EtherCAT数据帧结构详解

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EtherCAT数据帧结构详解

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CSDN

https://blog.csdn.net/m0_37763336/article/details/101932652

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一种用于工业自动化领域的实时以太网通信协议，它通过优化以太网帧结构和传输机制，实现了高速、低延迟的数据传输。本文将详细介绍EtherCAT数据帧的结构，帮助读者理解其工作原理。

EtherCAT数据包含2B的数据头和44~1948B的数据区。数据区由多个子报文组成。由于EtherCAT本身是通过以太网数据帧的形式传输，因此其协议帧中会携带以太网的帧头。

以太网数据帧头

（1）以太网数据帧头：EtherCAT协议基于以太网数据帧形式传输，携带以太网数据帧头包含目的地址6 Bytes，源地址6 Bytes和基于IEEE 802.3的帧类型0x88A4，长度为2 Bytes。

（2）目的地址：接收方的MAC地址，总长度6 Bytes， 48 bits.

（3）源地址：发送方的MAC地址，总长度 6 Bytes, 48 bits.

Mac地址：通常是48位长，格式为XX:XX:XX:XX:XX:XX，其中XX是十六进制数字。

// -------------------------------------------------------------------------------
// 常用MAC地址定义
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// 广播地址
const ETHERNET_ADDRESS_LEN BroadcastEthernetAddress = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};
// 第一个广播地址
const ETHERNET_ADDRESS FirstMulticastEthernetAddress = {0x01, 0, 0x5e, 0, 0, 0};
// 空MAC地址
const ETHERNET_ADDRESS NullEthernetAddress = { 0, 0, 0, 0, 0, 0 };
// --------------------------------------------------------------------------------
// 以太网数据帧头的数据结构定义
// --------------------------------------------------------------------------------
typedef struct TETHERNET_FRAME
{
    ETHERNET_ADDRESS	Destination;	// 目的地址
    ETHERNET_ADDRESS	Source;			// 源地址
    USHORT				FrameType;		// 主机字节顺序
}ETHERNET_FRAME, *PETHERNET_FRAME;

（4）帧类型：帧类型根据标准定义有不同类型，其中EtherCAT固定使用0x88A4。

采用评论区老哥的表述：有的如果用UDP，那这里就是0x0800，而不是0x88A4。感谢老哥纠正。

#define ETHERNET_FRAME_TYPE_ECAT	0x88A4		// EtherCAT数据帧的以太类型
#define ETHERNET_MAX_FRAME_LEN		1518		// 以太网数据帧的最大长度, 6+6+2+2+1498+4

EtherCAT数据帧结构

（5）EtherCAT数据由EtherCAT数据头和EtherCAT数据区组成。

（6）EtherCAT头由长度、保留位和类型组成。其中长度表示EtherCAT数据区长度，即所有子报文长度总和；类型中，1表示与从站通信，其余数据保留。

// --------------------------------------------------------------------------------
// EtherCAT数据头定义
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typedef struct TETYPE_88A4_HEADER
{
    USHORT Length : 11;		// 后续数据长度
    USHORT Reserved : 1;	// 保留
    USHORT Type : 4;		// 由ETYPE_88A4_TYPE_xxx定义
}ETYPE_88A4_HEADER, *PETYPE_88A4_HEADER;
#define ETYPE_88A4_HEADER_LEN	sizeof(ETYPE_88A4_HEADER)
// --------------------------------------------------------------------------------
// EtherCAT 数据帧类型定义
// --------------------------------------------------------------------------------
#define		ETYPE_88A4_TYPE_ECAT		1		// ECAT header follows
#define		ETYPE_88A4_TYPE_ADS			2		// ADS header follows
#define		ETYPE_88A4_TYPE_IO			3		// IO
#define		ETYPE_88A4_TYPE_NV			4		// Network Variables
#define		ETYPE_88A4_TYPE_CANOPEN5	5		// ETHERCAT_CANOPEN_HEADER follows

（7）EtherCAT数据区由多个子报文组成，子报文中包含子报文头、子报文数据和工作计数器WKC。

（7.1）命令：寻址方式和读写方式定义。

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// EtherCAT 命令类型定义，寻址方式将在下一节做介绍
// -------------------------------------------------------------------------------- 
typedef enum
{
    EC_CMD_TYPE_NOP = 0,   // 没有操作
    EC_CMD_TYPE_APRD = 1,  // 主站使用顺序寻址在从站中*读取*一定长度的数据
    EC_CMD_TYPE_APWR = 2,  // 主站使用顺序寻址在从站中*写入*一定长度的数据
    EC_CMD_TYPE_APRW = 3,  // 主站使用顺序寻址与从站*交换*数据
    EC_CMD_TYPE_FPRD = 4,  // 主站使用设置寻址与在从站中*读取*一定长度的数据
    EC_CMD_TYPE_FPWR = 5,  // 主站使用设置寻址与在从站中*写入*一定长度的数据
    EC_CMD_TYPE_FPRW = 6,  // 主站使用设置寻址与从站*交换*数据
    EC_CMD_TYPE_BRD = 7,   // 主站从所有从站的物理地址读取数据并做逻辑或
    EC_CMD_TYPE_BWR = 8,   // 主站广播写入所有从站
    EC_CMD_TYPE_BRW = 9,   // 与所有从站交换数据，对读取的数据做逻辑或
    EC_CMD_TYPE_LRD = 10,  // 主站使用逻辑寻址在从站*读取*一定长度的数据
    EC_CMD_TYPE_LWR = 11,  // 主站使用逻辑寻址在从站*写入*一定长度的数据
    EC_CMD_TYPE_LRW = 12,  // 主站使用逻辑寻址与从*站交*换数据
    EC_CMD_TYPE_ARMW = 13, // 由从站读取数据，并写入后所有从站地址相同
    EC_CMD_TYPE_EXT = 255, // 由从站读取数据，并写入后所有从站地址相同
}EC_CMD_TYPE;

（7.2）索引：帧编码。

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// EtherCAT 数据帧INDEX定义
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#define EC_HEAD_IDX_ACYCLIC_MASK 0x80
#define EC_HEAD_IDX_SLAVECMD	 0x80
#define EC_HEAD_IDX_EXTERN_VALUE 0xFF

（7.3）地址区：从站地址

（7.4）长度：报文数据区长度

（7.5） R：保留位

（7.6）M：后续报文标志

（7.7）状态位：中断到来标志

（7.8）数据区：子报文数据结构定义

（7.9） WKC：工作计数器，用于记录子报文被从站操作的次数。子报文每次被从站正确处理后WKC增加一个量。

为使更清楚的认识EtherCAT数据帧结构，以下贴上Ethernet数据帧结构图作为对比。