【IgH EtherCAT】 Xenomai +POSIX 实现一个基于EtherCAT的硬实时用户空间应用

SVG图表总结了整个系统的架构，包括：

三个主要层次：

1. 应用层

   ：主线程负责初始化和管理

2. 实时层

   ：1ms周期的实时控制线程

3. 网络层

   ：EtherCAT总线和设备

硬件配置：

• EK1100

  ：总线耦合器（位置0,0）

• EL2004

  ：4通道数字输出模块（位置0,1）

技术特性：

• 使用SCHED_FIFO调度策略，优先级82

• 内存锁定确保实时性

• 1ms精确周期控制

• 5Hz频率的输出闪烁控制

这个程序是一个典型的工业自动化实时控制系统，使用EtherCAT协议实现高精度的设备控制。

此 C 语言示例程序演示了如何在 Xenomai 环境下，使用其 POSIX API 仿真层 (POSIX skin) 来实现一个基于 IgH EtherCAT Master 的硬实时用户空间应用。

程序的关键功能和流程如下：

1. 系统初始化与配置：main 函数执行标准的 EtherCAT 初始化流程，包括请求主站、创建域、配置从站和 PDO、激活主站等。这些步骤与非 Xenomai 环境下的 IgH 应用完全相同。同时，它也设置了信号处理和内存锁定。

2. 创建 Xenomai 实时任务 (通过 POSIX API)：

• 程序使用标准的 pthread_create 函数来创建一个新的执行流。

• 关键区别在于

  ：由于程序是在 Xenomai 环境下编译和运行的，Xenomai 的 POSIX skin 会拦截这个 API 调用。因此，创建的不是一个普通的 Linux 线程，而是一个由 Xenomai 内核直接管理的、具有硬实时保证的实时任务。

• 通过 pthread_attr_setschedpolicy 设置的 SCHED_FIFO 调度策略和优先级，会被直接应用到 Xenomai 的实时调度器上。

• 实时循环 (my_thread)：

• • 这个被 Xenomai 托管的实时任务进入一个周期为 1ms 的循环。

  • 周期的精确性由 clock_nanosleep 函数保证。同样，这个 POSIX API 调用被 Xenomai 拦截，并由 Xenomai 的高精度、无抖动的定时器服务来执行，从而实现了微秒级的确定性定时。

  • 在每个精确的周期内，任务执行标准的 EtherCAT I/O 流程：接收、处理、执行应用逻辑（闪烁控制）、发送。

• 程序终止：

• • main

     线程通过 sched_yield() 等待，而异步的信号处理器在接收到 SIGINT/SIGTERM 时，将全局 run 标志置为 0。

  • 这个标志的改变会使实时任务和主线程的 while 循环都退出。

  • 最后，main 线程通过 pthread_join 等待实时任务（Xenomai 任务）完全结束，然后执行资源清理。

  结论：这个示例的精髓在于展示了 Xenomai POSIX skin 的强大之处——它允许开发者使用标准、可移植的 POSIX 代码来编写享受 Xenomai 硬实时内核服务的应用程序，极大地降低了实时开发的门槛，并提高了代码的可维护性和可移植性。

  

  

