【原创】IgH EtherCAT主站详解(7)--Device网卡、EEPROM(SII)和EoE模块介绍

目录

• 一、Device 模块
  • 概览
    • Device 模块是什么?
  • 技术详情
    • ec_device 结构体字段
    • 设备抽象层架构
    • 设备绑定/解绑流程
  • 深入源码
    • ec_device_init()
    • ec_device_attach()
    • ec_device_poll()
    • ec_device_send()
    • ec_device_tx_data()
    • SKB 环形缓冲
• 二、Ethernet (EoE) 模块
  • 概览
    • EoE 是什么?
  • 技术详情
    • ec_eoe 结构体关键字段
    • EoE 状态机
    • EoE 帧分片与重组
    • EoE 帧类型
  • 深入源码
    • ec_eoe_init()
    • ec_eoe_run()
    • EoE 状态函数详解
      • ec_eoe_state_rx_start (Line 744)
      • ec_eoe_state_rx_fetch_data (Line 839)
      • ec_eoe_state_tx_start (Line 1021)
      • ec_eoe_state_tx_sent (Line 1101)
    • ec_eoe_request_t — EoE IP 参数请求
• 三、EEPROM / SII 处理
  • 概览
    • EEPROM (SII) 是什么?
    • EEPROM 内存映射
  • 技术详情
    • 固定信息区 (0x0000–0x003F)
    • Category 类型表
    • EEPROM 读取流程
  • 深入源码
    • SII FSM 状态机 (fsm_sii.c)
    • SII FSM 状态函数详解
      • ec_fsm_sii_state_start_reading (Line 266)
      • ec_fsm_sii_state_read_check (Line 290)
      • ec_fsm_sii_state_read_fetch (Line 329)
      • ec_fsm_sii_state_start_writing (Line 439)
      • ec_fsm_sii_state_write_check (Line 461) / write_check2 (Line 499)
    • sii_firmware.c — SII 固件覆盖
    • ec_sii_image_t — SII 完整镜像
    • ESC EEPROM 控制寄存器 (N32H7x5EC)

一、Device 模块

3.8 — device.c / device.h — 设备抽象层

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概览

Device 模块是什么?

Device 模块是 IgH 主站与物理网卡驱动之间的抽象层。每个 ec_device 封装了一个 Linux net_device，提供 EtherCAT 帧的发送和接收功能。主站最多支持两个设备（主设备 + 备设备），实现冗余拓扑。

核心功能

设备绑定: 将网卡驱动注册到主站（attach/detach）
帧发送: 构造 SKB 并通过网卡 DMA 发送
帧接收: 通过 Poll 函数获取接收到的帧数据
SKB 环形缓冲: 预分配 16 个 SKB 用于发送，避免运行时分配
统计: 帧收发计数、字节数、错误数

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技术详情

ec_device 结构体字段

字段	类型	说明
master	ec_master_t *	所属主站
dev	struct net_device *	Linux 网络设备指针
poll	ec_pollfunc_t	网卡 Poll 函数指针（中断替代）
module	struct module *	网卡驱动模块指针
open	uint8_t	设备是否已打开
link_state	uint8_t	链路状态
tx_skb[EC_TX_RING_SIZE]	struct sk_buff **	发送 SKB 环形缓冲（16 个）
tx_ring_index	unsigned int	当前发送缓冲索引
jiffies_poll	unsigned long	最后一次 Poll 的时间
tx_count / rx_count	u64	收发帧计数
tx_bytes / rx_bytes	u64	收发字节计数
tx_errors	u64	发送错误计数
tx/rx_frame_rates[3]	s32	不同统计周期的帧速率
tx/rx_byte_rates[3]	s32	不同统计周期的字节速率

设备抽象层架构

flowchart TDsubgraph IgH 主站核心M[ec_master]D[ec_device]endsubgraph 设备抽象层D1[ec_device_attach]D2[ec_device_poll]D3[ec_device_send]D4[ec_device_tx_data]endsubgraph 网卡驱动层N1[net_device]N2[ndo_start_xmit]N3[poll 函数]N4[DMA 引擎]endM --> DD --> D1D --> D2D --> D3D --> D4D1 -->|绑定| N1D2 -->|调用| N3D3 -->|调用| N2D4 -->|返回 SKB data| N4N4 -->|DMA| HW[物理网卡]

设备绑定/解绑流程

flowchart LRsubgraph 网卡驱动A[ecdev_offer]endsubgraph MasterB[ec_device_attach]C[ec_device_open]endA -->|注册 poll+netdev| BB -->|保存指针| CC -->|调用 ndo_open| D[网卡就绪]

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深入源码

ec_device_init()

