PROFIBUS-DP的数据链路层

根据OSI参考模型，数据链路层规定总线存取控制、数据安全性以及传输协议和报文的处理。在PROFIBUS-DP中，数据链路层（第2层）称为FDL层（现场总线数据链路层）。

图4-16 FDL层的报文帧格式

PROFIBUS-DP的报文格式如图4-16所示。

1.帧字符和帧格式

（1）帧字符

每个帧由若干帧字符（UART字符）组成，它把一个8位字符扩展成11位：首先是一个开始位0，接着是8位数据，之后是奇偶校验位（规定为偶校验），最后是停止位1。

（2）帧格式

第2层的报文格式（帧格式）如图4-16所示。

图中，L为信息字段长度；SC为单一字符（E5H），用在短应答帧中；SD1～SD4为开始符，区别不同类型的帧格式：

SD1=0x10，SD2=0x68，SD3=0xA2，SD4=0xDC；LE/LEr为长度字节，指示数据字段的长度，LEr=LE；DA为目的地址，指示接收该帧的站；SA为源地址，指示发送该帧的站；FC为帧控制字节，包含用于该帧服务和优先权等的详细说明；DU为数据字段，包含有效的数据信息；FCS为帧校验字节，不进位加所有帧字符的和；ED为帧结束界定符（16H）。

这些帧既包括主动帧，也包括应答/回答帧，帧中字符间不存在空闲位（二进制1）。主动帧和应答/回答帧的帧前的间隙有一些不同。每个主动帧帧头都有至少33个同步位，也就是说每个通信建立握手报文前必须保持至少33位长的空闲状态（二进制1对应的电平信号），这33个同步位长作为帧同步时间间隔，称为同步位（SYN）。而应答帧和回答帧前没有这个规定，响应时间取决于系统设置。应答帧与回答帧也有一定的区别：应答帧是指在从站向主站的响应帧中无数据字段的帧，而回答帧是指响应帧中存在数据字段的帧。另外，短应答帧只作应答使用，它是无数据字段固定长度的帧的一种简单形式。

（3）帧控制字节

FC的位置在帧中SA之后，用来定义报文类型，表明该帧是主动请求帧，还是应答/回答帧。FC还包括了防止信息丢失或重复的控制信息，见表4-3。

表4-3 帧控制字节的定义

表中，Res为保留位（发送方将设置此位为二进制“0”）；Frame为帧类型，1为请求帧，0为应答帧/回答帧；FCB（Frame Count Bit）为帧计数位，0、1交替出现（帧类型B6=1）；FCV（Frame CountBit Valid）为帧计数位有效（帧类型B6=1），0表示FCB的交替功能开始或结束，1表示FCB的交替功能有效（后面有详细说明）；Stn-Type为站类型和FDL状态（帧类型B6=0），其解释见表4-4；Function为功能码，其解释见表4-5和4-6。

表4-4 Stn-Type的定义（帧类型B6=0）

表4-5 主动帧的功能码（帧类型B6=1）

表4-6 响应帧的功能码（帧类型B6=1）

（4）扩展帧

在有数据字段的帧（开始符是SD2和SD3）中，DA和SA的最高位（第7位）指示是否存在地址扩展位（EXT），0表示无地址扩展，1表示有地址扩展。PROFIBUS-DP协议使用FDL的服务存取点（SAP）作为基本功能代码，地址扩展的作用在于指定通信的目的服务存取点（DSAP）、源服务存取点（SSAP）或者区域/段地址，其位置在FC字节后，DU的最开始的一个或两个字节。在相应的应答帧中也要有地址扩展位，而且在DA和SA中可能同时存在地址扩展位，也可能只有源地址扩展或目的地址扩展。注意：数据交换功能（data_exch）采用默认的服务存取点，在数据帧中没有DSAP和SSAP，即不采用地址扩展帧。

（5）报文循环

在DP总线上一次报文循环过程包括主动帧和应答/回答帧的传输。除令牌帧外，其余3种帧：无数据字段的固定长度的帧、有数据字段的固定长度的帧和有数据字段无固定长度的帧，既可以是主动请求帧，也可以是应答/回答帧（令牌帧是主动帧，它不需要应答/回答）。

