上次说到传统以太网为什么不具备实时性，这次聊一聊etherCAT的on the fly。
1.1 实时工业以太网
以太网的介质访问控制 MAC(Media Access Control)方式采用带有冲突检测的载波侦听多路访问机制 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。 这是一种非确定性的介质访问控制方式，不能满足工业现场总线的实时性要求。目前，市场上已有的实时工业以太网根据不同的实时性和成本要求使用不同的实现原理，大致可以分为以下三种类型，如图1.1 所示 。
(1) 基于 TCP/IP 的实现(如因 1.1( a) 所示)
这种方式仍使用TCP/IP 协议栈，通过上层合理的控制来应对通信中非确定性因素。此时，实时网络可以与商用网络自由地通信。常用的通信控制手段有：合理调度，减少冲突的可能性 ; 定义数据帧的优先级，为实时数据分配最高的优先级 ; 使用交换式以太网等 。使用这种方式的典型协议有 ModbuslTCP 和 Ethemet/IP 等 。 这种方式不能实现很好的实时性，只适用于对实时性要求不高的工业过程自动化应用 。
(2) 基于以太网的实现(如图1.1( b) 所示 )
这种方式仍然使用标准的、未修改的以太网通信硬件，但是不使用 TCP/IP 来传输过程数据。 它引入了一种专门的过程数据传输协议，使用特定以太类型的以太网帧进行传输。TCP/IP 协议栈可以通过一个时间控制层分配一定的时间片来使用以太网资源。这类协议主要有 Ethernet Powerlink、PROFINet RT 等通过这种方式。 这种方式可以实现较高的实时性。
(3) 修改以太网的实现(如图 1.1( c) 所示〉
为了获得响应时间小于1 ms 的硬实时，通过这种方式对以太网协议进行了修改。其从站由专门的硬件实现。在实时通道内由实时 MAC 接管通信控制，彻底避免报文冲突，简化通信数据处理。非实时数据仍然可以在开放通道内按照原来的协议传输。这种方式下的典型协议有EtherCAT和 PROFINet IRT等。
1.2 EtherCAT 协议概述
EtherCAT 是由德国 BECKHOFF 自动化公司于 2003 年提出的实时工业以太网技术 。它具有高速和高数据有效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构。其从站节点使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太阿控制器。
EtherCAT 的主要特点如下 :
①泛的适用性，
任何带商用以太网控制器的控制单元都可作为 EtherCAT 主站。从小型的16位处理器到使用 3GHz处理器的PC系统，任何计算机都可以成为 EtherCAT 控制系统。
②完全符合以太网标准，
EtherCAT 可以与其他以太网设备及协议并存于同一总线，以太网交换机等标准结构组件也可以用于 EtherCAT。
③无须从属子网 ，
复杂的节点或只有 2 位的 i/o 节点都可以用作 EtherCAT 从站 ;
④ 高效率，
最大化利用以太网带宽进行用户数据传输。
⑤ 刷新周期短，
可以达到小于 100 μs的数据刷新周期,可以用于伺服技术中底层的闭环控制 。
⑥同步性能好，
各从站节点设备可以达到小于1μs的时钟同步精度 。
EtherCAT 支持多种设备连接拓扑结构 : 线形、树形或星形结构，可以选用的物理介质100Base-TX 标准以太网电缆或光缆。使用100Base-TX 电缆时站间距离可以达到 100m。搭个网络最多可以连接 65535 个设备。使用快速以太网 "全双工"通信技术构成主从式的环型结构如图1. 2 所示。
EtherCAT报文传输过程：
从以太网的角度看，一个 EtherCAT 网段可被简单地看作一个独立的以太网设备。该"设备"接收并发送以太网报文。然而，这个"设备"并没有以太网控制器及相应的微处理器，而是由多个EtherCAT 从站组成。这些从站可直接处理接收的报文，并从报文中提取或插入相关的用户数据，然后将该报文传输到下一个 EtherCAT 从站。最后一个 EtherCAT 从站发回经过完全处理的报文，并由第一个从站作为响应报文发送给控制单元。这个过程利用了以太网设备独立处理双向传输(Tx 和Rx)的特点，并运行在全双工模式下，发出的报文又通过Rx 线返回到控制单元。
报文经过从站节点时，从站识别出相关的命令并做出相应的处理。信息的处理在硬件中完成，延迟时间约为 100-500 ns (取决于物理层器件)，通信性能独立于从站设备控制微处理器的响应时间。每个从站设备有最大容量为 64K 字节的可编址内存， 可完成连续的或同步的读写操作。多个EtherCAT 命令数据可以被嵌入到一个以太网报文中，每个数据对应独立的设备或内存区。
从站设备可以构成多种形式的分支结构，独立的设备分支可以放置于控制柜中或机器模块中，再用主线连接这些分支结构。
EtherCAT大大提高了现场总线的性能，例如，控制 1000个开关量输入和输出的刷新时间约为 30μs。单个以太网帧最多可容纳 1486 字节的过程数据，相当于 12000 位开关量数字输入和输出，刷新时间约为300μs。控制100个伺服电机的数据通信周期约为 100μs。EtherCAT 使用一个专门的以太网数据帧类型定义，用以太网数据帧传输 EtherCAT 数据包，也可以使用 UDP/IP 协议格式传输 EtherCAT 数据包。一个 EtherCAT 数据包可以由多个 EtherCAT 子报文组成，如图1.2所示。EtherCAT 从站不处理非 EtherCAT 数据帧，其他类型的以太网应用数据可以分段打包为EtherCAT 数据子报文在阿段内透明传输，以实现相应的通信服务。
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