位置: master/device.c:74–167

初始化设备：清零结构体，预分配 16 个 (EC_TX_RING_SIZE) 发送 SKB。每个 SKB 预留 ETH_HLEN + EC_MAX_DATA_SIZE 空间，确保发送时无需动态分配。

ec_device_attach()

位置: master/device.c:223–248

绑定网卡设备：保存 net_device 指针、poll 函数和 module 指针。这是网卡驱动通过 ecdev_offer() 将自身注册到 IgH 的入口。

ec_device_poll()

位置: master/device.c:563–578

调用网卡驱动的 poll 函数，模拟中断处理。在 EtherCAT 模式下，网卡中断被禁用，由主站线程主动调用 poll 获取接收数据。这是 IgH 实现确定性的关键——避免中断延迟的不确定性。

ec_device_send()

位置: master/device.c:415–453

发送以太网帧：

1. 获取当前发送 SKB: tx_skb[tx_ring_index]
2. 设置 SKB 长度: ETH_HLEN + size
3. 通过 netdev_ops->ndo_start_xmit 或 hard_start_xmit 提交到网卡
4. 递增 tx_ring_index (环形)
5. 更新发送统计计数

ec_device_tx_data()

位置: master/device.c:396–406

返回当前发送 SKB 的数据指针 (跳过 ETH_HLEN = 14 字节以太网头)。主站使用此指针直接写入 EtherCAT 帧数据，避免额外拷贝。

SKB 环形缓冲

参数	值	说明
EC_TX_RING_SIZE	16 (0x10)	环形缓冲大小
每个 SKB 大小	ETH_HLEN + EC_MAX_DATA_SIZE	14 + 1486 = 1500 字节
分配时机	ec_device_init()	初始化时一次性分配

二、Ethernet (EoE) 模块

3.9 — ethernet.c / ethernet.h + eoe_request.h — Ethernet over EtherCAT

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概览

EoE 是什么?

EoE (Ethernet over EtherCAT) 允许通过 EtherCAT 网络传输标准以太网帧，实现从站的网络隧道功能。IgH 为每个支持 EoE 的从站创建一个虚拟网络接口 (如 eoe0s0)，应用程序可以像操作普通网卡一样配置 IP 地址、路由等。

典型应用场景

网络桥接: 将从站的 EoE 接口桥接到物理网络，实现远程管理
IP 配置: 通过 EoE 为从站设置 IP 地址、子网掩码、网关
Web 管理: 访问从站内置 Web 服务器进行参数配置
数据采集: 从站通过 EoE 上传诊断数据到上位机

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技术详情

ec_eoe 结构体关键字段

分类	字段	类型	说明
基础	master	ec_master_t *	所属主站
slave	ec_slave_t *	关联从站
state	void (*)(ec_eoe_t *)	当前状态函数
虚拟网卡	dev	struct net_device *	虚拟网络设备
接收	rx_skb	struct sk_buff *	当前接收 SKB
rx_expected_fragment	uint8_t	期望的下一个分片号
rx_counter / rx_rate	uint32_t	接收字节计数/速率
rx_idle	unsigned int	接收空闲标志
发送	tx_ring	struct sk_buff **	发送帧环形缓冲
tx_ring_size	unsigned int	发送环形缓冲大小
tx_frame_number	uint8_t	当前发送帧号
tx_fragment_number	uint8_t	当前发送分片号
tx_offset	size_t	当前发送偏移
tx_counter / tx_rate	uint32_t	发送字节计数/速率

EoE 状态机

stateDiagram-v2[*] --> rx_start: ec_eoe_init()rx_start --> rx_check: 准备接收检查rx_check --> rx_fetch: 邮箱有数据rx_check --> tx_start: 无数据，转发送rx_fetch --> rx_fetch_data: 请求读取邮箱rx_fetch_data --> rx_start: 完整帧接收完成rx_fetch_data --> rx_fetch_data: 继续接收分片tx_start --> tx_sent: 有数据待发送tx_start --> rx_start: 无数据待发送tx_sent --> tx_start: 分片发送完成tx_sent --> tx_sent: 继续发送下一分片

EoE 帧分片与重组

EoE 将标准以太网帧分片传输，每个分片通过邮箱发送：

参数	值	说明
分片载荷	邮箱大小 - 邮箱头 - EoE 头	取决于从站邮箱配置
帧号	tx_frame_number	标识一帧的所有分片
分片号	tx_fragment_number	从 0 递增
最后分片标志	EoE 头中设置	接收方用于判断帧是否完整
发送环形缓冲	tx_ring	默认 100 个 SKB 槽位

EoE 帧类型

类型	值	说明
EC_EOE_TYPE_FRAME_FRAG	0x00	EoE 帧分片（收发）
EC_EOE_TYPE_TIMESTAMP_RES	0x01	时间戳响应
EC_EOE_TYPE_INIT_REQ/RES	0x02/0x03	IP 参数设置请求/响应
EC_EOE_TYPE_MACFILTER_REQ/RES	0x04/0x05	MAC 地址过滤设置

