基于KPA协议栈+X86平台的EtherCAT实现(二)

第三节 KPA EtherCAT主站简介和移植

3.1 主站硬件简介

从理论上讲，任何带有一个或以上标准以太网接口的硬件设备都可以运行EtherCAT主站。只是不同的硬件平台，CPU，网卡，操作系统不同，能达到的EtherCAT性能也不同。但为了保证实时性，一般会建议采用实时性能更好的网卡，比如X86方案的I1210、Pro1000、Pro100等；ARM方案则选ARM厂家优化后的网卡；FPGA则可以用KPA另外做好优化的FPGA的IPcore再外挂实时网卡实现。
在本例中，采用的是X86的硬件平台，CPU型号为Intel(R)Core(TM) i7-3840QMProcessor，该型号四核八线程，主频2.80GHz，睿频3.80GHz，缓存8M SmartCache，总线速度5GT/s DMT。

具体介绍请参考链接：
http://ark.intel.com/zh-cn/products/70846/Intel-Core-i7-3840QM-Processor-8M-Cache-up-to-3_80-GHz?q=i7-3840QM
网卡型号是Intel(R) 82579LM Gigabit Network Connection。该网卡是Intel官方出品的一款通用级别的网卡，最高速达到千兆，兼容百兆/千兆网口。如果使用的是Intel的I210系列的网卡，那么性能会更上一层楼。具体介绍请参考链接：
http://ark.intel.com/zh-cn/products/47620/Intel-82579LM-Gigabit-Ethernet-PHY
为了连接EtherCAT网络配置诊断工具KPAStudio，本例中的主站还外置了一块普通的USB网卡。
主站硬件框架如图6所示。
               

图6 主站硬件框架图

3.2 主站软件简介

KPA EtherCAT主站是几乎满足目前所有用户主站开发要求的一款主站方案，提供了多种不同硬件平台和OS的现成开发包，支持SoC（ARM+FPGA）/ARM/X86 /PowerPC等主流硬件平台，支持Linux（Xenomai/RT-preempt）/ Windows(INtime/RTX)/ QNX/ Ucos/ Vxworks等。
在本例中，采用的是硬件平台是X86，操作系统为Linux3.8.13(带Xenomai2.6.3实时补丁)。
KPA EtherCAT主站结构框架如图7所示。
KPA主站协议栈采用模块化的架构，可以实现每个特殊的项目应用。它使得主站可以自由扩展以适应不同大小的应用程序、可以移植不同的操作系统和各种各样的硬件平台。每个模块可以单独定制化或者二次开发，而且不会破坏其他模块的完整性。

图7 KPAEtherCAT主站结构框架图

KPA EtherCAT Master各模块简介：
Application：用户的应用程序，通过调用主站API函数实现EtherCAT功能，如启动/停止主站，配置主站，更新过程数据（PI）等。
ApplicationLayer：应用层负责连接用户应用程序和EtherCAT主站协议栈。一来提供丰富易用的API函数，用户无需详细协议栈内容，只需调用API函数即可实现EtherCAT完全功能。二来提供RPC Server，该服务器可用于连接网络配置工具KPA Studio。KPA Studio可以远程调试主站，功能包括：配置EtherCAT网络，扫描拓扑结构，设置从站地址和EEPROM信息，显示报文数据和曲线图，网络故障诊断和建议等等。
MailboxModule：EtherCAT邮箱通信模块利用不同的协议处理服务数据对象（SDP），完成其数据传输以及数据交换。支持CoE,FoE，EoE，SoE,VoE，AoE等邮箱服务。
Process ImageModule：Process Image简称PI，过程数据模块，负责处理所有的实时过程数据，它的地址是由EtherCAT network information (ENI) 文件提出的，ENI文件可由配置工具KPAStudio自动生成。
DistributionClock：分布时钟模块，实现分布时钟功能，使得所有的EtherCAT设备（包括主站和从站）总是能够共享相同的EtherCAT系统时钟。
Master threads：主站线程，共三个处理循环，用于初始化EtherCAT帧并传送给帧调度（frame scheduler），其中包括PI更新循环（HI），邮箱通信循环（NR），自恢复与诊断循环（LO）。
所有要求硬实时的任务都必须在HI（PI update cycle）中完成。HI在这三个主站进程中拥有最高的优先级。
NR用于邮箱数据处理。NR的优先级比HI低，但比LO要高。
LO用于改变从站状态，监控，自恢复和诊断。LO并不像HI和NR那样对时序要求非常严格，所以它的优先级是最低的。
Process task（external task）：实现各种控制逻辑的回调函数。每一次更新PI时（即HI进程）都会调用一次Process task。
FrameSchedule Module：帧调度模块，根据帧的优先级把帧转发给EtherCAT网络驱动。
OSAL：操作系统抽象层模块，包含与操作系统相关的功能函数的包装，比如处理线程、计时器、互斥量等。
EtherCAT可以支持很多功能，ETG1500定义了Class A和Class B两种主站类型。其外，KPA还支持一些拓展功能比如：
Data- and Frame-Logger（记录数据和报文）
Access Rights（设置不同的访问权限）
Multi Master（多主站，冗余）
Cable Redundancy （线缆冗余）
Hot-Connect（热插拔）
其他...

