基于龍芯3A5000的全國產化EtherCAT主站控制器設計

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）08-0016-05

Abstract：This paper introduces the design technical scheme of building a fully domestic master station controler from hardware to software basedonLoongson 3A50o0 procesor.BasedonLoongArch architecture，Xenomai 4real-time kemel transplantationandperformancetestarecariedout.TheIGHEtherCATmasterstationarchitectureand master-slavestationtest environmentarebuilttoverifythereal-timeperformanceofEtherCATmasterstationunderLoongArcharchitecture.Through comparisonanddataanalysis，thefeasibilityoftheapplicationofLoongsonarchitectureinindustrialreal-timecontroleris proved，and the design of self-controllableand fully domestic EtherCAT master station is fnally completed.

Keywords：localization; Loongson;LoongArch architecture;EtherCAT master station

0引言

隨著工業自動化的快速發展，工業控制系統愈發龐大復雜。特別是工業以太網、機器視覺、大數據模型的應用，對工業主控器的功能和性能提出了越來越高的要求。在確保實現高速、精準、穩定控制的同時，對算力、實時性、擴展性也有了更高需求。基于小型嵌入式系統的PLC已無法滿足主機需求，因此基于PC-Base的主機方案得以迅速發展，有望成為未來工業控制的一大趨勢。然而，這一技術長期被國外幾大廠商壟斷。國內生產的控制器大多采用進口芯片方案并借助軟件授權方式，難以實現自主可控，也無法有效控制成本。所以，開發一款采用國產CPU及軟件系統的主控制器具有開創性意義。

令人振奮的是，為了打破軟硬件生態發展受制于人的局面，龍芯中科推出了龍架構LoongArch，打破了我國CPU長期依賴國外技術的狀態[1]。LoongArch是龍芯中科（LoongsonTechnology）自主研發的一種指令集架構，它是在充分考量兼容性、自主性、先進性、生態建設等因素的基礎上，結合多年處理器研發經驗與技術積累所創建的全新架構。

龍芯CPU在消費端PC及服務器領域已有廣闊的市場應用。然而，工業應用與工藝以及諸多硬件緊密關聯，發展龍芯的工業生態面臨極大困難，而工業恰恰是國家科技與經濟命脈之所在。

本文方案以研發百分百國產化工業控制器為目標，選用龍芯3A5000作為主控制器CPU，操作系統采用歐拉Linux系統。為解決實時性問題，采用實時內核Xenomai4與EtherCAT相結合的方式構建EtherCAT主站，開展實時內核EtherCAT在龍芯CPU上的架構建設，以及系統驅動和應用優化工作，從而建立龍芯實時系統應用的軟硬件生態。鑒于硬件和軟件的自主可控性，本方案有助于國家應對復雜的競爭與挑戰，具有重要的戰略意義。

1 EtherCAT主站設計及優化

1.1 EtherCAT主站硬件設計

硬件選用龍芯工業級3A5000平臺，采用自主指令系統（LoongArch）的超標量處理器核LA464。其擁有4個物理核心，主頻范圍為 2 . 3 ～ 2 . 5 G H z ，單核SPECCPU2006Base實測性能超過26分，是一款性能卓越、效率超高的國產處理器。其CPU多核技術有利于在運行實時內核時進行分核操作，較高的頻率能夠滿足高精度時鐘節拍的要求[2]。橋片選用7A1000，EtherCAT主站網口采用主板內置的GMAC0。在設計過程中，充分考慮了對龍芯2K2000、2K1500等工業級嵌入式CPU的兼容性，以便形成高中端應用。硬件設計框圖如圖1所示。

1.2EtherCAT主站軟件設計

軟件方面，操作系統選用歐拉系統內核。歐拉系統秉持“共建、共享、共治”原則，自openEuler社區開源以來，已吸引超過1300家頭部企業、研究機構和高校加入，匯聚了超16800名開源貢獻者，并成立100多個特別興趣小組（SIG）。在業界看來，openEuler開源社區已成為中國最具活力與創新力的開源社區。2023年，歐拉系的目標是新增市場份額超 3 5 % ，在國內新增市場份額排名第一[3]。

