NXP的i.MX RT1180 crossoverMCU具有Arm Cortex-M7（CM7）和Cortex-M33（CM33）雙內核，CM7內核的運行速度可達800 MHz，CM33內核的運行頻率可達240 MHz，并擁有1.5 MB的片上RAM。該系列支持多種協(xié)議，實現(xiàn)了實時以太網(wǎng)與工業(yè)4.0系統(tǒng)之間的通信橋梁。并通過集成的EdgeLock Secure Enclave提供更高級的安全性。

RT1180包含了一個集成的Gbit/s時間敏感網(wǎng)絡（TSN）交換機和EtherCAT從控制器（ESC）。這使其非常適合工業(yè)和汽車通信應用。MCU還支持使用MCUXpresso生態(tài)系統(tǒng)，其中包括SDK、IDE選擇以及安全配置和配置工具，可以幫助工程師實現(xiàn)快速開發(fā)。

EtherCAT是一種高性能的實時以太網(wǎng)通信協(xié)議。它通常用于工業(yè)自動化領域的實時控制和通信，如伺服電機控制等。Beckhoff于2003年開發(fā)了EtherCAT，國際電工委員會（IEC）將EtherCAT標準化為IEC61158標準。它使用以太網(wǎng)標準IEEE 802.3中定義的標準幀和物理層。

EtherCAT解決了自動化行業(yè)面臨的具體需求，如下所示：

存在具有確定性響應時間的硬實時要求

系統(tǒng)通常由許多節(jié)點組成，每個節(jié)點只有少量的循環(huán)過程數(shù)據(jù)

IT管理員不調試和維護現(xiàn)場總線系統(tǒng)

i.MX RT1180 EtherCAT外設中的SM（同步管理器）和FMMU（現(xiàn)場總線內存管理單元）是實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)通信的關鍵組件。它們通過優(yōu)化數(shù)據(jù)交換和提升通信安全性，在工業(yè)自動化應用中發(fā)揮著重要作用。以下將對SM和FMMU的功能及應用進行詳細介紹。

1. EtherCAT通信機制

在EtherCAT主站和從站搭建的系統(tǒng)中，主站會發(fā)出一個EtherCAT幀，所有從站都會接收該幀并且發(fā)送自身控制數(shù)據(jù)到主站。

RT1180具備兩個EtherCAT端口，下圖展示了主站與從站之間的傳播路徑。當EtherCAT主站幀到達從站時，從站從EtherCAT幀讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入EtherCAT幀。這個幀會穿過每個從站，最后回到主站那里。

在EtherCAT通信過程中，有兩個功能起到了很關鍵的作用，一個是Fieldbus Memory Management Units(FMMU) 還有一個是SyncManager(SM)，Reference Manual手冊中的描述稍微有點抽象，下面帶大家結合實際工程看下他們是如何起作用的。

2.FMMU-Fieldbus MemoryManagement Units

現(xiàn)場總線內存管理單元（FMMU）通過內部地址映射將邏輯地址轉換為物理地址。FMMU 允許對跨越多個從站的數(shù)據(jù)段使用邏輯尋址：一個數(shù)據(jù)報可以尋址多個任意分布的ESC 內的數(shù)據(jù)。

i.MX RT1180支持最大八個FMMU，由EtherCAT主站初始化。FMMU可以從EtherCAT主站定義的八個不同邏輯地址獲取數(shù)據(jù)。邏輯地址是指主站中的地址空間，而物理地址則是從站中的空間。FMMU訪問類型可以被配置為讀，寫，或者讀和寫。

此外，F(xiàn)MMU還有其他特性，例如:每個邏輯地址最多可以由一個 FMMU（讀）加一個 FMMU（寫）映射，或者由一個FMMU（讀/寫）映射。如果為同一邏輯地址配置了兩個或多個 FMMU（方向相同-讀或寫），則使用編號較低（配置地址空間較低）的 FMMU，其他 FMMU 將被忽略。更多FMMU的特性可以參考RT1180的ReferenceManual.

3.SyncManager(SM)

SyncManager(SM)即為同步管理器，EtherCAT從站的存儲空間可用于在EtherCAT主機和本地應用程序（在連接到PDI的微控制器）之間交換數(shù)據(jù)，沒有任何限制。像這樣使用內存進行通信有一些缺點，SyncManagers（SM）主要就是用來解決這些缺點：

無法保證數(shù)據(jù)一致性。信號量必須在軟件中實現(xiàn)，以便以一致的方式交換數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)安全沒有保證。軟件中必須實施安全機制

EtherCAT主站和應用端都必須輪詢內存，以了解對方的訪問何時完成

SM能夠在EtherCAT主站和本地應用程序之間實現(xiàn)一致且安全的數(shù)據(jù)交換，并且會產(chǎn)生SM中斷。SM支持兩種通信模式，

模式一Buffered Mode:

