EPICS V7解析（一）

韩利峰.

已于 2025-03-25 16:33:40 修改

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分类专栏： EPICS 文章标签：网络协议

于 2025-03-25 16:29:44 首次发布

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EPICS V7协议的优势

EPICS V7通过PV Access协议和SOA架构解决了V3在复杂数据处理和分布式服务上的瓶颈，尤其适合高能物理、同步辐射光源等大规模科学装置。而V3仍在小规模实时控制场景保有优势。用户需根据数据复杂度、系统规模和资源条件选择版本，或采用混合架构过渡。

EPICS V7中的PV Access（PVA）协议相较于传统Channel Access（CA）协议，在功能、性能和适用场景上均有显著提升。以下是其核心优势总结：

一、结构化数据支持与高效序列化

复杂数据结构处理
PVA支持多维数组、嵌套结构（如科学实验中的图像流、设备状态集合），通过pvData库实现动态自描述数据模型，避免传统CA协议仅能传输标量数据的局限。
- 示例：高能物理实验中的GB级图像数据可通过PVA直接传输，无需拆分为多个标量字段。
二进制序列化优化
- 采用紧凑二进制编码（如字节对齐、增量更新），减少网络带宽消耗。
- 支持内存映射与零拷贝传输，提升实时性，实测在10G以太网下带宽利用率可达96-99%。

二、网络传输与服务架构优化

混合传输协议
- 主要依赖TCP保障可靠性，辅以UDP实现快速服务发现（默认端口5075/5076），平衡实时性与稳定性。
- 支持心跳机制和连接级QoS参数（如超时控制），避免因网络中断导致的数据丢失。
服务导向架构（SOA）
- 提供原生RPC（远程过程调用）支持，适用于分布式控制系统的参数化请求/响应场景。
- 扩展数据流服务（如持续监控、异步数据推送），满足实验装置对动态数据流的需求。

三、兼容性与系统扩展性

向后兼容设计
- PVA与CA协议可并行运行，允许V3和V7客户端/服务器混合部署，降低迁移成本。
- 提供softIocPVA等工具，支持传统IOC逐步过渡到PVA架构。
跨平台与工具链生态
- 支持多种操作系统（Linux、Windows、macOS）和硬件架构（x86、ARM）。
- 配套工具丰富，如pvget/pvput命令行工具、PvaPy（Python绑定）和PVXS库（C++优化），提升开发效率。

四、安全与可维护性增强

协议版本协商
- 支持版本自动协商（如v1/v2），适应不同客户端需求，避免兼容性冲突。
调试与监控能力
- 提供环境变量（如PVACCESS_DEBUG）输出详细序列化日志，便于排查问题。
- 通过casw和Wireshark工具实现协议层监控，提升运维效率。

五、适用场景扩展

科学装置与工业物联网：适用于高带宽、低延迟的大规模数据采集（如粒子加速器、同步辐射光源）。
实时控制系统：通过RPC和流式服务支持复杂控制逻辑，替代传统PLC通信协议。

EPICS V7与V3 协议比较

EPICS V7与V3版本的差异主要体现在协议架构、功能扩展和适用场景等方面。以下是基于历史对话和搜索结果的综合对比：

一、架构设计与核心协议

特性	V3	V7
核心协议	Channel Access (CA)	PV Access (PVA) + CA兼容
架构升级	基于UDP广播和TCP点对点通信的单层架构	引入中间件和服务层，形成面向服务的架构（SOA）
数据模型	仅支持标量数据（数值、字符串）	支持结构化数据（数组、图像、嵌套结构）

二、功能扩展与性能优化

数据传输能力
- V3：标量数据传输效率高，但无法处理复杂结构（如多维数组）。
- V7：通过pvData实现结构化数据序列化，支持增量更新和零拷贝传输，带宽利用率可达96-99% 。
服务扩展性
- V3：仅支持基础监控功能，缺乏远程服务接口。
- V7：新增RPC（远程过程调用）、数据流服务，支持分布式系统集成。
实时性与资源消耗
- V3：低资源占用，适合小型控制系统。
- V7：需更高CPU/内存资源，但支持大规模科学装置。

三、兼容性与过渡策略

协议兼容性
- V7保留CA协议接口，允许V3设备与新系统混合运行。
- 提供并行运行模式（如同时支持softIoc和softIocPVA）。
迁移路径
- 建议分阶段升级：优先在复杂数据传输场景引入PVA，逐步替换CA组件。
- 需配套工具链（如PVA Gateway）完善后方可全面替代。