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深入源码

ec_eoe_init()

位置: master/ethernet.c:207

EoE 处理器初始化：

1. 通过 alloc_netdev() 创建虚拟网络设备，命名格式 eoe<MASTER>[as]<SLAVE>
2. 设置 MAC 地址（基于主站 NIC 地址或生成唯一地址）
3. 分配发送环形缓冲 (默认 100 个 SKB 槽位)
4. 初始化状态机为 ec_eoe_state_rx_start
5. 调用 register_netdev() 注册网络设备到内核

ec_eoe_run()

由 EoE 线程周期性调用，执行 EoE 状态机的当前状态函数。每次调用处理一个状态转移（接收检查/发送分片）。

EoE 状态函数详解

ec_eoe_state_rx_start (Line 744)

初始化接收序列：准备检查从站发送邮箱状态。

ec_eoe_state_rx_fetch_data (Line 839)

处理接收到的 EoE 数据分片：

1. 解析 EoE 帧号和分片号
2. 如果是第一分片 (fragment_number == 0)，分配新的 SKB
3. 将分片数据拷贝到 SKB
4. 如果是最后分片，将完整帧通过 netif_rx() 传递给内核网络栈

ec_eoe_state_tx_start (Line 1021)

开始发送流程：检查是否有待发送的以太网帧，若有则从 tx_ring 取出并开始分片发送。

ec_eoe_state_tx_sent (Line 1101)

检查上一分片是否发送成功，若成功则继续发送下一分片，否则重试。

ec_eoe_request_t — EoE IP 参数请求

用于通过 EoE 协议设置从站 IP 参数：

字段	说明
mac_address[6]	MAC 地址
ip_address	IP 地址
subnet_mask	子网掩码
gateway	默认网关
dns	DNS 服务器
name[32]	主机名
result	操作结果码

请求通过 slave->eoe_requests 队列传递到从站 FSM，由 fsm_eoe 处理发送。

三、EEPROM / SII 处理

3.10 — fsm_sii.c / sii_firmware.c — EEPROM 读写与解析

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概览

EEPROM (SII) 是什么?

EEPROM (电可擦可编程只读存储器) 是 EtherCAT 从站中的非易失性存储器，存储从站的 SII (Slave Information Interface, 从站信息接口) 数据。SII 数据定义了从站的身份、通信参数、PDO 映射等关键信息，主站通过 ESC 的 EEPROM 访问寄存器 (0x0500–0x05FF) 读写这些数据。

SII 数据内容

固定信息: 厂商 ID、产品码、序列号、邮箱配置
Category 区: 字符串、通用信息、Sync Manager、PDO 映射、DC 参数等
用户数据: 厂商自定义数据区域
大小: 典型 4KB–16KB（IgH 限制最大 EC_MAX_SII_SIZE = 4096 words）

EEPROM 内存映射

图：EEPROM 内存布局 — 固定信息区 (0x0000–0x003F) + Category 变长区

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技术详情

固定信息区 (0x0000–0x003F)

字偏移	大小 (words)	内容	源码常量
0x00–0x01	2	配置站地址/别名	EC_ALIAS_SII_OFFSET = 0x04
0x04–0x05	2	厂商 ID (Vendor ID)	EC_VENDOR_SII_OFFSET = 0x08
0x05–0x06	2	产品码 (Product Code)	EC_PRODUCT_SII_OFFSET = 0x0A
0x06–0x07	2	版本号 (Revision Number)	EC_REVISION_SII_OFFSET = 0x0C
0x07–0x08	2	序列号 (Serial Number)	EC_SERIAL_SII_OFFSET = 0x0E
0x0A–0x0B	2	Bootstrap 邮箱偏移/大小	—
0x0C–0x0D	2	Bootstrap 邮箱发送偏移/大小	—
0x0E–0x0F	2	标准邮箱接收偏移/大小	—
0x10–0x11	2	标准邮箱发送偏移/大小	—
0x12	1	邮箱协议位域	—
0x1F–0x20	2	EEPROM 大小	—

字节寻址 vs 字寻址

EEPROM 使用字 (word, 2字节) 寻址。表中偏移为字偏移，实际 ESC 寄存器访问使用字节地址（字偏移 × 2）。源码常量如 EC_VENDOR_SII_OFFSET = 0x08 为字节偏移。

