太网协议标准。

IEC61784：工业通信网络 —— 行规规范，为 IEC61158 中的现场总线标准制定了应用行规标准。

根据不同的实时性和成本要求，实时以太网大致可分为三种：

基于 TCP/IP 的实现（如 Modbus/TCP、Ethernet/IP）：使用 TCP/IP 协议栈，可以与商用网络自由地通信。

基于以太网的实现（如 Ethernet Powerlink）：使用标准的以太网通信硬件，采用专门的过程数据传输协议。

修改以太网的实现（如 EtherCAT）：能获得响应时间小于 1ms 的硬实时性能，由专门的硬件实现，由实时 MAC 接管通信控制。

四、EtherCAT 从属控制功能模块

EBUS（EtherCAT 接口）：用于连接其他 EtherCAT 从机或主机，EtherCAT 从站支持 24 端口，编号为 0-3。

EPU（EtherCAT 处理单元）：负责接收、分析、处理数据流，主要功能是协调对 ESC（EtherCAT Slave Controller，EtherCAT 从站控制芯片）内存数据的访问（如 SM、FMMU 对内存的访问），还负责实现自动转发、数据回环等功能。

自动转发：由 EPU 实现，自动转发接收到的以太网帧并执行帧检查，生成接收时间戳。

数据回环：由 EPU 实现，当某个端口不可用、没有连接链路或环路已关闭时，数据到达此处后，会自动转发到下一个端口。

FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）：将逻辑地址逐位映射到物理地址。

SM（Sync Manager，同步管理器）：负责实现数据交换的一致性（同步），可以分别配置为读或写的数据方向，一般使用两个 SM 通道分别处理读写请求。

监视单元：包含错误计数器和看门狗，看门狗用于在错误发生后返回安全状态，错误计数器用于错误检测和分析。

PHY 管理单元：通过 MII 接口与以太网 PHY 通信，可以在接收到错误以太网帧时，自动协商启动重传。

分布时钟：实现整个 EtherCAT 网络的同步。

存储空间：共 64K，前 4K 为寄存器和用户存储器空间，后 60K 为进程存储器。ESC 的内存可以由主站和连接的微控制器直接寻址，ESC 中的寄存器（0x0000-0x0f7f）有影子缓冲区，在一个帧期间收到的数据首先存放在影子缓冲区，校验无误之后再写入寄存器，用户和进程存储空间没有影子缓冲区。