📚 课程目录第2章 SECS/GEM协议栈

2. SECS/GEM 协议栈：SECS-I、SECS-II、HSMS 协议层次关系与通信模型

SECS/GEM 协议栈并非单一协议，而是由 SECS-I、SECS-II 和 HSMS 三个核心层次构成的标准化通信体系。理解这三层的职责划分、数据封装关系以及通信模型，是掌握设备模式切换与链路恢复机制的基础。

2.1 协议栈三层架构总览

SECS/GEM 协议栈遵循 OSI 模型的分层思想，将半导体设备通信任务分解为物理传输、消息格式化与语义控制三个独立层次。下表总结了各层在协议栈中的位置与核心职责：

协议层	对应 OSI 层	核心职责	典型载体/标准
HSMS	传输层 / 会话层	TCP/IP 连接管理、消息分帧、链路状态监测与恢复	TCP/IP 网络 (Ethernet)
SECS-II	表示层 / 应用层	消息类型定义、数据项格式 (SML)、功能函数 (Stream/Function)	消息内容标准 (E5)
SECS-I	数据链路层	块传输协议、RTS/CTS 握手、块序列控制与重传	RS-232C 串行接口 (E4)

关键认知： 在现代 300mm 晶圆厂中，HSMS 已全面取代 SECS-I 的 RS-232 物理层，但 SECS-I 的块传输逻辑（如块号、重传机制）仍被 HSMS 继承并简化。SECS-II 作为“通用语言”贯穿始终。

2.2 协议层次关系与数据封装

当主机（Host）向设备（Equipment）发送一条“请求设备状态”消息时，数据在协议栈中自上而下逐层封装。下图展示了完整的封装流程与各层头部信息：

    封装要点：
    SECS-II 只关心消息的语义（如 S1F1 表示“请求设备状态”），不关心如何传输。
HSMS 在 SECS-II 消息前添加 10 字节的帧头（Message Header），用于标识会话、消息类型和系统字节。
TCP/IP 将整个 HSMS 帧视为应用层数据，添加 TCP 头部后交给网络层。

2.3 SECS-I：块传输协议（传统串行层）

SECS-I（SEMI E4）定义了点对点串行通信的块传输机制。虽然现代工厂已较少直接使用 RS-232C 硬件，但其块传输逻辑（Block Transfer Protocol）对理解 HSMS 的“消息分块”概念仍有帮助。

2.3.1 SECS-I 核心机制

块 (Block)： 每个消息被分割为多个 256 字节的块，最后一块可小于 256 字节。
RTS/CTS 握手： 发送方发出 RTS（请求发送），接收方回复 CTS（允许发送）后，才开始传输块数据。
块号 (Block Number)： 每个块携带 1 字节的块号（0-127），用于接收方重组消息和检测丢块。
重传机制： 接收方通过 ENQ/ACK/NAK 协议确认每个块的接收，超时或 NAK 触发重传。

注意： SECS-I 的 RTS/CTS 握手与硬件流控（RS-232 的 RTS/CTS 引脚）名称相同但含义不同。SECS-I 的 RTS/CTS 是消息级的软件握手，而非引脚电平控制。

2.4 SECS-II：消息标准化层

SECS-II（SEMI E5）定义了设备与主机之间交换消息的语法和语义。它是 GEM 标准的基础，所有设备行为（如状态上报、报警、数据收集）都通过 SECS-II 消息实现。

2.4.1 消息结构：Stream 与 Function

每条 SECS-II 消息由 Stream (流) 和 Function (功能) 唯一标识，格式为 S<n>F<m>。例如 S1F1 表示 Stream 1、Function 1。

Stream 编号	功能分类	典型消息示例
1	设备状态与控制	S1F1 (请求状态), S1F13 (建立通信请求)
2	设备控制与诊断	S2F17 (日期时间请求), S2F41 (远程命令)
5	报警管理	S5F1 (报警上报), S5F3 (报警使能)
6	数据收集	S6F11 (事件上报), S6F15 (数据收集请求)
7	配方管理	S7F1 (配方请求), S7F19 (配方下载)

2.4.2 数据项格式 (SML)

SECS-II 使用 SML (SECS Message Language) 表示数据项。基本格式为 <数据类型值>，支持嵌套列表 <L>。

// 示例：S1F1 请求设备状态（无数据项）
S1F1 W

// 示例：S1F2 响应设备状态（包含列表数据）
S1F2 
<L
  <A "MDLN">      // 设备型号
  <A "SOFTREV">   // 软件版本
>

实践提示： 在调试设备通信时，使用 Wireshark 抓包并配合 SECS-II 解析器，可以直观看到 Stream/Function 和数据项内容。这是排查模式切换失败或链路恢复异常的首选方法。

2.5 HSMS：高速消息服务层

HSMS（SEMI E37）是基于 TCP/IP 的通信协议，是当前半导体工厂自动化的事实标准。它取代了 SECS-I 的串行物理层，同时保留了 SECS-II 的消息语义。

2.5.1 HSMS 帧结构

HSMS 帧由 10 字节的消息头 和 可变长度的消息体（即 SECS-II 消息）组成。

偏移 (字节)	字段	长度 (字节)	说明
0-1	Session ID	2	设备会话标识，通常为设备 ID
2	Header Byte 2	1	保留位 / 控制位
3	PType	1	协议类型 (0=SECS-II)
4	SType	1	会话类型 (0=数据消息, 1=选择, 2=分离, 9=链路测试)
5-7	System Bytes	3	系统字节，用于消息配对与超时检测
8-9	Length	2	消息体长度 (字节数)
10+	Message Body	可变	SECS-II 消息内容

2.5.2 HSMS 通信模型：主动连接与被动连接

HSMS 定义了两种连接角色：

主动实体 (Active Entity)： 发起 TCP 连接的一方，通常是主机（Host）。
被动实体 (Passive Entity)： 监听 TCP 连接请求的一方，通常是设备（Equipment）。

下图展示了 HSMS 连接建立与链路测试的典型流程：

2.5.3 HSMS 状态机

HSMS 定义了 5 种连接状态，设备与主机在通信过程中在这 5 种状态之间迁移：

状态	描述	典型触发条件
Not Connected	未建立 TCP 连接	设备启动、连接断开、连接失败
Connected	TCP 连接已建立，但未完成 HSMS 选择	TCP 三次握手完成
Selected	HSMS 选择完成，可交换 SECS-II 数据消息	Select.req / Select.rsp 成功
Link Test	正在执行链路测试	Linktest.req 发送后等待响应
Not Selected	TCP 连接存在，但 HSMS 会话已分离	Deselect.req / Deselect.rsp 或通信错误

    链路恢复关键点： 当 HSMS 检测到链路超时（Linktest 无响应）或收到 TCP RST 时，状态机从 Selected 回退到 Not Connected。设备应用层（GEM）必须监听此状态变化，触发 通信状态 (COMM) 从 ENABLED 切换到 DISABLED，并启动重连计时器。

2.6 三层协议协同工作模型

在实际运行中，SECS-I（或 HSMS）、SECS-II 和 GEM 标准协同工作，形成完整的通信模型。下图展示了从物理层到应用层的完整调用关系：

学习建议： 在后续章节学习设备模式切换（如 ONLINE → OFFLINE）时，请时刻思考：这个切换命令在 SECS-II 层是哪个 Stream/Function？在 HSMS 层如何封装传输？链路断开时 GEM 状态机如何响应？这种分层思维是诊断通信故障的核心能力。