4. SECS/GEM协议详解
SECS/GEM（SEMI Equipment Communications Standard / Generic Equipment Model）是半导体及电子制造业设备自动化的事实标准协议族。在 AMHS 系统中，天车（OHT）、Stocker、Loadport 等物料搬运设备与 MES 之间的所有指令交互、状态上报、报警传递，几乎都基于 SECS/GEM 协议栈完成。本章将深入剖析其分层架构、消息编码格式以及 SML 描述语言。
4.1 协议栈总体架构：SECS-I、SECS-II、HSMS
SECS/GEM 协议栈自底向上分为三层：物理传输层（SECS-I 或 HSMS）、消息层（SECS-II）和应用模型层（GEM）。在现代化 AMHS 集成中，HSMS 已全面取代 SECS-I 成为主流物理层。
4.2 SECS-I（SEMI E4）与 HSMS（SEMI E37）对比
| 特性 | SECS-I（E4） | HSMS（E37） |
|---|---|---|
| 物理介质 | RS-232 串口（DB9/DB25） | TCP/IP 以太网（RJ45） |
| 最大速率 | 115.2 kbps | 100 Mbps / 1 Gbps |
| 连接方式 | 点对点（1 对 1） | 点对点 / 多会话（1 对 N） |
| 消息帧结构 | Length + Block + CRC | Message Header + Data |
| 超时机制 | T1/T2/T3/T4 | T3/T4/T5/T6/T7/T8 |
| AMHS 适用性 | 仅老旧设备（建议升级） | 所有新项目标配 |
4.3 SECS-II 消息格式：Stream & Function
SECS-II（SEMI E5）定义了设备与主机之间交换消息的格式。每条消息由 Stream（流） 和 Function（功能） 唯一标识，写作 S<nn>F<nn>。例如 S1F1 表示“Are You There”请求，S1F2 表示“On Line Data”响应。
4.3.1 Stream 分类
| Stream | 名称 | 典型用途 |
|---|---|---|
| S1 | Equipment Status | 设备状态查询、通信建立 |
| S2 | Equipment Control | 远程控制、参数设定 |
| S3 | Material Status | 物料状态、载具信息 |
| S4 | Material Control | 物料搬运指令、传送控制 |
| S5 | Exception / Alarm | 报警、异常上报 |
| S6 | Data Collection | 数据收集、Trace 数据 |
| S7 | Process Program | 配方管理（AMHS 中较少用） |
| S9 | System Error | 协议错误报告 |
4.3.2 消息方向与 W-bit
SECS-II 消息分为 Primary Message（主消息） 和 Secondary Message（副消息）。主消息中的 W-bit（Wait bit） 决定是否需要对方回复：
- W-bit = 1：主消息发送后，接收方必须回复对应的 Secondary 消息（如 S1F1 → S1F2）。
- W-bit = 0：主消息为单向通知，不需要回复（如 S6F11 事件报告）。
4.4 SECS-II 数据项编码（Item 格式）
SECS-II 消息体由若干 Item（数据项） 组成。每个 Item 包含 长度字节、数据格式字节 和 数据内容。常见格式码如下：
| 格式码（十六进制） | 类型 | 说明 | AMHS 典型用途 |
|---|---|---|---|
| 0x00 | List | 列表容器，可嵌套 | 包裹多个参数 |
| 0x10 | Binary | 二进制字节数组 | 状态位图 |
| 0x20 | Boolean | 布尔值（00/01） | 开关状态 |
| 0x40 | ASCII | 字符串 | 设备 ID、载具 ID、工单号 |
| 0x60 | I8 / I1 / I2 / I4 / I8 | 有符号整数 | 坐标、速度、计数 |
| 0x80 | F4 / F8 | 浮点数 | 位置偏移、重量 |
4.5 SML 语言基础
SML（SECS Message Language） 是描述 SECS-II 消息结构的文本化标记语言，广泛用于设备通信规范文档和测试工具（如 SEMI E5 标准附录、SECS 模拟器）。SML 使用缩进表示层级，关键字定义数据项。
4.5.1 SML 基本语法规则
- 每条消息以
S<n>F<n> W开头，W 表示 W-bit。 - 数据项使用
<类型> [变量名] 值格式。 L表示 List，<A>表示 ASCII 字符串，<I4>表示 4 字节整数。- 注释以
/* ... */包裹。
4.5.2 SML 示例：S2F41 远程命令（AMHS 搬运指令）
S2F41 W
<L>
<A> "MOVE_CMD" /* 命令名称 */
<L>
<A> "CARRIER_ID" /* 载具 ID */
<A> "OHT-2024-001"
<A> "SOURCE_PORT" /* 源端口 */
<A> "STK-01-LP-03"
<A> "DEST_PORT" /* 目标端口 */
<A> "STK-05-LP-07"
<A> "PRIORITY" /* 优先级 */
<I4> 1
</L>
</L>4.6 GEM 模型与 AMHS 的关联
GEM（SEMI E30）定义了设备的行为模型，包括：
- 状态模型（State Model）：设备在 INIT、IDLE、SETUP、PROCESSING 等状态间转换。
- 事件通知（Event Notification）：设备主动上报状态变化（如载具到达、搬运完成）。
- 报警管理（Alarm Management）：设备上报 S5F1/S5F2 报警消息。
- 远程命令（Remote Command）：主机通过 S2F41 下发搬运指令。
4.7 本章小结
- SECS/GEM 协议栈分为物理层（SECS-I/HSMS）、消息层（SECS-II）和应用模型层（GEM）。
- HSMS 基于 TCP/IP，是 AMHS 系统对接的推荐物理层；SECS-I 仅用于老旧设备兼容。
- SECS-II 消息由 Stream & Function 唯一标识，W-bit 控制是否需要回复。
- 数据项编码支持 List、ASCII、整数、浮点数等类型，嵌套结构用于复杂参数传递。
- SML 是描述 SECS-II 消息的文本语言，用于文档编写和测试工具。
- GEM 模型定义了设备状态机、事件、报警和远程命令，是 MES 与 AMHS 设备交互的行为契约。