四、应用场景对比

场景	V3适用性	V7优势
小型实验室监控系统	低延迟、资源敏感场景	兼容但非最优
大型科学装置（如同步辐射光源）	无法满足结构化数据需求	支持GB级图像流、RPC服务
工业实时控制	简单逻辑控制首选	需评估资源消耗与性能增益

五、开发与维护差异

开发复杂度
- V3：代码结构简单，但扩展性受限。
- V7：需掌握pvData和PVStructure等新API，支持动态数据结构定义。
工具链支持
- V7提供pvget、pvput等调试工具，并集成现代开发框架（如Ophyd与Bluesky Run Engine）。

EPICS V7 命令行工具说明

EPICS V7 的命令行工具在继承 V3 功能基础上，扩展了对 PV Access（PVA）协议的支持，同时兼容传统 Channel Access（CA）协议工具。以下是关键命令行工具的说明及用途分类：

一、传统 CA 协议工具（兼容 V7）

caget
- 功能：读取 PV（Process Variable）的当前值。
- 常用选项：

 Usage: caget [options] <PV name> ...

-h: Help: Print this message
  -V: Version: Show EPICS and CA versions
Channel Access options:
  -w <sec>: Wait time, specifies CA timeout, default is 1.000000 second(s)
  -c: Asynchronous get (use ca_get_callback and wait for completion)
  -p <prio>: CA priority (0-99, default 0=lowest)
Format options:
      Default output format is "name value"
  -t: Terse mode - print only value, without name
  -a: Wide mode "name timestamp value stat sevr" (read PVs as DBR_TIME_xxx)
  -d <type>: Request specific dbr type; use string (DBR_ prefix may be omitted)
      or number of one of the following types:
 DBR_STRING     0  DBR_STS_FLOAT    9  DBR_TIME_LONG   19  DBR_CTRL_SHORT    29
 DBR_INT        1  DBR_STS_ENUM    10  DBR_TIME_DOUBLE 20  DBR_CTRL_INT      29
 DBR_SHORT      1  DBR_STS_CHAR    11  DBR_GR_STRING   21  DBR_CTRL_FLOAT    30
 DBR_FLOAT      2  DBR_STS_LONG    12  DBR_GR_SHORT    22  DBR_CTRL_ENUM     31
 DBR_ENUM       3  DBR_STS_DOUBLE  13  DBR_GR_INT      22  DBR_CTRL_CHAR     32
 DBR_CHAR       4  DBR_TIME_STRING 14  DBR_GR_FLOAT    23  DBR_CTRL_LONG     33
 DBR_LONG       5  DBR_TIME_INT    15  DBR_GR_ENUM     24  DBR_CTRL_DOUBLE   34
 DBR_DOUBLE     6  DBR_TIME_SHORT  15  DBR_GR_CHAR     25  DBR_STSACK_STRING 37
 DBR_STS_STRING 7  DBR_TIME_FLOAT  16  DBR_GR_LONG     26  DBR_CLASS_NAME    38
 DBR_STS_SHORT  8  DBR_TIME_ENUM   17  DBR_GR_DOUBLE   27
 DBR_STS_INT    8  DBR_TIME_CHAR   18  DBR_CTRL_STRING 28
Enum format:
  -n: Print DBF_ENUM value as number (default is enum string)
Arrays: Value format: print number of requested values, then list of values
  Default:    Print all values
  -# <count>: Print first <count> elements of an array
  -S:         Print array of char as a string (long string)
Floating point type format:
  Default: Use %g format
  -e <nr>: Use %e format, with a precision of <nr> digits
  -f <nr>: Use %f format, with a precision of <nr> digits
  -g <nr>: Use %g format, with a precision of <nr> digits
  -s:      Get value as string (honors server-side precision)
  -lx:     Round to long integer and print as hex number
  -lo:     Round to long integer and print as octal number
  -lb:     Round to long integer and print as binary number
Integer number format:
  Default: Print as decimal number
  -0x: Print as hex number
  -0o: Print as octal number
  -0b: Print as binary number
Alternate output field separator:
  -F <ofs>: Use <ofs> as an alternate output field separator
Example: caget -a -f8 my_channel another_channel
  (uses wide output format, doubles are printed as %f with precision of 8)

