On-the-Fly-Verarbeitung
Da typischerweise bei Ethernet für jeden Teilnehmer individuelle Ethernet-Frames verwendet werden, ist die Nutzdatenrate prinzipiell sehr gering: Das kürzeste Ethernet-Frame ist 84Bytes lang (inkl. Inter Packet Gap IPG). Wenn z.B. ein Antrieb zyklisch 4Bytes Istwert und Status sendet und entsprechend 4Bytes Sollwert und Kontrollwort empfängt, so wird bei 100% Buslast (also unendlich kurzer Antwortzeit des Antriebs) nur eine Nutzdatenrate von 4/84 = 4,7% erreicht. Bei durchschnittlich 10µs Antwortzeit sinkt die Rate schon auf 1,9%. Diese Limitierungen gelten für alle Echtzeit-Ethernet-Ansätze, die an jeden Teilnehmer ein Ethernet-Frame senden bzw. es von ihm erwarten – und zwar unabhängig von den verwendeten Protokollen innerhalb des Ethernet-Frames. Extrem kurze Zykluszeiten mit einer Nutzung der Bandbreite bis zu 97% werden beim EtherCAT-Protokoll dadurch erreicht, dass die Daten von den einzelnen Teilnehmern im Durchlauf entnommen und wieder eingefügt werden. Der Master sendet ein Standard-Ethernet-Telegramm (IEEE802.3) mit den Ausgangsinformationen für alle Teilnehmer in das Segment. Dabei wird das Telegramm in den Teilnehmern nur minimal verzögert, denn sie werden nicht erst empfangen, interpretiert und dann kopiert, sondern im Durchlauf, d.h. On-the-Fly, ausgewertet. Aktuelle Eingangsinformationen können gleichzeitig von jedem Teilnehmer eingefügt werden, bevor der Frame direkt zum nächsten Teilnehmer weitergeleitet wird. Der letzte Teilnehmer im Segment erkennt automatisch seine Position und sendet das Telegramm auf der \’Rx\‘-Leitung der Vollduplex-Ethernet-Verbindung ebenfalls wieder durch die anderen Teilnehmer zurück an den Master. Für die Auswertung der Telegramme im Durchlauf wird in den Geräten ein EtherCAT-Slave-Controller (ESC) verwendet. Im Master werden handelsübliche MACs (Medium Access Controller) verwendet, weil nur Standard-Ethernet-Frames zum Einsatz kommen. Da die Prozessdatenkommunikation vollständig in Hardware (ESC) abgewickelt wird, ist die Netzwerkperformance nicht von der installierten µC-Leistung der Teilnehmer abhängig und damit vorhersagbar.
Adressierung
EtherCAT ist auch bei geringen Datenmengen je Slave-Gerät sehr effektiv, weil nicht für jedes Datum ein eigenes Ethernet-Frame verschickt werden muss. Mehrere Datagramme können in einem Ethernet-Frame eingebettet werden; jedes Datagramm adressiert dabei entweder eine logische Adresse im Segment oder eine direkte Geräteadresse mit einer Register- oder Speicheradresse z. B. zur Konfiguration des Teilnehmers. Prozessdaten werden i.d.R. logisch adressiert, d.h. dass jeder Slave-Teilnehmer die für ihn relevanten Adressbereiche im logischen, 4GByte großen Adressraum kennt und entsprechend bedient; verantwortlich ist hierfür die so genannte Fieldbus Memory Management Unit (FMMU) innerhalb des ESC. Zusätzlich kann direkt mit jedem Slave auch über Geräte-Adressierung kommuniziert werden etwa zur Konfiguration, für TCP/IP oder andere Ethernet-Protokolle, oder zum gezielten Abruf von Diagnosedaten. Hierzu wird die Adresse im Datagramm-Header in eine 16-Bit-Geräteadresse (die zugewiesene oder die Position im Netz) und in eine 16-Bit-Datenadresse innerhalb des Slave-Gerätes aufgeteilt. So können – je nach Slave-Controller-Ausprägung – bis zu 64kByte innerhalb des Gerätes direkt angesprochen werden.
Topologie
Linie, Baum oder Stern: EtherCAT unterstützt nahezu beliebige Topologien. Die von den Feldbussen bekannte Bus- oder Linienstruktur wird damit auch für Ethernet verfügbar. Bei EtherCAT können beliebig viele Geräte (bis zu 65.535) in einer Linienstruktur verdrahtet werden es gibt keine Einschränkungen durch kaskadierte Switche oder Hubs. Beliebig viele Abzweige und Stichleitungen sind ebenfalls erlaubt. Zwischen jedem Knoten sind, wie bei Fast Ethernet üblich, bis zu 100m Kabel möglich. Minimale Anforderung an das Kabel ist die CAT-5-Konformität. Abzweige können auch im laufenden Betrieb vom Netz getrennt werden (Hot Connect). Der letzte Teilnehmer vor dem abgetrennten Teilsegment erkennt, dass die Verbindung (Link) aufgetrennt wurde, und schließt den Loop, indem er intern den Frame automatisch wieder an den vorherigen Teilnehmer zurücksendet. Das Ethernet-Protokoll gemäß IEEE802.3 bleibt bis in die einzelne Klemme erhalten, der Sub-Bus entfällt. Lediglich die Übertragungsphysik wird im Koppler von Twisted-Pair bzw. Lichtleiterphysik auf E-Bus (ein alternativer Ethernet Physical Layer) gewandelt, um den Anforderungen der elektronischen Reihenklemme gerecht zu werden. Die Signalform innerhalb der Klemmenreihe (E-Bus) eignet sich für kurze Strecken – bis 10m – auch zur Übertragung auf verdrillter Zweidrahtleitung. Damit kann die Klemmenreihe besonders kostengünstig verlängert werden wobei der anschließende Wechsel auf Ethernet jederzeit möglich ist.