  #include <errno.h> // 包含C标准库头文件，用于错误码处理#include <mqueue.h> // 包含消息队列头文件，虽然在此代码中未直接使用，但常用于实时通信#include <signal.h> // 包含信号处理头文件，用于捕获中断信号#include <pthread.h> // 包含 POSIX 线程库头文件。在 Xenomai 环境下，这些 API 会被 Xenomai 的 POSIX skin 映射到实时内核服务。#include <stdio.h> // 包含标准输入输出头文件#include <stdlib.h> // 包含标准库头文件#include <string.h> // 包含字符串处理头文件#include <unistd.h> // 包含 POSIX 标准 API 头文件#include <limits.h> // 包含限制性常量头文件#include <sys/ioctl.h> // 包含I/O控制操作头文件#include <sys/mman.h> // 包含内存管理声明头文件，用于 mlockall 函数#include <time.h> // 包含时间相关头文件。在 Xenomai 环境下，时间函数会被映射到 Xenomai 的高精度时钟。
  #ifndef XENOMAI_API_V3 // C预处理器指令，检查是否没有定义 XENOMAI_API_V3 宏#include <rtdm/rtdm.h> // 包含实时驱动模型（RTDM）头文件，提供 rt_printf 等功能#include <rtdk.h> // 包含 Xenomai 的实时打印（rt_printf）头文件#endif // 结束 #ifndef 条件编译块
  #include "ecrt.h" // 包含 IgH EtherCAT 主站的核心应用层 API 头文件
  #define NSEC_PER_SEC 1000000000 // 宏定义：每秒的纳秒数，用于时间计算
  static unsigned int cycle_us = 1000; /* 1 ms */ // 声明一个静态无符号整型变量，定义实时任务的周期为1000微秒（1毫秒）
  static pthread_t cyclic_thread; // 声明一个 pthread_t 类型的变量，用于存储被 Xenomai 托管的实时线程的ID
  static volatile sig_atomic_t run = 1; // 声明一个静态的、易失的、信号安全的整型变量 run，作为主循环和线程循环的运行标志
  /****************************************************************************/
  // EtherCAT // 区域注释：EtherCAT 相关全局变量static ec_master_t *master = NULL; // 声明一个静态的 EtherCAT 主站对象指针static ec_master_state_t master_state = {}; // 声明一个静态的主站状态结构体变量
  static ec_domain_t *domain1 = NULL; // 声明一个静态的 EtherCAT 过程数据域指针static ec_domain_state_t domain1_state = {}; // 声明一个静态的域状态结构体变量
  static uint8_t *domain1_pd = NULL; // 声明一个静态的指向过程数据（Process Data）内存区域的指针
  static ec_slave_config_t *sc_dig_out_01 = NULL; // 声明一个静态的从站配置对象指针，用于数字量输出从站
  /****************************************************************************/
  // process data // 区域注释：过程数据定义#define BusCoupler01_Pos  0, 0 // 宏定义：总线耦合器（Bus Coupler）的位置#define DigOutSlave01_Pos 0, 1 // 宏定义：数字量输出从站（Digital Out Slave）的位置
  #define Beckhoff_EK1100 0x00000002, 0x044c2c52 // 宏定义：倍福 EK1100 的厂商ID和产品代码#define Beckhoff_EL2004 0x00000002, 0x07d43052 // 宏定义：倍福 EL2004 的厂商ID和产品代码
  // offsets for PDO entries // 注释：PDO条目的偏移量static unsigned int off_dig_out0 = 0; // 声明一个静态无符号整型变量，用于存储PDO在过程数据域中的字节偏移量
  // process data // 区域注释：过程数据注册表const static ec_pdo_entry_reg_t domain1_regs[] = { // 定义一个静态常量数组，用于注册需要映射到域的PDO条目   {DigOutSlave01_Pos, Beckhoff_EL2004, 0x7000, 0x01, &off_dig_out0, NULL}, // 注册 EL2004 的第一个输出通道 (Index 0x7000, Sub-index 0x01)   {} // 数组结束标志};
  /****************************************************************************/
