ST系列MCU EtherCAT协议栈框架结构详解

引言：本文基于ST系列协议栈程序，详细阐述了标准库下的EtherCAT协议栈整体框架结构。文中将重点介绍协议栈的组织架构、核心模块功能以及移植注意事项，为开发者提供清晰的协议栈使用指南。

一、标准库协议栈整体框架结构

ST系列协议栈标准库框架主要包含两大核心部分：Libraries和EtherCAT，这两部分又包含多个细分模块。

Libraries（库函数）

1.1 CMSIS

包含与STM32微控制器内核相关的文件，提供对ARM Cortex-M内核的访问接口。

1.2 STM32FXXX_StdPeriph_Driver

包含与STM32FXXX处理器外设相关的底层驱动，为应用层提供硬件抽象接口。

EtherCAT（EtherCAT协议相关模块）

2.1 MDK-ARM

包含Stack_size、Vectors、Reset_Handler、NMI_Handler等文件
包含uvprojx工程文件
提供开发环境配置

2.2 User

包含与STM32定时器、ADC、外部中断和FSMC等配置相关的文件。

2.3 EtherCAT

包含了与EtherCAT通信协议与应用层控制相关的文件。

2.4 Src（源文件目录）

包含与EtherCAT通信协议有关的源文件，各文件功能如下：

Aoeappl.c：包含AOE邮箱接口
Bootmode.c：包含boot模式虚拟接口
Coeappl.c：COE应用层接口模块；处理对象字典中索引为0x1000、0x1001、0x1008、0x1009、0x100A、0x1018、0x10F1、0x1C00、0x1C32、0x1C33等通用对象，实现对象字典的初始化、添加、移除和清除等操作
Diag.c：包含诊断对象处理
Ecataoe.c：包含AOE邮箱接口
Ecatappl.c：EtherCAT从站应用层接口，整个协议栈运行的核心模块，处理EtherCAT从站状态机和过程数据接口，实现输入/输出过程数据对象的映射处理、ESC与处理器本地内存的输入/输出过程数据交换
Ecatcoe.c：包含COE邮箱接口函数
Ecateoe.c：包含EOE邮箱接口函数
Ecatfoe.c：包含FOE邮箱接口函数
Ecatslv.c：处理EtherCAT状态机模块；状态机转换请求由主站发起，主站将请求状态写入ALControl寄存器，从站采用查询方式获取状态转换事件，通过AL_ControlInd()函数处理状态机转换，配置SM通道开启/关闭，检查SM通道参数
Ecatsoe.c：包含一个演示SOE的简短示例
El9800appl.c：提供与应用层接口的函数和主函数
Emcy.c：包含紧急接口
Eoeappl.c：包含一个如何使用EOE服务的例子
Foeappl.c：包含一个如何使用FOE的例子
Mailbox.c：处理EtherCAT邮箱服务模块，包括邮箱通信接口初始化、邮箱通道参数配置、根据当前状态机开启/关闭邮箱服务、邮箱通信失败后的重复发送请求、邮箱数据的读写等
Objdef.c：访问COE对象字典模块，实现读写对象字典、获取对象字典入口及具体处理函数
Sdoserv.c：SDO服务处理模块，处理所有SDO信息服务

2.5 Inc（头文件目录）

包含与EtherCAT通信协议有关的头文件，各头文件功能如下：

applInterface.h：定义应用程序接口函数
bootmode.h：声明在引导状态下需要调用的函数
cia402appl.h：定义与cia402相关的变量、对象和轴结构
coeappl.h：对coeappl.c文件中的函数进行声明
ecat_def.h：定义从站样本代码配置
ecataoe.h：定义和AOE相关的宏、结构体，并对ecataoe.c文件中的函数进行声明
ecatappl.h：对ecatappl.c文件中的函数进行声明
ecatcoe.h：定义错误码、COE服务和COE结构相关的宏，并对ecatcoe.h文件中的函数进行声明
ecateoe.h：定义与EOE相关的宏和结构体，并对ecateoe.c文件中的函数进行声明
ecatfoe.h：定义与FOE相关的宏和结构体，并对ecatfoe.c文件中的函数进行声明
ecatslv.h：对数据类型、从站状态机状态、ESM转换错误码、应用层状态码、从站工作模式、应用层事件掩码和全局变量进行定义
ecatsoe.h：定义与SOE相关的宏和结构体，并对ecatsoe.c文件中的函数进行声明
el9800appl.h：对对象字典中索引为0x800、0x1601、0x1802、0x1a00、0x1c12、0x1c13、0x6000、0x6020、0x7010、0x8020、0xf000、0xf0100、0xffff等特定对象进行定义
esc.h：对EtherCAT从站控制器芯片中寄存器的地址和相关掩码进行说明
mailbox.h：定义邮箱通信相关的宏和结构体，并对mailbox.c文件中的函数进行声明
mcihw.h：通过并行接口来访问ESC的定义和宏
objdef.h：定义某些数据类型，对支持同步变量的类型进行宏定义，定义描述对象字典的结构体类型