支持数据类型：标量、数组（需配合 -# 参数限制输出元素数量）。

caput
- 功能：向 PV 写入值。
- 示例：

Usage: caput [options] <PV name> <PV value> ...
       caput -a [options] <PV name> <no of values> <PV value> ...
  -h: Help: Print this message
  -V: Version: Show EPICS and CA versions
Channel Access options:
  -w <sec>:  Wait time, specifies CA timeout, default is 1.000000 second(s)
  -c: Asynchronous put (use ca_put_callback and wait for completion)
  -p <prio>: CA priority (0-99, default 0=lowest)
Format options:
  -t: Terse mode - print only sucessfully written value, without name
  -l: Long mode "name timestamp value stat sevr" (read PVs as DBR_TIME_xxx)
Enum format:
  Default: Auto - try value as ENUM string, then as index number
  -n: Force interpretation of values as numbers
  -s: Force interpretation of values as strings
Arrays:
  Default: Put scalar
      Value format: all value arguments concatenated with spaces
  -S: Put string as an array of chars (long string)
  -a: Put array
      Value format: number of values, then list of values
Alternate output field separator:
  -F <ofs>: Use <ofs> as an alternate output field separator
Example: caput my_channel 1.2
  (puts 1.2 to my_channel)

ca_test
- 功能：该工具主要用于验证EPICS的Channel Access通信是否正常，例如测试进程变量(PV)的读写、监控和数据传输。
- 用法：
```
ca_test "PV名称"   #读测试
ca_test "PV名称" "PV值"   #写测试
```
- 示例：

     PS C:\Users\Hanlf> ca_test.exe Hanlf:cirlce:x
     Not Found Hanlf:cirlce:x  #变量不存在

name:   Hanlf:circle:x  #变量名称
native type:    DBR_DOUBLE #变量类型
native count:   1          #变量个数 
DBR_STRING      -0.985     #各种类型读值
DBR_SHORT       0
DBR_FLOAT       -0.9848
DBR_ENUM        0
DBR_CHAR        0
DBR_LONG        0
DBR_DOUBLE      -0.9848
DBR_STS_STRING   0  0   Value: -0.985
DBR_STS_SHORT    0  0   Value: 0
DBR_STS_FLOAT    0  0   Value: -0.9848
DBR_STS_ENUM     0  0   Value: 0
DBR_STS_CHAR     0  0   Value: 0
DBR_STS_LONG     0  0   Value: 0
DBR_STS_DOUBLE   0  0   Value: -0.9848
DBR_TIME_STRING  0  0   TimeStamp: 2025/03/25 10:30:07.366608   Value: -0.985
DBR_TIME_SHORT   0  0   TimeStamp: 2025/03/25 10:30:07.366608   Value: 0
DBR_TIME_FLOAT   0  0   TimeStamp: 2025/03/25 10:30:07.366608   Value: -0.9848
DBR_TIME_ENUM    0  0   TimeStamp: 2025/03/25 10:30:07.366608   Value: 0
DBR_TIME_CHAR    0  0   TimeStamp: 2025/03/25 10:30:07.366608   Value: 0
DBR_TIME_LONG    0  0   TimeStamp: 2025/03/25 10:30:07.366608   Value: 0
DBR_TIME_DOUBLE  0  0   TimeStamp: 2025/03/25 10:30:07.366608   Value: -0.9848
DBR_GR_STRING    0  0   Value: -0.985
DBR_GR_SHORT     0  0
               0        0        0        0        0        0   Value: 0
DBR_GR_FLOAT     0  0    3
           0.000    0.000      nan      nan      nan      nan   Value: -0.9848
DBR_GR_ENUM      0  0   Value: 0
DBR_GR_CHAR      0  0
               0        0        0        0        0        0   Value: 0
DBR_GR_LONG      0  0
               0        0        0        0        0        0   Value: 0
DBR_GR_DOUBLE    0  0    3
           0.000    0.000      nan      nan      nan      nan   Value: -0.9848
DBR_CTRL_STRING  0  0   Value: -0.985
DBR_CTRL_SHORT   0  0
               0        0        0        0        0        0        0        0 Value: 0
DBR_CTRL_FLOAT   0  0    3
           0.000    0.000      nan      nan      nan      nan    0.000    0.000 Value: -0.9848
DBR_CTRL_ENUM    0  0   Value: 0
DBR_CTRL_CHAR    0  0
               0        0        0        0        0        0        0        0 Value:    0
DBR_CTRL_LONG    0  0
               0        0        0        0        0        0        0        0 Value: 0
DBR_CTRL_DOUBLE  0  0    3
           0.000    0.000      nan      nan      nan      nan    0.000    0.000 Value: -0.984808
DBR_STSACK_STRING        0  0  1  0 -0.985
DBR_CLASS_NAME  calc

