SylixOS实时以太网浅析

 

1. 应用场景

   工业以太网技术将成为工业控制网络和现场总线的主流技术，但传统以太网介质访问控制方式——带有冲突检测的载波侦听多路访问机制CSMA/CD，即：当一个节点要发送数据时，首先监听信道；如果信道空闲就发送数据，并继续监听；如果在数据发送过程中监听到了冲突，则立刻停止数据发送，等待一段随机的时间后，重新开始尝试发送数据。这种方式是一种非确定性的介质访问控制方式，不能满足工业现场的实时性要求。针对这种情况，业界提出了工业以太网新标准。当然，随着机器人、伺服驱动、数控系统的发展，实时以太网的趋势也越来越明显。
   

    

2. 技术实现

   SylixOS在AM335X开发板上实现了EtherCat实时以太网，经过长时间测试，可以驱动6轴联动。下面将从驱动，收发包方式，收发包周期控制三个方面分析。

   2.1驱动层面的分析

   SylixOS提供网卡驱动框架，编写一个网卡驱动变得十分简单，主要需要实现网卡初始化、收包、发包、中断处理、控制等几个驱动函数。图 21为网卡驱动框架简图。

   

   图 21网卡驱动框架简图

   在接收中断服务例程中，只通知t_netjob任务接收报文，不做网络包的接收，防止中断处理时间过长。图 22为接收中断服务例程。

   

   图 22接收中断服务例程

   2.2 收发包方式的分析

   根据EtherCat协议，时间关键的数据采用周期性过程数据的通信方式，非时间关键的数据采用非周期性通信方式。图 23 为EtherCat通信参考模型。

   

   图 23EtherCat通信参考模型

   SylixOS提供AF_PACKET链路层通信，专门针对EtherCat协议，用于实现高速实时数据通信。在数据传输过程中，因为用户希望数据直接通过网络接口收发包，不经过协议栈，则可以用这个协议域。在运动控制中，主站也可以通过这个协议域得到从站的MAC地址，在使用上它有两种方式，一种方式是用户直接用send、recv类函数进行收发，还有一种是mmap内存映射，可以有效减少内存拷贝的次数，图 24为SylixOS网络架构。

    

   

   图 24 SyLIxOS网络架构

    

   2.3 收发包周期控制的分析

   在实时以太网应用中，用户对于收发包周期有严格的要求，尽量避免发生抖动，因为抖动可能会导致收发包的精度下降。但在数据传输过程中，收发包的时间不可避免。比如有一种需求是用户希望收发包的整个周期是一个600us的过程，但在实际开发过程中，收发包的时间无法准确估计，如何保证整个周期的时间就是600us，过去一般是通过延时一个比600us稍短的时间，以达到整个周期的时间接近600us的目的，但SylixOS提供了更好的解决方法——速率单调调度RMS，为周期性任务解决多任务调度冲突的一种非常好的方法，RMS基于任务的周期指定优先级。在使用中只需要将周期时间参数告诉系统，系统会自动调整周期内的延时时间，如果在600us内都没有跑完周期性任务，系统是会报错的。用户在做这种周期性的开发是很方便的，不需要再去微调延时时间。下面用一段伪代码简单介绍一下RMS的使用方法。图 25为RMS使用范例，设置RMS调度器时间为3秒，代码执行时间随机产生，最终测试结果为3秒打印一次。

   

   图 25 RMS使用范例

    

   在工业实时以太网的应用过程中，不仅需要对实时性有要求，对于准确性有着更高的要求，SylixOS从驱动层到用户层全面保证。我们后续还将推出工业系统现场总线解决方案包。