1. SECS/GEM 协议概述
SECS/GEM（SEMI Equipment Communications Standard / Generic Equipment Model）是半导体制造设备与工厂主机（Host）之间进行数据通信与状态管理的行业标准协议族。它定义了从物理层到应用层的完整通信栈，是半导体工厂自动化（EAP、MES）的基石。
1.1 协议栈结构：HSMS 与 SECS-I
SECS/GEM 协议栈分为物理层、传输层、消息层和应用层。根据物理介质的不同，传输层分为两种主流实现：HSMS（High-Speed SECS Message Services） 和 SECS-I（RS-232）。
| 层级 | SECS-I（传统串口） | HSMS（高速以太网） |
|---|---|---|
| 物理层 | RS-232 串口，波特率 9600 / 19200 bps | TCP/IP 以太网，100 Mbps / 1 Gbps |
| 传输层 | SECS-I 块传输协议（Block Protocol） | HSMS 会话管理 + TCP 流传输 |
| 消息层 | SECS-II 消息格式（Stream & Function） | |
| 应用层 | GEM 模型（状态机、变量、事件、报警） | |
关键区别：HSMS 基于 TCP/IP，支持多会话、高速传输和远程连接；SECS-I 基于 RS-232，适用于单点低速串口设备。现代 300mm 晶圆厂几乎全部采用 HSMS。
协议栈记忆口诀：“物理传消息，应用看 GEM”——物理层选串口或以太网，传输层负责拆包/组包，消息层定义业务指令，应用层规范设备行为。
1.2 消息类型：Primary 与 Secondary
SECS-II 消息以 Stream（流） 和 Function（功能） 编号唯一标识，例如 S1F13、S2F41。在通信交互中，消息分为两种角色：
- Primary Message（主消息）：发起方主动发送的请求消息。例如 Equipment 发送
S1F13请求建立通信，或 Host 发送S2F41请求设备参数。 - Secondary Message（次消息）：接收方对 Primary 的回复消息。消息编号为对应 Primary 的 Function 号 + 1。例如
S1F14是S1F13的回复，S2F42是S2F41的回复。
| 方向 | 消息类型 | 示例 | 说明 |
|---|---|---|---|
| Host → Equipment | Primary | S2F41 (Host Command) | Host 请求设备执行某个命令 |
| Equipment → Host | Secondary | S2F42 (Command Acknowledge) | 设备回复命令执行结果 |
| Equipment → Host | Primary | S6F11 (Event Report) | 设备主动上报事件数据 |
| Host → Equipment | Secondary | S6F12 (Event Acknowledge) | Host 确认收到事件报告 |
容错要点：Primary 消息必须等待对应的 Secondary 回复，超时未收到回复时应触发重传或会话重置。Secondary 消息不能独立存在，必须与 Primary 成对出现。
1.3 会话建立流程
HSMS 会话建立是设备与 Host 通信的第一步，分为 主动模式（Active） 和 被动模式（Passive）。以最常见的设备主动连接 Host 为例，完整流程如下：
- TCP 连接建立：设备（Active）向 Host（Passive）的指定端口（默认 5000）发起 TCP 三次握手。
- HSMS 会话请求：设备发送
Select.req消息，请求建立 HSMS 会话。 - HSMS 会话确认：Host 回复
Select.rsp，携带状态码0（成功）或非零（失败）。 - 通信测试（Link Test）：双方定期发送
Linktest.req/Linktest.rsp检测连接活性。 - GEM 通信建立：设备发送
S1F13（Establish Communication Request），Host 回复S1F14确认，进入在线状态。
| 步骤 | 消息方向 | 消息内容 | 超时（典型值） |
|---|---|---|---|
| 1 | 设备 → Host | TCP SYN | 10 s |
| 2 | 设备 → Host | Select.req | 5 s |
| 3 | Host → 设备 | Select.rsp (Status=0) | — |
| 4 | 设备 → Host | S1F13 | 45 s |
| 5 | Host → 设备 | S1F14 | — |
容错关注点：步骤 2 和步骤 4 是常见超时故障点。Select.req 失败通常由端口未监听或防火墙导致；S1F13 超时可能由 GEM 配置不匹配引起。生产环境中建议将 Select.req 超时设为 5s，S1F13 超时设为 45s，并至少重试 3 次。
1.4 小结
本章介绍了 SECS/GEM 协议的核心概念：
- 协议栈结构：HSMS（以太网）与 SECS-I（串口）在传输层分叉，消息层和应用层统一。
- 消息类型：Primary 为主动请求，Secondary 为被动回复，两者成对出现，Function 号相差 1。
- 会话建立流程：TCP 连接 → Select.req/rsp → S1F13/S1F14，每一步都有明确的超时和重试策略。