PS C:\Users\Hanlf> ca_test.exe Hanlf:circle:period 2    #写测试
name:   Hanlf:circle:period
native type:    6
native count:   1
DBR_STRING      2
DBR_SHORT       2
DBR_ENUM        2
DBR_CHAR        2
DBR_LONG        2
DBR_FLOAT       2.0000
DBR_DOUBLE      2.0000

caEventRate
- 功能：统计 PV 事件更新速率（适用于监控高频数据流）。
- 用法：
```
caEventRate "PV名称" 10  # 订阅10次
```
- 示例：

caEventRate.exe Hanlf:circle:x
Connecting to CA Channel "Hanlf:circle:x" 1 times. done(0.056113 sec).  #链接时间
Subscribing 1 times. done(0.000047 sec).  #订阅时间
Waiting for initial value events. done(0.013684 sec). #Value事件等待时间
CA Event Rate (Hz): current 0.99984 mean 0.99984 std dev 0   #事件率更新（当前值、平均值、偏差）
CA Event Rate (Hz): current 1.49232 mean 1.24608 std dev 0.246238
CA Event Rate (Hz): current 0.999591 mean 1.16392 std dev 0.232214
CA Event Rate (Hz): current 0.874057 mean 1.09145 std dev 0.237057
CA Event Rate (Hz): current 0.99972 mean 1.0731 std dev 0.215182
CA Event Rate (Hz): current 0.99944 mean 1.06083 std dev 0.198342

二、新增 PVA 协议终端工具（V7 核心）

pvget
- 功能：通过 PVA 协议获取结构化数据（支持嵌套字段和数组）。
- 用法：

   Usage: pvget [options] <PV name>...

options:
  -h: Help: Print this message
  -V: Print version and exit
  -r <pv request>:   Request, specifies what fields to return and options, default is ''
  -w <sec>:          Wait time, specifies timeout, default is 5.000000 second(s)
  -p <provider>:     Set default provider name, default is 'pva'
  -M <raw|nt|json>:  Output mode.  default is 'nt'
  -v:                Show entire structure (implies Raw mode)
  -q:                Quiet mode, print only error messages
  -d:                Enable debug output
 deprecated options:
  -q, -t, -i, -n, -F: ignored
  -f <input file>:   errors
 Output details:
  -m -v:             Monitor in Raw mode.  Print only fields marked as changed.
  -m -vv:            Monitor in Raw mode.  Highlight fields marked as changed, show all valid fields.
  -m -vvv:           Monitor in Raw mode.  Highlight fields marked as changed, show all fields.
  -vv:               Get in Raw mode.  Highlight valid fields, show all fields.
example: pvget double01

用法：

PS C:\Users\Hanlf>pvget -M json Hanlf:circle:x  #以json格式输出结果
Hanlf:circle:x {value:-0.89879404629916715,alarm:{severity:0,status:0,message:"NO_ALARM"},timeStamp:{secondsPastEpoch:1742881462,nanoseconds:977292228,userTag:0},display:{limitLow:0.0,limitHigh:0.0,description:"",units:"",precision:3,form:{index:0,choices:["Default","String","Binary","Decimal","Hex","Exponential","Engineering"]}},control:{limitLow:0.0,limitHigh:0.0,minStep:0.0},valueAlarm:{active:false,lowAlarmLimit:NaN,lowWarningLimit:NaN,highWarningLimit:NaN,highAlarmLimit:NaN,lowAlarmSeverity:0,lowWarningSeverity:0,highWarningSeverity:0,highAlarmSeverity:0,hysteresis:0}}

pvput
- 功能：向 PV 写入结构化数据，支持复杂数据类型（如 JSON 格式输入）。
- 用法：

   Usage: pvput [options] <PV name> <value>
       pvput [options] <PV name> <size/ignored> <value> [<value> ...]
       pvput [options] <PV name> <field>=<value> ...
       pvput [options] <PV name> <json_array>
       pvput [options] <PV name> <json_map>

options:
  -h: Help: Print this message
  -V: Print version and exit
  -r <pv request>:   Request, specifies what fields to return and options, default is ''
  -w <sec>:          Wait time, specifies timeout, default is 5.000000 second(s)
  -p <provider>:     Set default provider name, default is 'pva'
  -M <raw|nt|json>:  Output mode.  default is 'nt'
  -v:                Show entire structure (implies Raw mode)
  -q:                Quiet mode, print only error messages
  -d:                Enable debug output
 Deprecated options:
  default: Auto - try value as enum string, then as index number
  -n, -s, -F, -t: ignored
  -f <input file>: error
 JSON support is present