2.FDL的4种服务

FDL可以为其用户，也就是为FDL的上一层提供4种服务：发送数据需应答（SDA），发送数据无需应答（SDN），发送且请求数据需应答（SRD）及循环发送且请求数据需应答（CSRD）。用户想要FDL提供服务，必须向FDL申请，而FDL执行之后会向用户提交服务结果。用户和FDL之间的交互过程是通过一种接口来实现的，在PROFIBUS规范中称之为服务原语。

（1）发送数据需应答

SDA服务的执行过程中原语的使用如图4-17所示。

在图4-17中，两条竖线表示FDL层的界限，两线之间部分就是整个网络的数据链路层。左边竖线的外侧为本地FDL用户，假设本地FDL地址为m；右边竖线外侧为远程FDL用户，假设远程FDL地址为n。

图4-17 SDA服务

服务的执行过程是：本地的用户首先使用服务原语FDL_DATA_ACK.request向本地FDL设备提出SDA服务申请。本地FDL设备收到该原语后，按照链路层协议组帧，并发送到远程FDL设备，远程FDL设备正确收到后利用原语FDL_DATA_ACK.indication通知远程用户并把数据上传。与此同时，又将一个应答帧发回本地FDL设备。本地FDL设备则通过原语FDL_DATA_ACK.confirm通知发起这项SDA服务的本地用户。

本地FDL设备发送数据后，它会在一段时间内等待应答，这个时间称为时隙时间T_SL（Slot Time，可设定的FDL参数）。如果在这个时间内没有收到应答，本地FDL设备将重新发送，最多重复k=max_retry_limit（最大重试次数，是可设定的FDL参数）次。在重试k次仍无应答，则将无应答结果通知本地用户。

（2）发送数据无需应答

SDN服务的执行过程中原语的使用如图4-18所示。

图4-18 SDN服务

从图4-18中可以看出SDN服务与SDA服务的区别：①SDN服务允许本地用户同时向多个，甚至所有远程用户发送数据。②所有接收到数据的远程站不做应答。当本地用户使用原语FDL_DATA.request申请SDN服务后，本地FDL设备向所要求的远程站发送数据的同时立刻传递原语FDL_DATA.confirm给本地用户，原语中的参数L_status此时仅可以表示发送成功，或者本地的FDL设备错误，不能显示远程站是否正确接收。

（3）发送且请求数据需应答

SRD服务的执行过程中原语的使用如图4-19所示。

SRD服务除了可以像SDA服务那样向远程用户发送数据外，自身还是一个请求，请求远程站的数据回传，远程站把应答和被请求的数据组帧，回传给本地站。

执行顺序是：远程用户将要被请求的数据准备好，通过原语FDL_REPLY_UP-DATE.request把要被请求的数据交给远程FDL设备，并收到远程FDL设备回传的FDL_RE-PLY_UPDATE.confirm。参数Transmit用来确定远程更新数据回传一次还是多次，如果回传多次，则在后续SRD服务到来时，更新数据都会被回传。L_status参数显示数据是否成功装入，无误后等待被请求。本地用户使用原语FDL_DATA_REPLY.request发起这项服务，远程站FDL设备收到发送数据后，立刻把准备好的被请求数据回传，同时向远程用户发送FDL_DATA_REPLY.indication，其中参数updata_status显示被请求数据是否被成功地发送出去。最后，本地用户就会通过原语FDL_DATA_REPLY.confirm接收到被请求数据L_sdu和传输状态结果L_status。

图4-19 SRD服务

（4）循环发送且请求数据需应答

CSRD是FDL 4种服务中最复杂的一种。CSRD服务在理解上可以认为是对多个远程站自动循环地执行SRD服务。(www.chuimin.cn)

以上就是FDL层提供的4种服务。特别强调的是SDN服务和SRD服务，因为PROFIBUS-DP总线的数据传输依靠的是这两种FDL服务，而FMS总线使用了FDL的全部4种服务。

