igh ethercat 实时性测试

igh ethercat 实时性测试

测试硬件

• 工控机：rk3588板子
• 系统 : ubuntu20.04, kernel 5.10.209-rt89
• ethercat 电机

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编译安装

内核编译

• 按厂家提供的源码和资料编译。
• 由于是直接在工控机进行编译，所以就不需要配置交叉编译环境。

# 安装所需工具包
sudo apt install -y cmake make gcc g++ libssl-dev flex bison python2-dev

cd rt_kernel_build/kernel
make rockchip_linux_docker_defconfig modules -j8

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igh 编译

网卡检查

igh 网卡直驱功能，通过绕过标准Linux内核网络栈 ，允许 应用程序 ​​直接​​与网卡的硬件和驱动程序进行交互，实现对数据收发的精确、低延迟控制。

如果不需要 网卡直驱，可以省略这一步。

• 如果要用 igh 网卡直驱 功能，需要检查当前网卡是否支持，通过以下网址查询:

  • igh 网卡驱动支持 ： docs.etherlab.org/ethercat/1....
  • 可知 linux-5.10 支持 igb 驱动。

• 查看网卡型号 ：

  • 使用命令 sudo ethtool -i eth2 查看对应网卡的驱动；
  • 由于所使用的网卡是I210 驱动为 igb , 就可以使用 网卡直驱 功能；

sudo ethtool -i eth2

# 
driver: igb
version: 5.10.110
firmware-version: 3.12, 0x800004fa
expansion-rom-version:
bus-info: 0004:41:00.0
supports-statistics: yes
supports-test: yes
supports-eeprom-access: yes
supports-register-dump: yes
supports-priv-flags: yes
  

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编译

• 参考官方说明文档，以下是实际编译脚本。

tar xjf ethercat-1.6.2.tar.bz2
cd ethercat-1.6.2/

./configure -prefix=/opt/etherlab \
--with-linux-dir=/home/root/igh/ctb8809_kernel_build/kernel \
-enable-igb=yes \
--enable-8139too=no  

make
make modules

• configure 说明：
  • -prefix=/opt/etherlab ： 设置安装路径；
  • --with-linux-dir=[dir] ： 设置linux源码路径
  • -enable-igb=yes ： 启用 igb 直驱模块编译
  • --enable-8139too=no ：关闭 igb 直驱模块编译

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igh 安装

安装

make install -j8 
make modules_install -j8
depmod

配置链接和参数

# 配置 rules
echo KERNEL==\"EtherCAT[0-9]*\", MODE=\"0664\" > /etc/udev/rules.d/99-EtherCAT.rules

# 配置 link
ln -s /opt/etherlab/etc/init.d/ethercat /etc/init.d/ethercat
ln -s /opt/etherlab/bin/ethercat /usr/bin/ethercat

# 修改网卡配置 mac (ifconfig 查看)，修改驱动配置 (generic 为通用驱动，走linux内核协议栈，默认用此驱动 )
mkdir -p /etc/sysconfig
cp /opt/etherlab/etc/sysconfig/ethercat /etc/sysconfig/ethercat
vi /etc/sysconfig/ethercat

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igh 使用

启动

• 配置修改后需要 start 或 restart 生效。

/etc/init.d/ethercat start

igh ethercat 基本指令

功能	示例
启动主站	/etc/init.d/ethercat start
停止主站	/etc/init.d/ethercat stop
查看主站状态	ethercat master
重新扫描从站	ethercat rescan
列出所有从站	ethercat slaves
显示详细从站信息	ethercat slaves -v

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实时性测试

使用 generic 驱动时，由于走的 linux内核协议栈，可以通过 tcpdump 抓包分析；

使用网卡直驱时，由于没有买专门的工具，所以没有进行分析，理论上来说有更好的效果；

测试环境

• 一台 ethercat 电机
• 通讯周期 配置 1ms
• 测试代码 使用官方提供的示例进行修改

ethercat 数据抓包

• 测试程序启动后，通过 tcpdump 抓取 ethercat 协议包；

# tcpdump install
sudo apt install tcpdump

# 抓包
sudo tcpdump -i eth2 -w ethercat.pcap 'ether proto 0x88a4'

# -i eth2 : 指定网卡 eth2
# -w ethercat.pcap : 输出到 ethercat.pcap
# 'ether proto 0x88a4' ：  ethercat 协议包

ethercat 抓包 数据分析

首先使用 wireshark 将 pcap 里所需数据 导出为 csv 文件；

使用 python 脚本对数据进行处理，并使用 matplotlib 对结果图形化展示；

分析指标

• 使用 相对抖动 作为评估指标。
  • 定义：相邻两个周期的实际时间间隔与理想的周期长度之间的偏差
  • 计算公式：相对抖动 = (本次周期实际开始时间 - 上次周期实际开始时间) - 理想周期T
  • 关注点：周期与周期之间的稳定性

测试分组

a. 无锁核，无rt补丁 b. 锁核+FIFO调度+内存锁定，无rt补丁 c. 锁核+FIFO调度+内存锁定，+rt补丁 d. 锁核+FIFO调度+内存锁定，+rt补丁,+网卡直驱

由于试验条件有限，d组 无法抓取数据包，暂未作分析

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测试结果

a组结果

b组结果

c组结果

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测试总结

组	备注	std(us)	max(us)
a	无锁核，无rt补丁	8.38	108
b	锁核+FIFO调度+内存锁定，无rt补丁	0.92	16
c	锁核+FIFO调度+内存锁定，+rt补丁	0.99	22

• 可以看到 a组 使用ethercat不做其他优化，周期抖动非常大，且max能达到 100 多 us;
• 通过 锁核+FIFO调度+内存锁定 进行优化，可以看到 抖动明显降低，且max 为 20 us 左右;
• 在 锁核+FIFO调度+内存锁定 优化基础上，再加 rt补丁 无明显提升，所以实际使用并非强制需要 rt补丁 （如果不锁核的话，rt补丁还是需要的）；

参考

• igh 源码：gitlab.com/etherlab.or...
• igh 网卡驱动支持 ： docs.etherlab.org/ethercat/1....