  /* Slave 1, "EL2004" // 注释：从站1 "EL2004" 的详细信息 * Vendor ID:       0x00000002 // 厂商ID * Product code:    0x07d43052 // 产品代码 * Revision number: 0x00100000 // 修订号 */// 以下是为 EL2004 从站进行 SII (从站信息接口) 覆盖配置所需的数据结构const ec_pdo_entry_info_t slave_1_pdo_entries[] = { // 定义一个静态常量数组，描述 EL2004 从站的 PDO 条目信息   {0x7000, 0x01, 1}, /* Output */ // 条目1：索引0x7000，子索引0x01，位长度1 (通道1输出)   {0x7010, 0x01, 1}, /* Output */ // 条目2：索引0x7010，子索引0x01，位长度1 (通道2输出)   {0x7020, 0x01, 1}, /* Output */ // 条目3：索引0x7020，子索引0x01，位长度1 (通道3输出)   {0x7030, 0x01, 1}, /* Output */ // 条目4：索引0x7030，子索引0x01，位长度1 (通道4输出)};
  const ec_pdo_info_t slave_1_pdos[] = { // 定义一个静态常量数组，描述 EL2004 从站的 PDO 配置 (将条目分组到PDO)   {0x1600, 1, slave_1_pdo_entries + 0}, /* Channel 1 */ // PDO 1: RxPDO 0x1600，包含1个条目   {0x1601, 1, slave_1_pdo_entries + 1}, /* Channel 2 */ // PDO 2: RxPDO 0x1601，包含1个条目   {0x1602, 1, slave_1_pdo_entries + 2}, /* Channel 3 */ // PDO 3: RxPDO 0x1602，包含1个条目   {0x1603, 1, slave_1_pdo_entries + 3}, /* Channel 4 */ // PDO 4: RxPDO 0x1603，包含1个条目};
  const ec_sync_info_t slave_1_syncs[] = { // 定义一个数组，描述 EL2004 从站的同步管理器（Sync Manager）配置   {0, EC_DIR_OUTPUT, 4, slave_1_pdos + 0, EC_WD_ENABLE}, // Sync Manager 0: 类型为输出(OUTPUT), 关联4个PDO, 启用看门狗(Watchdog)   {0xff} // 数组结束标志};
  /***************************************************************************** * Realtime task // 区域注释：实时任务相关函数 (由Xenomai内核调度) ****************************************************************************/
  void rt_check_domain_state(void) // 定义一个函数，用于检查并打印域的状态变化{    ec_domain_state_t ds = {}; // 声明一个局部的域状态结构体变量 ds
  ecrt_domain_state(domain1, &ds); // 调用 ecrt API，获取 domain1 的当前状态
      if (ds.working_counter != domain1_state.working_counter) { // 比较当前工作计数器(WC)与上次记录的WC        rt_printf("Domain1: WC %u.\n", ds.working_counter); // 如果不一致，使用实时打印函数输出新的WC值    }
      if (ds.wc_state != domain1_state.wc_state) { // 比较当前工作计数器状态与上次记录的状态        rt_printf("Domain1: State %u.\n", ds.wc_state); // 如果不一致，输出新的WC状态值    }
      domain1_state = ds; // 将当前状态赋值给全局变量，用于下次比较}
  /****************************************************************************/
  void rt_check_master_state(void) // 定义一个函数，用于检查并打印主站的状态变化{    ec_master_state_t ms; // 声明一个局部的主站状态结构体变量 ms
  ecrt_master_state(master, &ms); // 调用 ecrt API，获取主站的当前状态
      if (ms.slaves_responding != master_state.slaves_responding) { // 比较当前响应的从站数量与上次记录的数量        rt_printf("%u slave(s).\n", ms.slaves_responding); // 如果不一致，输出新的从站数量    }
      if (ms.al_states != master_state.al_states) { // 比较当前应用层（AL）状态与上次记录的状态        rt_printf("AL states: 0x%02X.\n", ms.al_states); // 如果不一致，以十六进制格式输出新的AL状态    }
      if (ms.link_up != master_state.link_up) { // 比较当前链路连接状态与上次记录的状态        rt_printf("Link is %s.\n", ms.link_up ? "up" : "down"); // 如果不一致，输出链路是 "up" 还是 "down"    }
      master_state = ms; // 将当前状态赋值给全局变量，用于下次比较}
  /****************************************************************************/
