3.4 EtherCAT从站控制器的数据链路控制

（1）数据链路层概述

1）标准IEEE802.3以太网帧

① 对EtherCAT主站没有特殊要求。

② 标准以太网基础设施。

2）IEEE注册EtherType：88A4h

① 优化的帧开销。

② 不需要IP栈。

③ 简单的主实现。

3） 通过Internet进行EtherCAT通信

4） 从属侧的帧处理

EtherCAT从站控制器以硬件方式处理帧。

5） 通信性能独立于处理器能力

（2）数据链路层的作用

1）数据链路层链接物理层和应用层

2） 数据链路层负责底层通信基础设施

① 链接控制。

② 访问收发器（PHY）。

③ 寻址。

④从站控制器配置。

⑤EEPROM访问。

⑥ 同步管理器配置和管理。

⑦FMMU配置和管理。

⑧ 过程数据接口配置。

⑨ 分布式时钟。

⑩ 设置AL状态机交互。

3.4.1 EtherCAT从站控制器的数据帧处理

EtherCAT从站控制器的帧处理顺序取决于端口数和芯片模式（使用逻辑端口号），其帧处理顺序见表3-39。

数据帧在EtherCAT从站控制器内部的处理顺序取决于所使用的端口数目，在EtherCAT从站控制器内部经过数据帧处理单元的方向称为“处理”方向，其他方向称为“转发”方向。

每个EtherCAT从站控制器可以最多支持4个数据收发端口，每个端口都可以处在打开或闭合状态。如果端口打开，则可以向其他EtherCAT从站控制器的发送数据帧，或从其他EtherCAT从站控制器接收数据帧。一个闭合的端口不会与其他EtherCAT从站控制器交换数据帧，它在内部将数据帧转发到下一个逻辑端口，直到数据帧到达一个打开的端口。

EtherCAT从站控制器内部数据帧处理过程如图3-28所示。

EtherCAT从站控制器支持EtherCAT、UDP/IP 和VLAN（VirtualLocalAreaNetwork）数据帧类型，并能处理包含EtherCAT数据子报文的EtherCAT数据帧和UDP/IP数据帧，也能处理带有VLAN标记的数据帧，此时VLAN设置被忽略而VLAN标记不被修改。

由于ET1100、ET1200和EtherCAT从站没有MAC地址和IP地址，它们只能支持直连模式或使用管理型的交换机实现开放模式，由交换机的端口地址来识别不同的EtherCAT网段。

EtherCAT从站控制器修改了标准以太网的数据链路DL（DataLink），数据帧由Ether-CAT从站控制器直接转发处理，从而获得最小的转发延时和最短的周期时间。为了降低延迟时间，EtherCAT从站控制器省略了发送FIFO。但是，为了隔离接收时钟和处理时钟，EtherCAT从站控制器使用了接收FIFO（RXFIFO）。RXFIFO的大小取决于数据接收方和数据发送方的时钟源精度，以及最大的数据帧字节数。主站可以通过设置数据链路DL 控制寄存器（0x0100～0x0103）的位16～18来调整RXFIFO，但是不允许完全取消RXFIFO。默认的RXFIFO可以满足最大的以太网数据帧和100ppm的时钟源精度。使用25ppm 的时钟源精度可以将RXFIFO设置为最小。

EtherCAT从站控制器的转发延时由RXFIFO的大小和ESC数据帧处理单元延迟决定，而EtherCAT从站的数据帧传输延时还与它使用的物理层器件有关，使用MII接口时，由于PHY芯片的接收和发送延时比较大，一个端口的传输延时约为500ns；使用EBUS接口时，延时较小，通常约为100ns，EBUS最大传输距离为10m。

3.4.2 EtherCAT从站控制器的通信端口控制

EtherCAT从站控制器端口的回路状态可以由主站写数据链路DL控制寄存器（0x0100～0x0103）来控制。

EtherCAT从站控制器支持强制回路控制（不管连接状态如何都强制打开或闭合），以及自动回路控制（由每个端口的连接状态决定打开或闭合）。

在自动模式下，如果建立连接则端口打开，如果失去连接则端口闭合。端口失去连接而自动闭合，再次建立连接后，它必须被主动打开，后者端口收到有效的以太网数据帧后也可以自动打开。