事實上，以技術為根基持續創新、不斷突破邊界，已成為歐拉的重要標簽。歐拉創造性地提出一套代碼、架構支持多樣性算力和全場景。openEuler是一個契合技術趨勢和客戶需求的操作系統，其定位是數字基礎設施的開源操作系統。

在萬名開發者的參與和貢獻下，經過技術創新，歐拉內核已在電力、交通，以及巡檢機器人、無人機、機器狗等多個領域的眾多項目中落地應用。

實時內核采用開源的Xenomai4，它是在3.2版本基礎上發展而來的新一代實時內核架構，更為精簡，更側重于通用驅動，便于部署。其中，EVL指嵌入式多樣性實時層（EmbeddedVersatileLayer），它是Xenomai實時框架中的一個組件。EVL旨在通過創建一個更緊湊、更可靠的實時層，提升Linux系統的實時性能。相較于之前的實時子系統，如Cobalt，該層的代碼復雜性更低，且能更好地集成到Linux內核中。EVL核心的設計重點在于簡化功能集合并重用通用驅動模型，此舉能夠減少內核的代碼占用量，并提供一種更高效、成本更低的實時任務處理方法。根據任務優先級和緊急程度的不同，可將任務分為實時任務

和非實時任務兩大類[4]。

通信部分采用EtherCAT協議，它是一種開放的、基于以太網的現場總線系統，具備高實時性、確定性等特性，支持多種設備連接拓撲結構，在工業自動化領域應用廣泛。EtherCAT主站部分采用開源的IGH。目前，開源的EtherCAT主站軟件有Etherlab的IGHEtherCATMaster[5以及RT-LAB的SOEM，相比之下，IGHEtherCATMaster的功能更為完備。

軟件設計框圖如圖2所示。

1.3EtherCAT主站軟件移植及優化

本控制器首先需在對歐拉內核、Xenomai4、IGHEtherCAT等軟件編譯時增加LoongArch架構支持，并建立編譯環境。這一過程工作量巨大，需要與龍芯公司進行聯合開發。

Xenomai4的編譯安裝主要涉及內核和API接口庫。首先，需編譯具有EVL內核的Linux源碼，編譯工具鏈為loongarch64_linux_gcc，隨后使用配置工具makemenuconfig配置內核。在此過程中，需要啟用CONFIG_ELV、CONFIG_EVL_LATMUS以及CONFIG_EVL_HECTIC，以啟用EVL內核并支持latmus和hectic測試程序。編譯完成后，安裝模塊和內核，并更新引導配置。接著編譯API庫libecl，需使用meson構建，交叉編譯工具鏈同樣選擇為loongarch64_linux_gcc。編譯完成后將其安裝到3A5000主機上，完成上述操作后，還需進行一系列測試以驗證功能的正確性。

IGHEtherCAT的編譯安裝，需下載開源的EtherCATIGH1.6.2代碼，隨后配置編譯環境，交叉編譯工具鏈選擇loongarch64_linux_gcc，網卡選用3A5000內置網卡驅動stmmac。首先編譯主站協議棧庫和主站工具，生成EtherCAT命令行工具，用于配置和管理主站。生成的ethercatctl命令行工具，可用于控制主站狀態，提供啟動、停止、重啟等操作命令。接著編譯內核驅動模塊，生成ec_master.ko和ec_dwmac_loongson.ko這兩個Linux驅動模塊。其中，ec_master.ko實現了EtherCAT主站協議棧，ec_dwmac_loongson.ko是優化后的網卡驅動，在網卡驅動層面直接支持IGH接口，使IGH能夠直接控制網卡進行數據收發。將編譯后的文件及工具程序放置到3A5000上，便可通過IGH命令對從站進行簡單控制。至此，即可編譯IGH主站程序進行開發與控制了。

對Xenomai4軟件進行實時性優化[，參考從修改數據幀的角度來提高系統實時性的方法[，使其能在龍芯3A5000上穩定運行，確保實時任務抖動小于2 0 μ s 。接著在此基礎上搭建IGH開源主站框架，針對內置GMAC0網口進行實時驅動優化，消除抖動因素。最后掛載伺服及IO從站進行數據測試，并持續優化軟件代碼及驅動文件，使EtherCAT數據抖動小于 2 0 μ s 。

