NXP的i.MX RT1180 crossoverMCU具有Arm Cortex-M7（CM7）和Cortex-M33（CM33）雙內(nèi)核，CM7內(nèi)核的運(yùn)行速度可達(dá)800 MHz，CM33內(nèi)核的運(yùn)行頻率可達(dá)240 MHz，并擁有1.5 MB的片上RAM。該系列支持多種協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)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(jí)的安全性。

RT1180包含了一個(gè)集成的Gbit/s時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）交換機(jī)和EtherCAT從控制器（ESC）。這使其非常適合工業(yè)和汽車通信應(yīng)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(shí)現(xiàn)快速開發(fā)。

EtherCAT是一種高性能的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議。它通常用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)時(shí)控制和通信，如伺服電機(jī)控制等。Beckhoff于2003年開發(fā)了EtherCAT，國際電工委員會(huì)（IEC）將EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)化為IEC61158標(biāo)準(zhǔn)。它使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3中定義的標(biāo)準(zhǔn)幀和物理層。

EtherCAT解決了自動(dòng)化行業(yè)面臨的具體需求，如下所示：

存在具有確定性響應(yīng)時(shí)間的硬實(shí)時(shí)要求

系統(tǒng)通常由許多節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有少量的循環(huán)過程數(shù)據(jù)

IT管理員不調(diào)試和維護(hù)現(xiàn)場總線系統(tǒng)

i.MX RT1180 EtherCAT外設(shè)中的SM（同步管理器）和FMMU（現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元）是實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)通信的關(guān)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(dòng)化應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。以下將對SM和FMMU的功能及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1. EtherCAT通信機(jī)制

在EtherCAT主站和從站搭建的系統(tǒng)中，主站會(huì)發(fā)出一個(gè)EtherCAT幀，所有從站都會(huì)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(gè)EtherCAT端口，下圖展示了主站與從站之間的傳播路徑。當(dāng)EtherCAT主站幀到達(dá)從站時(shí)，從站從EtherCAT幀讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入EtherCAT幀。這個(gè)幀會(huì)穿過每個(gè)從站，最后回到主站那里。

在EtherCAT通信過程中，有兩個(gè)功能起到了很關(guān)鍵的作用，一個(gè)是Fieldbus Memory Management Units(FMMU) 還有一個(gè)是SyncManager(SM)，Reference Manual手冊中的描述稍微有點(diǎn)抽象，下面帶大家結(jié)合實(shí)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(nèi)存管理單元（FMMU）通過內(nèi)部地址映射將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。FMMU 允許對跨越多個(gè)從站的數(shù)據(jù)段使用邏輯尋址：一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)可以尋址多個(gè)任意分布的ESC 內(nèi)的數(shù)據(jù)。

i.MX RT1180支持最大八個(gè)FMMU，由EtherCAT主站初始化。FMMU可以從EtherCAT主站定義的八個(gè)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(gè)邏輯地址最多可以由一個(gè) FMMU（讀）加一個(gè) FMMU（寫）映射，或者由一個(gè)FMMU（讀/寫）映射。如果為同一邏輯地址配置了兩個(gè)或多個(gè) FMMU（方向相同-讀或?qū)懀瑒t使用編號(hào)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(chǔ)空間可用于在EtherCAT主機(jī)和本地應(yīng)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(nèi)存進(jìn)行通信有一些缺點(diǎn)，SyncManagers（SM）主要就是用來解決這些缺點(diǎn)：

無法保證數(shù)據(jù)一致性。信號(hào)量必須在軟件中實(shí)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(shí)施安全機(jī)制

EtherCAT主站和應(yīng)用端都必須輪詢內(nèi)存，以了解對方的訪問何時(shí)完成

SM能夠在EtherCAT主站和本地應(yīng)用程序之間實(shí)現(xiàn)一致且安全的數(shù)據(jù)交換，并且會(huì)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(yīng)用程序雙方隨時(shí)訪問通信緩沖區(qū)。消費(fèi)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(nèi)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換的握手機(jī)制，因此不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù)。每一方（EtherCAT 主站或本地應(yīng)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(fèi)者將其讀出。之后，生產(chǎn)者再次具有寫入訪問權(quán)限，而緩沖區(qū)則為消費(fèi)者鎖定。

4.SM和FMMU在實(shí)際工程中的使用

結(jié)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(guān)的寄存器。

不難看出，在該工程中一共使能了三個(gè)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(gè)邏輯地址最多由兩個(gè)FMMU分別映射為讀寫，或者由一個(gè)FMMU映射為可讀可寫。如果出現(xiàn)第三個(gè)FMMU映射該邏輯地址，則會(huì)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(huì)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(gè)SyncManager,在該工程中一共用到了四個(gè)：

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(yīng)SM主站寫從站讀設(shè)置，F(xiàn)MMU讀方向，對應(yīng)SM從站寫主站讀設(shè)置。

一般來說，SM0設(shè)置為主站輸出郵箱，SM1設(shè)置為主站輸入郵箱，SM2設(shè)置為主站輸出過程數(shù)據(jù)(主站寫)，SM3設(shè)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(jìn)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(huì)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(huì)對SM0和SM1進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

賦值。

然后根據(jù)讀取EEPROM獲取SM的個(gè)數(shù)，來依次完成所有SM的參數(shù)設(shè)置。

初始化FMMU:

FMMU主要是通過以下兩個(gè)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(huì)去判斷SM是否小于SM最大值，并且判斷當(dāng)前slave是否存在輸入數(shù)據(jù)(input bits)，只要有1個(gè)inputbit就會(huì)配置FMMU。并判斷當(dāng)前SM的類型是否是Inputs類型，如果不是則判斷下一個(gè)SM。

找到Inputs類型的SM之后，會(huì)根據(jù)SM中的參數(shù)來設(shè)置FMMU的相關(guān)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(huì)進(jìn)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(shè)中SM FMMU功能介紹及應(yīng)用基本講述完畢，由于篇幅原因，很多源碼和細(xì)節(jié)沒有在這里詳細(xì)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(jìn)行深入了解。

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