3.3 主站EtherCAT移植

主站的EtherCAT移植主要可分为两部分，一部分是操作环境的搭建，另一部分是EtherCAT开发包的编译运行。相应的移植步骤如下：
1)从http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.8.13.tar.gz下载
Linux3.8.13内核源代码，放到Ubuntu电脑中，并解压。
2)从http://xenomai.org/downloads/xenomai/stable/xenomai-2.6.3.tar.bz2下载
Xenomai2.6.3实时补丁源代码，放到Ubuntu电脑中，并解压。
3)打开Linux控制台，进入路径/xenomai-2.6.3/scripts，运行prepare-kernel.sh脚本文件，把路径/xenomai-2.6.3/ksrc/arch/x86/patches下的补丁文件ipipe-core-3.8.13-x86-4.patch打到Linux3.8.13的内核源码中，指令如图8所示。

图8 Linux内核打Xenomai补丁

4)进入Linux-3.8.13的路径，执行make menuconfig，根据自己的需求进行内核功能裁剪，保存退出在当前路径下会自动生成.config文件（该文件为隐藏文件），如图9所示。

图9 配置Linux内核

5)进入Xenomai-2.6.3路径下，安装Xenomai库文件到X86电脑上，指令为：
[tr][/tr][tr][/tr][tr][/tr][tr][/tr]

./configure –prefix=xenomai库存放的路径/xenomaimake install

如图10，即把Xenomai库安装到路径/home/q123/test/xenomai下。

图10 安装Xenomai库

6)回到Linux-3.8.13路径下，编译内核，在上层路径下自动生成内核安装包。指令如图11，12。

图11 编译Linux内核

图12 生成内核安装包

再运行指令安装内核：
[tr][/tr][tr][/tr][tr][/tr][tr][/tr]

sudo dpkg -ilinux-image-3.8.13-21072016_2jq.001_i386.deb

7)最后，重启X86电脑，并用重新安装的内核启动。

至此，环境搭建的部分已经完成，接下来只是安装实时网卡驱动，编译开发包即可。


8)从http://www.rtnet.org/download.html下载实时网卡驱动rtnet-0.9.13.tar.bz2，在Ubuntu电脑上解压。


9)进入rtnet-0.9.13路径下，配置网卡驱动，指令如下（红色部分为网卡型号）：

./configure--enable-rtmac --enable-rtpacket --prefix=/usr/rtnet--enable-e1000e--enable-loopback

然后执行
[tr][/tr][tr][/tr][tr][/tr][tr][/tr]

makemake install modprobee1000e(插入网卡，e100e是本例中用到的网卡型号)

10)下载从KPA申请到试用包后，在Ubuntu电脑上解压，解压得到的内容如图13，其中01_XXXX至17_XXXX命名的是18个样例工程。

图13 KPAEtherCAT主站开发包内容

11)进入MDK_Trial_Xenomai_U_xenomai-2.6_x86_64_v1.5.56202.0/platform/toolchain，找到Makefile.config，打开并修改编译器路径，Xenomai库路径等。如果路径不对，开发包将无法正常编译。如图14。

图14Makefile.config文件修改

12)Makefile.config文件修改后，进入各个样例工程，可进行make编译样例工程。