1.4Xenomai4環境測試和性能分析

Xenomai4移植完成后，需開展單元測試和性能測試。Xenomai4提供了一系列單元測試程序，在構建libevl時，這些程序會生成在＼$prefix/tests目錄下。單元測試結果如圖3所示。

1.5 IGH主站的搭建和測試

EtherCAT主站對網卡數據收發的實時性要求頗高。為實現EtherCAT協議，需對普通網絡設備驅動加以修改，以提升數據收發處理效率。網卡優化完成后，利用龍芯工具鏈編譯并搭建IGH主站。搭建完畢后，運用EtherCAT命令進行功能測試，如圖6所示。

2 EtherCAT主站周期抖動測試

2.1EtherCAT主從站系統搭建

主站采用龍芯3A5000控制板，運行EVL實時內核與EtherCAT主站。通過GMAC0網口與4個自主開發的EtherCAT從站連接，從站間采用線型菊花鏈模式進行連接。同時，在主站和從站之間增設自主開發的EtherCAT分析儀，用于數據監測與分析。在從站端，將示波器與DC信號相連，以監測從站間同步周期與抖動情況。搭建此模擬環境的目的在于模擬實際應用環境中的三軸運動加IO控制，組建的測試系統如圖7所示，實物圖如圖8所示。

2.2主站測試軟件的編寫

主站用戶程序需要按照所連接的從站情況及控制需求邏輯來編寫。主要過程涵蓋主站和從站的配置以及實時周期性任務的實現。主站借助FPRD命令獲取主站發送的數據幀到達各從站端口的時間，并計算各非參考從站與參考從站的傳輸延時[8]。配置過程需配置主站指針及數據域、依據實際從站信息生成從站配置、配置PDO、DC、同步參考等，具體流程如圖9所示。

↓編寫從站配置數組√ 配置從站DC信息獲取主站指針 T配置從站時鐘參考獲取數據域指針↓ 完成配置準備進入實時周期任務創建從站配置信息 L↓ 為數據域分配指針地址，配置從站PDO信息 準備實時訪問數據域

周期任務分為用戶任務和空閑任務。空閑任務主要用來監測和控制從站狀態機。當有用戶數據時，空閑任務停止。具體流程如圖10所示。

2.3EtherCAT的分布時鐘（DC）同步精度測試

參考時鐘的選取方案有兩種：以主站時鐘或以從站時鐘作為參考時鐘[9]；本文選擇第一個從站時鐘作為參考時鐘。使用示波器測量從站DC引腳，以此測量3個從站間時鐘同步精度誤差，測量情況如圖11所示。測量結果顯示，分布時鐘誤差小于 2 0 n s 。

2.4EtherCAT周期抖動測試

主站抖動指的是主站周期性連續發出數據時，相鄰兩個周期之間時間間隔大小的變化。時間間隔差異越大，抖動越大，對任務實時性的影響也就越大[10]。利用EtherCAT網絡分析儀抓取通信過程中的大量數據，并通過Wireshark對數據進行查看與分析。將數據幀時間戳導出進行分析，數據表明，當運行周期為1 m s 時，截取250000個樣本數據，抖動 lt; 2 0 μ s 完全能夠滿足伺服的應用需求，測試結果的抖動圖如圖12所示。

3結論

本文設計的控制器，硬件采用國產CPU龍芯3A5000，基于自主指令集LoongArch架構；軟件方面，從系統內核、實時內核到EtherCAT主站，采用開源軟件并進行自主改造優化，構建了國產控制器的生態基礎架構。后續，我們團隊將進一步迭代完善此架構，并將其應用于團隊研發的、具有完全自主知識產權的KRmotion軟件控制平臺，以研發出一款基于龍芯生態的百分百國產化控制器。鑒于Xenomai實時核在龍芯LoongArch架構上屬首次應用，且Xenomai4作為新一代實時核，在國內外應用案例相對較少，移植過程中遭遇諸多困難。截至發文之時，尚未達到最佳性能，仍在進一步完善中，期望有更多人士參與討論與研究。

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作者簡介：孫東華（1983.09—），男，滿族，遼寧沈陽人，研發經理，大學本科，研究方向：特種控制器；劉亞冬（1988.09—），男，漢族，遼寧沈陽人，研發工程師，大學本科，研究方向：控制器。