基于 Zynq 平台的 EtherCAT 主站的软硬件协同设计
摘要: 针对工业自动化对控制能力和强实时性的需求，提出了一种基于 FPGA 的改进型 EtherCAT
硬件主站方案 。 该方案利用 Zynq－7000 平台，在 PL 端实现 FPGA 协议栈，以保证核心功能的高效执
行 。 基于 AXI4 总线设计 PS 与 PL 间的数据交互机制，提升主站的灵活性和数据传输效率 。 实验证明，
该设计实现了 88 ns 的最大通信抖动，保持了硬件主站的高实时性，并融合了 AＲM 的灵活性 。
0 引言
近年来，由于 EtherCAT 实时工业以太网技术的卓
越性能 ［ 1 ］ ，吸引了众多学者进行相关研究 。 其中在
Windows 和 Linux 操作系统上构建 EtherCAT 主站( 即
软件主站) 已成为工业控制领域的热点 ［ 2 ］ 。 然而，国
内外关于软件主站的实时性研究都因为操作系统的
性能而限制在 μ s 级 ［ 3－5 ］ 。 为了突破这一瓶颈，孙跃祥
等 ［ 6 ］ 将 EtherCAT 协议栈部分硬件化，即把协议栈的
数据 链 路 层 部 署 在 FPGA ( field-programmable gate
array ，现场可编程阵列) 上以降低部分抖 动 。 经 琦
等 ［ 7 ］ 进 一 步 将 EtherCAT 主站协议栈完全部署在
FPGA 上，以此来提升主站性能 。 这种 “ 硬件主站 ” 的
方法在提升硬件性能上取得了显著的效果，最大通信
抖动仅有 5 ns 。 由于缺乏强大的主控单元，在工业控
制领域上有一定的局限性 。 文献［ 8］提出将协议栈部
署在 Zynq 的 FPGA 上，主站的实时性由实时操作系统
保障 。 这使得通信周期的最大抖动高达 15 μ s ，并未
体现出硬件主站强大的实时性能 。
针对以上问题，本文采用 Zynq 系列芯片 。 该芯片
集成了 AＲM ( advanced risc machine ，高级精简指令集
计算机) 双核 Cortex－A9 处理器和具有 28 nm 制程的
FPGA 可编程逻辑阵列 ［ 9 ］ ，通过该芯片构建出更为高
效的 EtherCAT 硬件主站的设计方案 。
该方案通过软硬件协同设计的方式充分结合了
Zynq 的 AＲM 处理器处理复杂任务的能力，以 及
FPGA 硬件实时性的能力，既弥补传统软件主站性能
上的不足，又解决了单一 FPGA 主站灵活性差的问题，
满足了工业控制领域对控制和性能的双重需求 。
1
EtherCAT 工业以太网概述
EtherCAT 工业以太网系统由核心的主站设备和
多个执行单元 ——— 从站设备构成 。 如图 1 所示，主站
作为系统中心负责发起数据传输，通过发送数据帧来
控制整个网络 。而各从站设备则分布在网络中，它们 
的主要 任 务 是 响 应 主 站 的 指 令，执行具体的操作
任务 。
2
PL 设计
为了方便使用 verilog HDL ( hard description lan
guage ，硬件描述语言) 实现 EtherCAT 协议栈，本文依
据 OSI 七层网络模型对协议栈进行了层次划分，具体
分为应用层 、 数据链路层 、 物理层， FPGA 硬件主站框
架如图 2 所示 。
2．2 应用层 EtherCAT 状态机
EtherCAT 状态机是 EtherCAT 协议栈的基础，它
通过精确管理通信流程，确保系统的可靠性和稳定
性 。 状态机虽然增加了系统的复杂性，但对保障协议
栈的可靠性至关重要 。 其设计允许从站在配置错误
时拒绝状态变更，有效避免了潜在的运行故障 。 图 4
为主 站 使 能 从 站 从 初 始 化状态进入运行 ( OP ，
operation ) 的大致流程图 。
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