EtherCAT主站協(xié)議棧性能測(cè)試：速度與效率的完美結(jié)合

在使用EtherCAT技術(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)，性能往往起著決定性的作用。但是，性能的真正含義是什么呢？在大多數(shù)情況下，性能等同于速度。在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，這通常意味著需要快速的周期時(shí)間，大約1kHz或更快，以實(shí)現(xiàn)快速的控制周期。然而，高性能也可能意味著處理大量數(shù)據(jù)，或者從一個(gè)控制器上操作多個(gè)設(shè)備。

在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，這些性能考慮因素都?xì)w結(jié)為EtherCAT主站。因此，EtherCAT主站軟件應(yīng)滿足以下所有要求：

• 支持較短的周期時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速的設(shè)備更新率
• 支持處理大量循環(huán)過程數(shù)據(jù)
• 能夠處理許多EtherCAT設(shè)備

此外，所有這些都必須在控制器上以盡可能低的負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于高性能的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)部署，不應(yīng)在功能、錯(cuò)誤檢查、診斷選項(xiàng)和出現(xiàn)問題時(shí)的可靠性方面妥協(xié)。基于此，本文將提出一種測(cè)量方法并給出結(jié)果，便于您對(duì)EC-Master協(xié)議棧的性能有更多了解。

測(cè)量方法

為了支持控制硬件的選擇，或者為了能夠?qū)ΜF(xiàn)有硬件在EtherCAT方面的可能性做出聲明，可以利用現(xiàn)有的性能值進(jìn)行新的測(cè)量。在應(yīng)用的關(guān)鍵循環(huán)處理區(qū)域中，正確且精確地測(cè)量EtherCAT協(xié)議棧建立的主站軟件運(yùn)行的所有處理路徑的計(jì)算時(shí)間消耗，這一點(diǎn)非常重要。近年來(lái)，盟通科技合作伙伴acontis在具有不同操作系統(tǒng)和相同參考網(wǎng)絡(luò)配置的不同系統(tǒng)上進(jìn)行了大量的性能測(cè)量。此數(shù)據(jù)可用于粗略評(píng)估給定處理器上可實(shí)現(xiàn)的性能。

然而，最可靠的值當(dāng)然是通過在運(yùn)行所需操作系統(tǒng)和實(shí)際所需網(wǎng)絡(luò)配置的真實(shí)硬件上進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量而獲得的。這些測(cè)量不需要任何特殊的專業(yè)知識(shí)或額外的設(shè)備，并且可以通過EC-Master中包含的示例應(yīng)用程序進(jìn)而非常容易地執(zhí)行：EcMasterDemo和EcMasterDemoDc。在這些演示應(yīng)用程序中，各個(gè)主作業(yè)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間（最小值、最大值和平均值）以及周期時(shí)間被計(jì)算并保存到日志文件中（或打印到控制臺(tái)）。

示例應(yīng)用程序中的內(nèi)置測(cè)量函數(shù)

在acontis的EtherCAT主站軟件協(xié)議棧中，應(yīng)用程序與循環(huán)部分的主站集成是通過同步調(diào)用某些功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)函數(shù)都完成一項(xiàng)特定的任務(wù)。這些函數(shù)是從高優(yōu)先級(jí)任務(wù)中調(diào)用的，用于控制網(wǎng)絡(luò)計(jì)時(shí)。在許多情況下，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)已存在于客戶應(yīng)用程序中，因此可以簡(jiǎn)單地從此現(xiàn)有任務(wù)中調(diào)用函數(shù)。這些作業(yè)是在應(yīng)用程序的上下文中調(diào)用的，因此應(yīng)用程序不會(huì)與其他任務(wù)進(jìn)行交互。因此，通過測(cè)量這些函數(shù)的計(jì)算時(shí)間消耗，可以非常簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地確定主堆棧的計(jì)算時(shí)間消耗。

功能包括：

在一個(gè)周期的開始，EC-Master的示例Demo首先會(huì)更新新接收的數(shù)據(jù)（輸入）。這是通過調(diào)用Process Inputs作業(yè)函數(shù)并評(píng)估先前接收的EtherCAT幀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。接下來(lái)，應(yīng)用程序獲取這些新接收的數(shù)據(jù)，并計(jì)算出應(yīng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)（輸出）。當(dāng)調(diào)用Write Outputs作業(yè)函數(shù)時(shí)，這些新的輸出數(shù)據(jù)便被發(fā)送出去。借助Direct Memory Access (DMA)，幀從內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)?a target="_blank">以太網(wǎng)控制器并通過物理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，整個(gè)過程無(wú)需加載CPU。幀會(huì)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)上的所有EtherCAT設(shè)備，并在返回到主站時(shí)自動(dòng)接收，無(wú)需中斷。最后，調(diào)用"Master Administration"作業(yè)函數(shù)，執(zhí)行主狀態(tài)機(jī)和每個(gè)單獨(dú)從設(shè)備上的狀態(tài)機(jī)。

在初始啟動(dòng)過程中，所有從設(shè)備必須通過一系列連續(xù)步驟從INIT狀態(tài)轉(zhuǎn)移到OPERATIONAL狀態(tài)。在常規(guī)操作中，需要狀態(tài)機(jī)來(lái)處理非循環(huán)通信，例如通過郵箱協(xié)議CAN應(yīng)用協(xié)議在EtherCAT (CoE)上下載參數(shù)。這些非循環(huán)郵箱通信需要另一個(gè)幀，其中包含針對(duì)從站的讀取和寫入命令。這個(gè)非循環(huán)幀是使用“發(fā)送非循環(huán)數(shù)據(jù)報(bào)/命令”作業(yè)函數(shù)發(fā)送的。主站能夠限制這種非循環(huán)數(shù)據(jù)流量的方式非常重要，否則網(wǎng)絡(luò)或CPU可能會(huì)過載。

使用示例應(yīng)用程序進(jìn)行性能測(cè)量

EC-Master協(xié)議棧在隨附的示例應(yīng)用程序中具有內(nèi)置的性能測(cè)量功能?？梢允褂脦в惺纠龖?yīng)用程序（–perf） 的命令行參數(shù)來(lái)調(diào)用此性能度量計(jì)算。啟用后，示例應(yīng)用程序?qū)y(cè)量在應(yīng)用程序的循環(huán)部分內(nèi)調(diào)用的作業(yè)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間，以及循環(huán)任務(wù)本身消耗的總計(jì)算時(shí)間。示例應(yīng)用程序使用包含的API ecatPerfMeasStart（） 和ecatPerfMeasEnd（） 進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)間計(jì)算。

測(cè)量結(jié)果

以下測(cè)量結(jié)果是在具有不同循環(huán)時(shí)間的不同控制器上使用16、32和64個(gè)從站來(lái)執(zhí)行測(cè)試的。EtherCAT主站（EC-Master）在CPU上的負(fù)載百分比是通過將工作函數(shù)的累積運(yùn)行時(shí)間與總周期時(shí)間的比率來(lái)計(jì)算的。

Texas Instruments AM3359，ARM Cortex-A8,32位，600 MHz

NXP i.MX 8，ARM Cortex-A72,64位，1000 Mhz

Intel Atom, D510, 64-Bit, 1600MHz