BufferedMode允許 EtherCAT 主站和本地應用程序雙方隨時訪問通信緩沖區(qū)。消費者始終獲得生產(chǎn)者寫入的最新緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，而生產(chǎn)者始終可以更新緩沖區(qū)的內容。如果緩沖區(qū)的寫入速度比讀出速度快，舊數(shù)據(jù)將被丟棄。這種模式常被用于周期性通信。

模式二Mailbox Mode:

郵箱模式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換的握手機制，因此不會丟失任何數(shù)據(jù)。每一方（EtherCAT 主站或本地應用程序）只有在另一方完成訪問后才能訪問緩沖區(qū)。首先，生產(chǎn)者寫入緩沖區(qū)。然后，緩沖區(qū)被鎖定無法寫入，直到消費者將其讀出。之后，生產(chǎn)者再次具有寫入訪問權限，而緩沖區(qū)則為消費者鎖定。

4.SM和FMMU在實際工程中的使用

結合SDK中的EtherCAT digitalio工程，看一下FMMU和SM的配置。通過TwinCAT3直接讀取FMMU相關的寄存器。

不難看出，在該工程中一共使能了三個FMMU，其中FMMU0的邏輯地址是0x01000000，長度為1，物理地址為0x1100，方向是寫，使能。FMMU1的邏輯地址為0x01000000，長度是1，物理地址為0x1400，方向是讀。FMMU0和FMMU1使用的邏輯地址都是0x01000000，上文提到過，同一個邏輯地址最多由兩個FMMU分別映射為讀寫，或者由一個FMMU映射為可讀可寫。如果出現(xiàn)第三個FMMU映射該邏輯地址，則會失效。

FMMU2的邏輯地址為0x09000000，長度是1，物理地址為0x080d，方向是讀,該物理地址中保存的是SM的狀態(tài)寄存器。在通信過程中主站會不斷地去獲取SM的狀態(tài)。

接下來再看SM的寄存器配置:

RT1180最多支持8個SyncManager,在該工程中一共用到了四個：

SM0起始地址為0x1000,長度為0x80,模式選擇郵箱模式

SM1起始地址為0x1080,長度為0x80,模式也是郵箱模式

SM2起始地址為0x1100,長度為0x1,模式為Buffered mode

SM3起始地址為0x1400,長度為0x1,模式也是Bufferedmode

FMMU映射的物理地址，正是SM所在起始地址，F(xiàn)MMU寫方向，對應SM主站寫從站讀設置，F(xiàn)MMU讀方向，對應SM從站寫主站讀設置。

一般來說，SM0設置為主站輸出郵箱，SM1設置為主站輸入郵箱，SM2設置為主站輸出過程數(shù)據(jù)(主站寫)，SM3設置為主站輸入過程數(shù)據(jù)(主站讀)。

5.SM和FMMU初始化

SM和FMMU都是由主站進行初始化，TwinCAT3中無法看到主站的具體操作，在RT1180 SDK中提供了開源EtherCAT主站SOEM的demo可以通過該demo來看下SM和FMMU是如何被初始化的。工程目錄:

SDK_2_16_000_MIMXRT1180-EVKoardsevkmimxrt1180soem_examplessoem_servo_motormcm33

初始化SM:

首先主站會讀取EEPROM來獲取寫郵箱數(shù)據(jù)長度，如果寫郵箱數(shù)據(jù)長度大于0，則會對SM0和SM1進行相關參數(shù)設置。

賦值。

然后根據(jù)讀取EEPROM獲取SM的個數(shù)，來依次完成所有SM的參數(shù)設置。

初始化FMMU:

FMMU主要是通過以下兩個函數(shù)初始化的: ecx_config_create_input_mappings, ecx_config_create_output_mappings.

此處以ecx_config_create_input_mappings函數(shù)舉例:

首先會去判斷SM是否小于SM最大值，并且判斷當前slave是否存在輸入數(shù)據(jù)(input bits)，只要有1個inputbit就會配置FMMU。并判斷當前SM的類型是否是Inputs類型，如果不是則判斷下一個SM。

找到Inputs類型的SM之后，會根據(jù)SM中的參數(shù)來設置FMMU的相關參數(shù)。下圖代碼中直接將SM中的地址賦值給了FMMU的物理地址。

完成賦值之后，后面還會進行一系列操作，比如判斷該從站是否還有其他Inputs類型的SM。輸出FMMU的配置與輸入類似。此處不再過多贅述，感興趣的讀者可以下載官方SDK閱讀源碼。

至此，i.MX RT1180EtherCAT外設中SM FMMU功能介紹及應用基本講述完畢，由于篇幅原因，很多源碼和細節(jié)沒有在這里詳細展開，感興趣的讀者可以在NXP官網(wǎng)下載RT1180 Reference Manual以及通過SDK進行深入了解。

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