  void *my_thread(void *arg) // 定义实时线程的主体函数。此函数将由一个被 Xenomai 托管的实时任务执行。{    struct timespec next_period; // 声明一个 timespec 结构体，用于存储下一个周期唤醒的绝对时间    int cycle_counter = 0; // 定义一个整型变量，用作周期计数器unsigned int blink = 0; // 定义一个无符号整型变量，用作闪烁标志
      // 核心：此调用被 Xenomai 拦截，获取的是 Xenomai 实时时钟的时间    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &next_period); // 获取当前实时时钟的时间，作为周期计算的起点
      while (run) { // 循环，只要全局变量 run 为1就一直执行        // 计算下一个周期的绝对唤醒时间        next_period.tv_nsec += cycle_us * 1000; // 将纳秒部分加上一个周期的时间（微秒 * 1000）        while (next_period.tv_nsec >= NSEC_PER_SEC) { // 处理纳秒进位到秒			next_period.tv_nsec -= NSEC_PER_SEC; // 纳秒部分减去1秒			next_period.tv_sec++; // 秒部分加1		}
          // 核心：此调用被 Xenomai 拦截，由 Xenomai 的高精度定时器执行，确保精确唤醒，抖动极小        clock_nanosleep(CLOCK_REALTIME, TIMER_ABSTIME, &next_period, NULL); // 精确睡眠直到指定的绝对时间 (TIMER_ABSTIME)
          cycle_counter++; // 周期计数器加1
          // receive EtherCAT // 注释：接收 EtherCAT 帧        ecrt_master_receive(master); // 从网络接口接收数据帧        ecrt_domain_process(domain1); // 处理域的数据，将数据解包到过程数据内存区
          rt_check_domain_state(); // 调用函数检查并打印域的状态变化
          if (!(cycle_counter % 1000)) { // 每1000个周期 (1秒) 执行一次rt_check_master_state(); // 调用函数检查并打印主站的状态变化		}
          if (!(cycle_counter % 200)) { // 每200个周期 (200毫秒) 执行一次			blink = !blink; // 对 blink 变量取反（0变1，1变0），实现闪烁		}
          // 将数据写入过程数据区，控制 EL2004 的4个输出通道        EC_WRITE_U8(domain1_pd + off_dig_out0, blink ? 0x0 : 0x0F); // 如果 blink 为 true, 输出0x00; 否则输出0x0F (全开)
          // send process data // 注释：发送过程数据        ecrt_domain_queue(domain1); // 将要发送的域数据放入发送队列        ecrt_master_send(master); // 将数据帧发送到 EtherCAT 总线    }
      return NULL; // 线程函数返回 NULL，表示正常退出}
  /***************************************************************************** * Signal handler // 区域注释：信号处理器 ****************************************************************************/
  void signal_handler(int sig) // 定义信号处理函数{    run = 0; // 将全局运行标志 run 设置为0，用于安全地终止所有循环}
  /***************************************************************************** * Main function // 区域注释：主函数 ****************************************************************************/
  int main(int argc, char *argv[]) // C程序的入口主函数{    ec_slave_config_t *sc; // 声明一个局部的从站配置对象指针    int ret; // 声明一个整型变量，用于存储函数返回值
      signal(SIGTERM, signal_handler); // 注册信号处理器，当收到终止信号(SIGTERM)时调用 signal_handler    signal(SIGINT, signal_handler); // 注册信号处理器，当收到中断信号(SIGINT, Ctrl+C)时调用 signal_handler
      mlockall(MCL_CURRENT | MCL_FUTURE); // 锁定当前和未来所有分配的内存，防止被交换到磁盘，确保实时性
      printf("Requesting master...\n"); // 在控制台打印提示信息    master = ecrt_request_master(0); // 请求索引为0的 EtherCAT 主站实例    if (!master) { // 检查主站请求是否成功        return -1; // 如果失败，程序返回-1并退出    }
      domain1 = ecrt_master_create_domain(master); // 在主站上创建一个过程数据域    if (!domain1) { // 检查域创建是否成功        return -1; // 如果失败，程序返回-1并退出    }
