📚 课程目录第3章 Sitara EtherCAT从站软件架构

3. Sitara EtherCAT从站软件架构

在 Sitara AM335x/AM437x/AM57x 这类带 PRU-ICSS 的处理器上，EtherCAT 从站并不是“跑一个协议栈”那么简单，而是由三层协同构成：PRU-ICSS 内的 EtherCAT 从站控制器固件（ESC Firmware）、运行在 ARM 上的操作系统与驱动层、以及最上层的应用接口与过程数据接口（PDI）中断处理。理解这三层的分工与数据通路，是后续做从站移植、调试和性能优化的基础。

一、三层架构的分工

最底层是 PRU-ICSS EtherCAT 从站固件，TI 官方称为 PRU-ICSS EtherCAT Slave Firmware，它实现了 EtherCAT 从站控制器（ESC）的核心功能：EtherCAT 帧的收发、FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）与 SM（SyncManager）通道管理、分布式时钟（DC）时间戳、EEPROM 读取与 SII 信息、以及过程数据接口（PDI）的读写。固件运行在两个 PRU 核上，一个负责 EtherCAT 数据链路（MII 收发与帧处理），另一个负责与 ARM 侧交互（PDI 接口、中断、寄存器访问）。

中间层是 ARM 侧的驱动与协议栈。在 SYS/BIOS 方案中，TI 提供 PRU-ICSS EtherCAT Slave Driver，配合 NDK 或裸机环境使用；在 Linux 方案中，则通过 UIO 或 remoteproc/rpmsg 暴露 PRU 寄存器与中断，再由 EtherCAT Master 协议栈（如 SOEM、IgH EtherCAT Master 的从站侧对应实现）或 TI 的 EtherCAT Slave Stack Code（SSC） 完成邮箱通信、CoE（CANopen over EtherCAT）对象字典、状态机（INIT→PREOP→SAFEOP→OP）管理。驱动层的核心职责是把 PRU 固件暴露的寄存器映射成可读写的内存区域，并把 PDI 中断转换为操作系统可处理的中断事件。

最上层是应用层接口。它通过 SSC 生成的 API（如 ECAT_Application、APPL_InputMapping、APPL_OutputMapping）把过程数据映射到用户变量，同时处理 CoE 对象字典的读写回调。应用层不直接触碰 PRU 寄存器，而是通过协议栈提供的接口完成数据交换。

二、PDI 中断：从站实时性的关键

PDI（Process Data Interface）中断是 PRU 固件通知 ARM 侧“过程数据已更新”或“需要发送新数据”的机制。在 AM335x 上，PRU 通过 PRU_ICSS 中断控制器向 ARM 的 INTC 发出中断请求，典型映射为 PRU_ICSS_EVTOUT0~7。以 SYS/BIOS 为例，配置流程如下：

// 1. 在 PRU 固件中使能 PDI 中断
//    PRU1 写 PRU_ICSS_INTC 的 SRSR 寄存器
//    设置 PDI_ISR 位，触发 EVTOUT0

// 2. ARM 侧注册中断服务程序
Hwi_Params hwiParams;
Hwi_Params_init(&hwiParams);
hwiParams.arg = (UArg)&pdiEvent;
hwiParams.enableInt = TRUE;
Hwi_create(PRU_ICSS_EVTOUT0, pdiIsr, &hwiParams, NULL);

// 3. ISR 中读取过程数据
Void pdiIsr(UArg arg) {
    // 从共享 RAM 读取输入数据
    memcpy(inputBuffer, (void*)PRU_SHARED_RAM_IN, INPUT_SIZE);
    // 处理输出数据
    memcpy((void*)PRU_SHARED_RAM_OUT, outputBuffer, OUTPUT_SIZE);
    // 清除中断标志
    PRU_ICSS_INTC.SRSR = 0x01;
}

在 Linux 方案中，PDI 中断通常通过 UIO 设备暴露给用户空间，或由内核驱动注册 request_irq()。用户空间程序通过 read() 阻塞等待中断事件，再通过 mmap() 访问共享 RAM 完成数据交换。这种方式的实时性取决于内核调度延迟，通常需要配合 PREEMPT_RT 补丁或使用 SCHED_FIFO 实时线程。

三、应用层接口的实际使用

以 TI SSC 生成的代码为例，应用层需要实现三个关键回调：

APPL_InputMapping()：将 ESC 收到的过程数据（如电机位置、传感器状态）复制到用户变量。
APPL_OutputMapping()：将用户变量（如控制指令、目标位置）写入 ESC 的输出缓冲区。
APPL_Application()：在状态机进入 OP 后周期调用，执行实际控制逻辑。

一个典型的映射示例如下：

// 输入映射：ESC 输入 → 用户变量
void APPL_InputMapping(UINT16* pData) {
    // 假设输入过程数据为 4 字节位置 + 2 字节状态
    gMotorPosition = *(INT32*)pData;
    gSensorStatus  = *(UINT16*)(pData + 2);
}

// 输出映射：用户变量 → ESC 输出
void APPL_OutputMapping(UINT16* pData) {
    *(INT32*)pData = gTargetPosition;
    *(UINT16*)(pData + 2) = gControlWord;
}

这里需要注意字节序与对齐：EtherCAT 过程数据按小端序传输，而 PRU 共享 RAM 的访问宽度为 32 位，映射时需确保指针类型与数据宽度匹配，否则会出现数据错位。

四、调试与验证要点

实际调试时，建议按以下顺序排查：

确认 PRU 固件加载成功：检查 /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state 是否为 running，或 SYS/BIOS 下 PRU 是否已启动。
验证 PDI 中断是否触发：在 ISR 中翻转 GPIO 或用计数器统计中断次数，用示波器观察周期是否与 EtherCAT 周期一致（如 1ms）。
检查过程数据一致性：通过 ecat_master 工具读取从站输入数据，与用户变量对比，确认映射无误。
观察状态机迁移：从 INIT→PREOP→SAFEOP→OP，每一步都应有对应的邮箱通信和 PDI 中断，若卡在 SAFEOP 通常是 DC 同步或看门狗配置问题。

提示：PDI 中断的响应时间直接影响从站的最小周期。在 AM335x 上，PRU 到 ARM 的中断延迟约为 1~2μs，但 Linux 用户空间处理可能达到数十微秒。若需要更短周期，建议将关键数据搬运放在内核驱动或 PRU 内部完成，ARM 侧仅做非实时处理。

总结来说，Sitara EtherCAT 从站软件架构的核心是“PRU 固件做实时链路、ARM 驱动做桥接、应用层做业务”的三层分工。PDI 中断是连接 PRU 与 ARM 的纽带，其配置与响应特性决定了从站的实时性能。理解这三层的接口与数据流，才能在后续的移植、优化和故障排查中快速定位问题。