此外还有一点，4种服务显然都可以发送数据，但是SDA和SDN发送的数据不能为空，而SRD和CSRD则可以，这种情况其实就是单纯请求数据了。

3.以令牌传输为核心的总线访问控制体系

在PROFIBUS-DP的总线访问控制中已经介绍过关于令牌环的基本内容，为了更好地理解DP系统中的令牌传输过程，下面将对此进行较详细的说明。

（1）GAP表及GAP表的维护

GAP是指令牌环中从本站地址到后继站地址之间的地址范围GAP表（GAPL）为GAP范围内所有站的状态表。

每一个主站中都有一个GAP维护定时器，定时器溢出即向主站提出GAP维护申请。主站收到申请后，使用询问FDL状态的Request FDL Status主动帧询问自己GAP范围内的所有地址。通过是否有返回和返回的状态，主站就可以知道自己的GAP范围内是否有从站从总线上脱落，是否有新站添加，并及时修改自己的GAPL。具体如下：

1）如果在GAP表维护中发现有新从站，则把它们记入GAPL。

2）如果在GAP表维护中发现原先在GAP表中的从站在多次重复请求的情况下没有应答，则把该站从GAPL中除去，并登记该地址为未使用地址。

3）如果在GAP表维护中发现有一个新主站且处于准备进入逻辑令牌环的状态，该主站将自己的GAP范围改变到新发现的这个主站，并且修改活动主站表，在传出令牌时把令牌交给此新主站。

4）如果在GAP表维护中发现在自己的GAP范围中有一个处于已在逻辑令牌环中状态的主站，则认为该站为非法站，接下来询问GAP表中的其他站点。传递令牌时仍然传给自己的NS，从而跳过该主站。该主站发现自己被跳过后，会从总线上自动撤下，即从Active_Idle状态进入Listen_Token状态，重新等待进入逻辑令牌环。

（2）令牌传递

某主站要交出令牌时，按照活动主站表传递令牌帧给后继站。传出后，该主站开始监听总线上的信号，如果在一定时间（时隙时间）内听到总线上有帧开始传输，不管该帧是否有效，都认为令牌传递成功，该主站就进入Active_Idle状态。

如果时隙时间内总线没有活动，就再次发出令牌帧。如此重复至最大重试次数，如果仍然不成功，则传递令牌给活动主站表中后继主站的后继主站。依此类推，直到最大地址范围内仍然找不到后继，则认为自己是系统内唯一的主站，将保留令牌，直到GAP维护时找到新的主站。

（3）令牌接收

如果一个主站从活动主站表中自己的前驱站收到令牌，则保留令牌并使用总线。如果主站收到的令牌帧不是前驱站发出的，则认为是一个错误而不接收令牌。如果此令牌帧被再次收到，该主站则认为令牌环已经修改，将接收令牌并修改自己的活动主站表。

（4）令牌持有站的传输

一个主站持有令牌后，工作过程如下：

首先计算上次令牌获得时刻到本次令牌获得时刻经过的时间，该时间为实际轮转时间（T_RR），表示的是令牌实际在整个系统中轮转一周耗费的时间。每一次令牌交换都会计算一个新的T_RR；主站内有参数目标轮转时间T_TR，其值由用户设定，它是预设的令牌轮转时间。一个主站在获得令牌后，就是通过计算T_TR-T_RR来确定自己可以持有令牌的时间。

（5）从站FDL状态及工作过程

为了方便理解PROFIBUS-DP站点FDL的工作过程，将其划分为几个FDL状态，其工作过程就是在这几个状态之间不停转换的过程。

PROFIBUS-DP从站有两个FDL状态：Offline和Passive_Idle。当从站上电、复位或发生某些错误时进入Offline状态。在这种状态下从站会自检，完成初始化及运行参数设定，此状态下不做任何传输。从站运行参数设定完成后自动进入Passive_Idle状态。此状态下监听总线并对询问自己的数据帧作相应反应。

（6）主站FDL状态及工作过程

主站的FDL状态转换图如图4-20所示。主站的工作过程及状态转换比较复杂，这里以3种典型情况进行说明。

1）令牌环的形成。假定一个PROFIBUS-DP系统开始上电，该系统有几个主站，令牌环的形成工作过程如下：

每个主站初始化完成后从Offline状态进入Listen_Token状态，监听总线。主站在一定时间Ttime-out（T_TO，超时时间）内没有听到总线上有信号传递，就进入Claim_Token状态，自己生成令牌并初始化令牌环。由于T_TO是一个关于地址n的单调递增函数，同样条件下整个系统中地址最低的主站最先进入Claim_Token状态。