EtherCAT从站控制器端口的状态可以从DL状态寄存器（0x0110～0x0111） 中读取。

EtherCAT从站控制器数据链路层控制和状态寄存器描述见表3-40。

1.通信端口打开的条件

通信端口由主站控制，从站微处理器或微控制器不操作数据链路。端口被使能，而且满足如下任一条件时，端口将被打开。

1）DL控制寄存器中端口设置为自动时，端口上有活动的连接。

2）DL控制寄存器中回路设置为自动闭合时，端口上建立连接，并且向寄存器0x0100相应控制位再次写入0x01。

3）DL控制寄存器中回路设置为自动闭合时，端口上建立连接，并且收到有效的以太网数据帧。

4）DL控制寄存器中回路设置为常开。

2.通信端口闭合的条件

满足以下任一条件时，端口将被闭合。

1）DL控制寄存器中端口设置为自动时，端口上没有活动的连接。

2）DL控制寄存器中回路设置为自动闭合时，端口上没有活动的连接，或者建立连接后没有向相应控制位再次写入0x01。

3）DL控制寄存器中回路设置为常闭。

当所有的通信端口不论是因为强制还是自动而处于闭合状态时，端口0都将打开作为回复端口，可以通过这个端口实现读/写操作，以便修改DL控制寄存器的设置。此时DL状态寄存器仍然反映正确的状态。

3.4.3 EtherCAT从站控制器的数据链路错误检测

EtherCAT从站控制器在两个功能块中检测EtherCAT数据帧错误，即自动转发模块和EtherCAT数据帧处理单元。

1.自动转发模块检测到的错误

自动转发模块能检测到的错误如下：

1） 物理层错误（RX错误）。

2）数据帧过长。

3）CRC校验错误。

4） 数据帧无以太网起始符SOF（StartOfFrame）。

2.EtherCAT数据帧处理单元检测到的错误

EtherCAT数据帧处理单元可以检测到的错误如下。

1） 物理层错误（RX错误）。

2） 数据帧长度错误。

3） 数据帧过长。

4）数据帧过短。

5）CRC检验错误。

6）非EtherCAT数据帧（若0x100.0为1）。

EtherCAT从站控制器的寄存器有一些错误指示寄存器用来监测和定位错误。数据链路错误计数器描述见表3-41。所有计数器的最大值都为0xFF，计数到达0xFF后停止，不再循环计数，须由写操作来清除。EtherCAT从站控制器可以区分首次发现的错误和其之前已经检测到的错误，并且可以对接收错误计数器和转发错误计数器进行分析及错误定位。

3.4.4 EtherCAT从站控制器的数据链路地址

EtherCAT通信协议使用设置寻址时，有两种从站地址模式。

EtherCAT从站控制器的数据链路地址寄存器描述见表3-42，表3-42中列出了两种设置站点地址时使用的寄存器。

1.通过主站在数据链路启动阶段配置给从站

主站在初始化状态时，通过使用APWR命令，写从站寄存器0x0010～0x0011，为从站设置一个与连接位置无关的地址，在以后的运行过程中使用此地址访问从站。

2.通过从站在上电初始化时从配置数据存储区装载

每个EtherCAT从站控制器均配有EEPROM存储配置数据，其中包括一个站点别名。

EtherCAT从站控制器在上电初始化时自动装载EEPROM中的数据，将站点别名装载到寄存器0x0012～0x0013。

主站在链路启动阶段使用顺序寻址命令APRD读取各个从站的设置地址别名，并在以后运行中使用。使用别名之前，主站还需要设置DL控制寄存器0x0100～0x0103的位24为1，通知从站将使用站点别名进行设置地址寻址。

使用从站别名可以保证即使网段拓扑改变或者添加或取下设备时，从站设备仍然可以使用相同的设置地址。

3.4.5 EtherCAT从站控制器的逻辑寻址控制

EtherCAT子报文可以使用逻辑寻址方式访问EtherCAT从站控制器内部存储空间，Eth-erCAT从站控制器使用FMMU通道实现逻辑地址的映射。

每个FMMU通道使用16个字节配置寄存器，从0x0600开始。FMMU通道配置寄存器描述见表3-43。