Examples:

  pvput double01 1.234       # shorthand
  pvput double01 value=1.234

  pvput arr:pv X 1.0 2.0  # shorthand  (X is arbitrary and ignored)
  pvput arr:pv "[1.0, 2.0]"            # shorthand
  pvput arr:pv value="[1.0, 2.0]"

Field values may be given with JSON syntax.

Complete structure

  pvput double01 '{"value":1.234}'

Sub-structure(s)

  pvput group:pv some='{"value":1.234}' other='{"value":"a string"}'

示例：

PS C:\Users\Hanlf> pvput Hanlf:circle:period '{"value":2}'   # 写入JSON格式数据  
Old : 2025-03-25 10:40:43.241  1
New : 2025-03-25 15:55:51.209  2

pvlist
- 功能：列出所有通过 PVA 协议发布的 PV。
- 用法：

options:
  -h: Help: Print this message
  -V: Print version and exit
  -i                 Print server info (when server address list/GUID is given)
  -w <sec>:          Wait time, specifies timeout, default is 3.000000 second(s)
  -q:                Quiet mode, print only error messages
  -d:                Enable debug output

examples:
        pvlist
        pvlist ioc0001
        pvlist 10.5.1.205:10000
        pvlist 0x83DE3C540000000000BF351F

示例：

PS C:\Users\Hanlf> pvlist #网络内
GUID 0xA011E26700000000FC8FC724 version 2: tcp@[ 10.12.20.23:5075 169.254.23.42:5075 ]

PS C:\Users\Hanlf> pvlist 10.12.20.23 
Hanlf:aSubExample
Hanlf:line:b
Hanlf:aiExample
Hanlf:aiExample1
Hanlf:ai1
Hanlf:aiExample2
Hanlf:ai2
Hanlf:aiExample3
Hanlf:ai3
Hanlf:circle:step
Hanlf:circle:period
Hanlf:circle:angle
Hanlf:line:a
Hanlf:circle:x
Hanlf:circle:y
Hanlf:calcExample
Hanlf:calcExample1
Hanlf:calc1
Hanlf:calcExample2
Hanlf:calc2
Hanlf:calcExample3
Hanlf:calc3
Hanlf:circle:tick
Hanlf:compressExample
Hanlf:example:version
Hanlf:subExample
Hanlf:xxxExample
Hanlf:circle
Hanlf:line

pvcall
- 功能：基于EPICS 7中引入的pvAccess协议实现的客户端工具，用于执行远程过程调用（ChannelRPC）。与传统的Channel Access相比，pvAccess支持更高效的结构化数据传输和原子化操作。主要用于向EPICS IOC（输入输出控制器）中的服务发送请求（Request）并接收响应（Response），例如执行数据库操作、设备校准等需要参数化交互的场景。
- 示例：

  pvcall -r "服务名:方法名" "请求数据（JSON格式）"

三、调试与监控工具

casw
- 功能：监控 CA 服务器信标异常（如网络中断或服务器重启事件）。
- 用法：
```
casw -i 2  # 设置日志级别为2，输出详细信标信息  
```
- 示例：

 PS C:\Users\Hanlf> casw.exe -i 2
  HANLF-PC:5064                            2025-03-25 15:59:00.684570300
  HANLF-PC:5064                            2025-03-25 15:59:00.706658300
  HANLF-PC:5064                            2025-03-25 15:59:15.712367870
  HANLF-PC:5064                            2025-03-25 15:59:15.716828115

pvx
- 功能：交互式调试工具，支持动态查询和操作 PV 数据（类似 Python Shell）。
- 示例：
```
>>> pv = connect("PV名称")  
>>> pv.value  # 读取数值字段  
```

四、工具链对比（CA vs PVA）

工具	协议	数据类型支持	典型用途
`caget`	CA	标量、简单数组	传统控制系统监控
`pvget`	PVA	嵌套结构、多维数组	科学实验数据流处理
`caput`	CA	基础类型写入	设备参数配置
`pvcall`	PVA	结构化请求/响应	分布式服务调用