      printf("Creating slave configurations...\n"); // 在控制台打印提示信息
      // 为 EK1100 总线耦合器创建配置    sc = ecrt_master_slave_config(master, BusCoupler01_Pos, Beckhoff_EK1100); // 为位置(0,0)的EK1100创建从站配置    if (!sc) { // 检查配置创建是否成功        return -1; // 如果失败，程序返回-1并退出    }
      // 为 EL2004 数字量输出从站创建配置    sc_dig_out_01 =        ecrt_master_slave_config(master, DigOutSlave01_Pos, Beckhoff_EL2004); // 为位置(0,1)的EL2004创建配置    if (!sc_dig_out_01) { // 检查配置创建是否成功        fprintf(stderr, "Failed to get slave configuration.\n"); // 打印错误信息        return -1; // 如果失败，程序返回-1并退出    }
      // 为 EL2004 从站配置 PDO    if (ecrt_slave_config_pdos(sc_dig_out_01, EC_END, slave_1_syncs)) { // 为 EL2004 从站配置 PDO 和同步管理器        fprintf(stderr, "Failed to configure PDOs.\n"); // 如果配置失败，打印错误信息        return -1; // 并返回-1退出    }
      // 将 PDO 条目注册到域中    if (ecrt_domain_reg_pdo_entry_list(domain1, domain1_regs)) { // 将定义的 PDO 注册列表注册到域        fprintf(stderr, "PDO entry registration failed!\n"); // 如果注册失败，打印错误信息        return -1; // 并返回-1退出    }
      printf("Activating master...\n"); // 在控制台打印提示信息    if (ecrt_master_activate(master)) { // 激活主站，开始总线通信        return -1; // 如果激活失败，返回-1退出    }
      // 获取域过程数据区的指针    if (!(domain1_pd = ecrt_domain_data(domain1))) { // 获取域的过程数据内存区指针        fprintf(stderr, "Failed to get domain data pointer.\n"); // 如果获取失败，打印错误信息        return -1; // 并返回-1退出    }
      /* Create cyclic RT-thread */ // 注释：创建周期性实时线程 (将被 Xenomai 托管)    struct sched_param param = { .sched_priority = 82 }; // 声明并设置调度参数，优先级为82。此优先级将被 Xenomai 调度器使用。
      pthread_attr_t thattr; // 声明 Pthread 属性对象。    pthread_attr_init(&thattr); // 初始化线程属性对象为默认值。    pthread_attr_setdetachstate(&thattr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE); // 设置线程为可加入状态，主线程可以等待其结束。    pthread_attr_setinheritsched(&thattr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED); // 设置调度属性不从父线程继承，而是显式指定。    pthread_attr_setschedpolicy(&thattr, SCHED_FIFO); // 核心：设置调度策略为 SCHED_FIFO。Xenomai 将此映射为其硬实时调度策略。    pthread_attr_setschedparam(&thattr, &param); // 应用上面设置的调度参数（优先级）。
      // 核心：调用 POSIX API 创建线程，但此调用被 Xenomai 拦截，实际在 Xenomai 内核创建了一个硬实时任务。    ret = pthread_create(&cyclic_thread, &thattr, &my_thread, NULL); // 创建新线程，执行 my_thread 函数。    if (ret) { // 检查线程创建是否成功        fprintf(stderr, "%s: pthread_create cyclic task failed\n", // 如果失败，打印错误信息                strerror(-ret)); // strerror(-ret) 将错误码转为字符串return 1; // 程序返回1并退出    }
  while (run) { // 主线程进入一个低功耗等待循环sched_yield(); // 主动让出 CPU，让高优先级的实时任务运行	}
      pthread_join(cyclic_thread, NULL); // 等待实时线程执行结束，并回收其资源
      printf("End of Program\n"); // 打印程序结束信息    ecrt_release_master(master); // 释放 EtherCAT 主站资源
      return 0; // 程序正常退出}
  /****************************************************************************/