EtherCAT主站实时性分析

Dear 丶 2022-03-26 05:56 716阅读 0赞

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# 一、实时性的意义    #

在主从DC同步模式下，主站需要以非常精准的时间发送过程数据，如下图所示：

![Center][]

# 二、实时性的关键 #

如下图所示，影响实时性的关键因素是操作系统和网卡驱动，前者需要将过程数据准时送出，后者需要优化网卡驱动，即"准时出发，路上不能耽误"。

![Center 1][]

操作系统的实时性体现在需要非常准时地调用EtherCAT主站协议栈的发送函数，例如SOEM的发送函数是ecx\_send\_processdata()

Etherlab的发送函数为ecrt\_master\_send()。

采用Linux系统时，需要打上实时补丁，如Xenomai、RTAI、OSADL等。

标准Linux下的网卡驱动是为通用的网络通信设计的，网络数据穿过TCP/IP协议栈是一个非常漫长的过程，其中包括各种安全性检查、路由、出入队列、分片和重组等等，这其中有很多的不确定性，所以在EtherCAT主站开发中需要优化网卡驱动，使EtherCAT数据

绕过TCP/IP协议栈。

# 三、移植网卡驱动 #

在Etherlab的说明文档中给出了改造标准网卡驱动的三个基本点，如下：

(1)禁用netif\_\*()

(2)禁用中断

(3)重复利用socket buffer

接下来以EtherLAB源码中移植好的网卡驱动RealTek RTL-8139为例进行说明。

## 1、禁用netif\_\*() ##

在网卡驱动程序中的接收函数rtl8139\_rx()中，netif\_receive\_skb (skb)负责将数据包传递给TCP/IP协议栈，

将其改成由EtherCAT主站直接处理。

改造前：

//8139too-3.4-orig.c

static int rtl8139\_rx(struct net\_device \*dev, struct rtl8139\_private \*tp,  
int budget)  
\{

......

netif\_receive\_skb (skb);//将数据包提交给TCP/IP协议栈处理

......

改造后：

//8139too-3.4-ethercat.c

static int rtl8139\_rx(struct net\_device \*dev, struct rtl8139\_private \*tp,  
int budget)  
\{

......

if (tp->ecdev) \{ //作为EtherCAT使用时直接交给EtherCAT协议栈处理，绕过TCP/IP协议栈  
ecdev\_receive(tp->ecdev,  
&rx\_ring\[ring\_offset + 4\], pkt\_size);  
dev->last\_rx = jiffies;  
dev->stats.rx\_bytes += pkt\_size;  
dev->stats.rx\_packets++;  
\}

else

......

netif\_receive\_skb (skb);

......

## 2. 禁用中断 ##

Linux标准网卡驱动中，采用中断方式收发网络数据包，较新的网卡驱动中采用NAPI（中断和轮询相结合），而EtherCAT通信中,EtherCAT主站发出过程数据包后，主站非常清楚数据包什么时候返回主站，因此不需要采用中断的方式，而由主站直接查询和处理返回的过程数据包。

改造前：

//8139too-3.4-orig.c

static int rtl8139\_open (struct net\_device \*dev)

......

retval = request\_irq (dev->irq, rtl8139\_interrupt, IRQF\_SHARED, dev->name, dev); //向内核注册中断

......

改造后：

//8139too-3.4-ethercat.c

static int rtl8139\_open (struct net\_device \*dev)  
\{

......

if (!tp->ecdev) \{  
retval = request\_irq(dev->irq, rtl8139\_interrupt, //作为普通网卡时才注册中断  
IRQF\_SHARED, dev->name, dev);  
if (retval)  
return retval;  
\}

......

void ec\_poll(struct net\_device \*dev)  
\{  
rtl8139\_interrupt(0, dev);  
\}

函数调用关系为：ec\_poll()->rtl8139\_interrupt()->rtl8139\_rx()->ecdev\_receive();

## 3. 重复利用Socket buffer ##

Linux标准网卡驱动中，将数据包发送后将释放数据包所占用的内存，或者放回预先分配的内存池中，

而EtherCAT通信中，只需重复使用其中的一两个缓存即可，这样可以节省为数据包分配和释放内存的时间。

改造前：

//8139too-3.4-orig.c

static netdev\_tx\_t rtl8139\_start\_xmit (struct sk\_buff \*skb,  
struct net\_device \*dev)  
\{

......

dev\_kfree\_skb(skb);//释放Socket buffer所占内存或将其放回内存池

......

改造后：

//8139too-3.4-ethercat.c

static netdev\_tx\_t rtl8139\_start\_xmit (struct sk\_buff \*skb,  
struct net\_device \*dev)  
\{

......

if (!tp->ecdev) \{ //只有作为普通网卡时才释放Socket buffer  
dev\_kfree\_skb(skb);  
\}

......

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[Center]: /images/20220326/53269dca420f40959a7d50b7612e5b6f.png
[Center 1]: /images/20220326/f661d352da714c01a4cd6273d5886379.png