Category 类型表

Type	名称	内容	解析函数
0x001A	Strings	文本字符串表（设备名称等）	ec_slave_fetch_sii_strings()
0x001B	General	设备通用信息	—
0x001C	FMMU 描述	FMMU 使用方式	—
0x001D	Sync Manager 描述	SM 配置参数	—
0x001E	General 类别	CoE 标志、物理层、功耗	ec_slave_fetch_sii_general()
0x0020	TxPDO	输入 PDO 映射	ec_slave_fetch_sii_pdos()
0x0021	RxPDO	输出 PDO 映射	ec_slave_fetch_sii_pdos()
0x0028	FMMU 使用	每个 FMMU 的使用描述	—
0x0029	Sync Manager	每个 SM 的配置	ec_slave_fetch_sii_syncs()
0x0032	TxPDO (扩展)	扩展输入 PDO	—
0x0033	RxPDO (扩展)	扩展输出 PDO	—
0x003C	DC 同步	分布式时钟同步参数	—
0xFFFF	结束标记	Category 链表终止	—

EEPROM 读取流程

flowchart TDA[fsm_slave_scan 触发 SII 读取] --> B[fsm_sii: start_reading]B --> C[写入 ESC EEPROM 控制寄存器 0x0502]C --> D[read_check: 检查读取完成]D --> E{EEPROM 忙?}E -->|是| F[等待重试]F --> DE -->|否| G[read_fetch: 读取数据]G --> H[从 ESC 读取 4 字节 0x0508/0x050C]H --> I{还有更多数据?}I -->|是| BI -->|否| J[解析 Category 链]J --> K[fetch_sii_strings]J --> L[fetch_sii_general]J --> M[fetch_sii_syncs]J --> N[fetch_sii_pdos]K --> O[SII 数据就绪]

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深入源码

SII FSM 状态机 (fsm_sii.c)

stateDiagram-v2[*] --> start_reading: 开始读操作start_reading --> read_check: 发送读取请求read_check --> read_fetch: EEPROM 就绪read_check --> read_check: 忙，等待read_fetch --> start_reading: 继续读下一个 wordread_fetch --> end: 读取完成state read_check {note1: 检查 0x0502 状态位note2: bit0=busy, bit4=loaded}state read_fetch {note3: 从 0x0508/0x050C 读 4 字节}[*] --> start_writing: 开始写操作start_writing --> write_check: 发送写入请求write_check --> write_check2: 写入完成write_check2 --> start_writing: 继续写下一个 wordwrite_check2 --> end: 写入完成write_check2 --> error: 写入失败end --> [*]error --> [*]

SII FSM 状态函数详解

ec_fsm_sii_state_start_reading (Line 266)

发起 EEPROM 读取请求：通过 FPWR 向 ESC 寄存器 0x0502 写入读取命令（设置地址 + 读使能）。

ec_fsm_sii_state_read_check (Line 290)

检查 EEPROM 读取状态：通过 FPRD 读取 0x0502 寄存器。

• 检查 busy 位 (bit 0)：EEPROM 仍在读取中，等待下次执行
• 检查 loaded 位 (bit 4)：数据已加载到寄存器
• 若超时 (EC_IO_TIMEOUT)，重试

ec_fsm_sii_state_read_fetch (Line 329)

读取 EEPROM 数据：通过 FPRD 从 ESC 寄存器 0x0508 和 0x050C 读取 4 字节数据（每次读取 2 个 word）。将数据存储到 SII 缓冲区。

ec_fsm_sii_state_start_writing (Line 439)

发起 EEPROM 写入请求：通过 FPWR 向 ESC 寄存器 0x0508/0x50C 写入数据，然后向 0x0502 写入写入命令。

ec_fsm_sii_state_write_check (Line 461) / write_check2 (Line 499)

检查 EEPROM 写入完成状态：读取 0x0502 寄存器，等待 busy 位清除。

sii_firmware.c — SII 固件覆盖

该模块允许从文件系统加载自定义 SII 镜像，替代 EEPROM 内容：

• 查找路径: 从 EC_SII_DIR 目录查找 SII 文件
• 文件命名: 基于 vendor_id/product_code/revision_number 定位文件
• 加载机制: 通过 Linux 固件请求 API (request_firmware())
• 用途: 无需物理修改 EEPROM 即可更新从站配置，支持 SII 数据热更新

ec_sii_image_t — SII 完整镜像

字段	类型	说明
list	struct list_head	链表节点（master->sii_images）
words	uint16_t *	原始 SII 字数据
nwords	size_t	SII 内容大小（words）
sii	ec_sii_t	解析后的 SII 数据

ESC EEPROM 控制寄存器 (N32H7x5EC)

地址	名称	说明
0x0500	EEPROM 配置	EEPROM 访问配置寄存器
0x0502	EEPROM 控制/状态	读/写命令、busy/loaded 状态位
0x0504	EEPROM 地址	读/写起始地址
0x0508	EEPROM 数据 (低)	读/写数据低 16 位
0x050A	EEPROM 数据 (高)	读/写数据高 16 位