2.6 Port（外围端口初始化与驱动）

包含与从站外围端口初始化和驱动相关的文件：

Mcihw.c：包含对微控制器GPIO、定时器、ADC及外部中断等外设初始化程序，同时提供读取和写入EtherCAT从站控制器芯片中寄存器的函数

二、标准库编程整体框架结构

根据标准库函数编写的程序可分为CMSIS、MDK-ARM、Doc、User、Hardware、Src、Stack、STM32Fxxx_StdPeriph_Driver、SYSTEM几部分，程序有如下几个部分组成：

Start（启动文件）

system_stm32fxxx.c：包含片上核外外设的地址和中断定义
core_cm3.c：包含用于访问内核寄存器的名称、地址定义
startup_stm32fxxx_hd.s：STM32微控制器的启动文件

Src（源文件）

foeappl.c：包含一个如何使用FOE的例子
coeappl.c：COE应用层接口模块
ecatappl.c：EtherCAT从站应用层接口，整个协议栈运行的核心模块
aoeappl.c：包含AOE邮箱接口
eoeappl.c：包含一个如何使用EOE服务的例子
el9800appl.c：提供了与应用层接口的函数和主函数

Hardware（硬件初始化）

el9800hw.c：对从站开发板的外设和GPIO进行初始化，定义读取和写入从站控制器芯片DPRAM中寄存器的函数，实现中断入口函数的定义
SPI1.c：对微控制器的SPI外设进行配置
ADC1.c：对微控制器的ADC和DMA通道进行配置
EXTI.c：对微控制器外部中断进行配置
Timer.c：对微控制器定时器及其中断进行配置

Stack（协议栈核心处理）

ecatslv.c：处理EtherCAT状态机模块
mailbox.c：处理EtherCAT邮箱服务模块
objdef.c：访问COE对象字典模块
sdoserv.c：SDO服务处理模块
ecatcoe.c：包含COE邮箱接口函数
bootmode.c：包含boot模式虚拟接口
diag.c：包含诊断对象处理
ecataoe.c：包含AOE邮箱接口
ecateoe.c：包含EOE邮箱接口函数
ecatfoe.c：包含FOE邮箱接口函数
ecatsoe.c：包含一个演示SOE的简短示例
emcy.c：包含紧急接口
fc1100hw.c：包含1100的外围配置文件

Library（标准外设库）

包含标准外设库文件：

misc.c：提供外设对内核中NVIC(中断向量控制器)的访问函数
stm32fxxx_adc.c：包含与STM32FXXX的ADC外设编写的库函数文件
stm32fxxx_dma.c：包含与STM32FXXX的DMA外设编写的库函数文件
stm32fxxx_exti.c：包含与STM32FXXX的EXTI外设编写的库函数文件
stm32fxxx_fsmc.c：包含与STM32FXXX的FSMC外设编写的库函数文件
stm32fxxx_gpio.c：包含与STM32FXXX的GPIO外设编写的库函数文件
stm32fxxx_pwr.c：包含与STM32FXXX的PWR外设编写的库函数文件
stm32fxxx_rcc.c：包含与STM32FXXX的RCC外设编写的库函数文件
stm32fxxx_spi.c：包含与STM32FXXX的SPI外设编写的库函数文件
stm32fxxx_syscfg.c：包含与STM32FXXX的SYSCFG外设编写的库函数文件
stm32fxxx_tim.c：包含与STM32FXXX的TIM外设编写的库函数文件
stm32fxxx_usart.c：包含与STM32FXXX的USART外设编写的库函数文件

三、程序修改与移植注意事项

移植MCU

1.1 替换库函数

根据需要移植的MCU更换相应的库函数，将更换后的库函数路径放进程序中。例如，以STM32F103替换STM32F407为例，将所有含stm32f4xx的.c和.s文件都替换成stm32f10x.c和.s文件。

1.2 更改芯片型号和名称

更改MCU型号：以STM32F103替换STM32F407为例，将芯片型号由STM32F407ZGTx改为STM32F103VB。

更改预处理宏定义：将宏定义内的名称由STM32F40_41xxx改为STM32F10x_MD。

1.3 更改程序

编译后根据报错信息更改程序，修改完成后将程序下载到开发板内，再根据具体需求进一步修改。例如，以STM32F103替换STM32F407的EXTI中断配置为例，根据报错信息和结构体更改初始化程序。

SPI的读写函数

在进行读写指令之前，使用SPI_Cmd()函数对SPI的外设进行失能后再使能，确保读写功能正常使用。

结语

ST系列MCU的EtherCAT协议栈框架结构清晰，模块化设计便于开发者理解和使用。通过合理组织各模块，开发者可以高效地实现EtherCAT从站功能，同时也能方便地进行MCU移植和功能扩展。在实际开发过程中，需要特别注意SPI外设的正确配置，以及在移植过程中对库函数和芯片型号的准确替换，以确保协议栈能够稳定运行。