最先进入Claim_Token状态的主站，获得自己生成的令牌后，马上向自己传递令牌帧两次，通知系统内的其他还处于Listen_Token状态的主站令牌传递开始，其他主站把该主站记入自己的活动主站表。然后该主站做一次对全体可能地址的询问（Request FDL Status），根据收到应答的结果确定自己的LAS和GAP。LAS的形成即标志着逻辑令牌环初始化的完成。

图4-20 FDL状态转换图

2）主站加入已运行的PROFIBUS-DP系统的过程。假定一个PROFIBUS-DP系统已经运行，一个主站加入令牌环的过程如下：

主站上电后在Offline状态下完成自身初始化。之后进入Listen_Token状态，在此状态下，主站听总线上的令牌帧，分析其地址，从而知道该系统上已有哪些主站。主站会听两个完整的令牌循环，即每个主站都被它作为令牌帧源地址记录两次。这样主站就获得了可靠的活动主站表。

如果在听令牌的过程中发现两次令牌帧的源地址与自己地址一样，则认为系统内已有自己地址的主站，于是进入Offline状态并向本地用户报告此情况。

在听两个令牌循环的时间里，如果主站的前驱站进入GAP维护，询问Request FDL Sta-tus，则回复未准备好。而在主站表已经生成之后，主站再询问Request FDL Status，主站回复准备进入逻辑令牌环，并从Listen_Token状态进入Active_Idle状态。这样，主站的前驱站会修改自己的GAP和LAS，并把该主站作为自己的后继站。

主站在Active_Idle状态下，监听总线，能够对寻址自己的主动帧作应答，但没有发起总线活动的权力。直到前驱站传送令牌帧给它，它保留令牌并进入Use_Token状态。如果在监听总线的状态下，主站连续听到两个SA=TS（源地址=本站地址）的令牌帧，则认为整个系统出错，令牌环开始重新初始化，主站转入Listen_Token状态。

主站在Use_Token状态下，按照前面所说的令牌持有站的传输过程进行工作。令牌持有时间到达后，进入Pass_Token状态。

特别说明，主站的GAP维护是在Pass_Token状态下进行的。如不需要GAP维护或令牌持有时间用尽，主站将把令牌传递给后继站。

主站在令牌传递成功后，进入Active_Idle状态，直到再次获得令牌。

3）令牌丢失。假设一个已经开始工作的PROFIBUS-DP系统出现令牌丢失，这样也会出现总线空闲的情况。每一个主站此时都处于Active_Idle状态，FDL发现在超时时间（T_TO）内无总线活动，则认为令牌丢失并重新初始化逻辑令牌环，进入Claim_Token状态，此时重复第一种情况的处理过程。

4.现场总线第1/2层管理（FMA 1/2）

前面介绍了PROFIBUS-DP规范中FDL为上层提供的服务。而事实上，FDL的用户除了可以申请FDL的服务之外，还可以对FDL以及物理层（PHY）进行一些必要的管理。例如，强制复位FDL和PHY，设定参数值，读状态，读事件及进行配置等。在PROFIBUS-DP规范中，这一部分称为FMA 1/2（现场总线第1/2层管理）。

FMA 1/2用户和FMA 1/2之间的接口服务功能主要有：

·复位物理层、数据链路层（Reset FMA 1/2），此服务是本地服务。

·请求和修改数据链路层、物理层，以及计数器的实际参数值（Set Value/Read Value FMA 1/2），此服务是本地服务。

·通知意外的事件、错误和状态改变（Event FMA 1/2），此服务可以是本地服务，也可以是远程服务。

·请求站的标识和链路服务存取点配置（Ident FMA 1/2、LSAP Status FMA 1/2），此服务可以是本地服务，也可以是远程服务。

·请求实际的主站表（Live List FMA 1/2），此服务是本地服务。

·SAP激活及解除激活（（R）SAP Activate/SAP Deactivate FMA 1/2），此服务是本地服务。