陳小飛 謝政華 汪昌來

摘? 要： 為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體設(shè)備接入工廠信息化管理平臺(tái)，提出一種半導(dǎo)體設(shè)備通訊標(biāo)準(zhǔn)SECS/GEM協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法。通過對(duì)協(xié)議的整體分析，將各層協(xié)議的通訊狀態(tài)合并，并在動(dòng)態(tài)鏈接庫中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，應(yīng)用程序通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式實(shí)現(xiàn)與設(shè)備本身特性相關(guān)的協(xié)議。詳述了動(dòng)態(tài)鏈接庫的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性，具有良好的實(shí)用性和可移植性，適應(yīng)于各種半導(dǎo)體設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： SECS/GEM;半導(dǎo)體設(shè)備通訊標(biāo)準(zhǔn);半導(dǎo)體協(xié)議;設(shè)備聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TN305? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.023

本文著錄格式：陳小飛，謝政華，汪昌來. 一種SECS/GEM協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法[J]. 軟件，2019，40（10）：103106

An Implementation Method of SECS/GEM Protocol

CHEN Xiao-fei， XIE Zheng-hua， WANG Chang-lai

（Anhui Dahua Semiconductor Technology Co.， Ltd.， Hefei 230009， China）

【Abstract】： In order to realize semiconductor equipment access to factory information management platform， a method of implementing SECS/GEM protocol， which is the communication standard of semiconductor equipment， is proposed. Through the overall analysis of the protocol， the communication state of each layer protocol is merged， and the state transition is realized in the dynamic link library. The application program implements the protocol related to the characteristics of the device itself by calling the dynamic link library. The implementation method of the dynamic link library is described in detail. The experimental results verify the effectiveness of the method. It has good practicability and portability， and is suitable for the Network Realization of Various Semiconductor Equipment.

【Key words】： SECS/GEM; Semiconductor equipment communication standard; Semiconductor protocol; Equipment networking

0? 引言

隨著半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展和科技水平的不斷提高，以全自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備為主體半導(dǎo)體制造工廠的設(shè)備管理水平的高低將直接影響到工廠的未來發(fā)展。隨著工廠中各種生產(chǎn)設(shè)備規(guī)模的日漸龐大，設(shè)備的信息化管理系統(tǒng)，能夠降低設(shè)備管理方面的資源消耗，改善設(shè)備利用率，提高工廠在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下的競(jìng)爭(zhēng)能力[1]。

針對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備和工廠資訊和控制系統(tǒng)間的通訊，國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料協(xié)會(huì)（SEMI）制定了連接性標(biāo)準(zhǔn)SECS/GEM（SEMI Equipment Communication

Standard/Generic Equipment Model）[2]。目前，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的半導(dǎo)體封裝工廠已經(jīng)開始建立生產(chǎn)設(shè)備信息化管理系統(tǒng)。但是由于半導(dǎo)體設(shè)備種類繁多，設(shè)備商的技術(shù)團(tuán)隊(duì)水平參差不齊，很多半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備暫不支持SECS/GEM協(xié)議，這使得工廠的生產(chǎn)設(shè)備信息化建設(shè)的完整性嚴(yán)重受阻。

為了方便快捷的實(shí)現(xiàn)各種半導(dǎo)體設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，本文介紹一種SECS/GEM協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，將SECS/ GEM與設(shè)備生產(chǎn)工藝無關(guān)的底層協(xié)議封裝在動(dòng)態(tài)鏈接庫中，各種設(shè)備都可在調(diào)用此動(dòng)態(tài)鏈接庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。

1? SECS/GEM標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

SECS/GEM標(biāo)準(zhǔn)是半導(dǎo)體生產(chǎn)流程中最基本的標(biāo)準(zhǔn)，用來統(tǒng)一各種生產(chǎn)設(shè)備之間以及生產(chǎn)設(shè)備與控制設(shè)備之間的通訊協(xié)議[3][4]。SECS/GEM是一組協(xié)議的統(tǒng)稱。SECS/GEM協(xié)議框架如圖1所示，包括SECS-1，HSMS，SECS-II和GEM。

SECS-I協(xié)議處于整個(gè)協(xié)議簇的最底層，它利用RS-232串口通信為基礎(chǔ)，通訊速率慢，僅適應(yīng)早期的自動(dòng)化設(shè)備。

HSMS（High-Speed SECS Message Services）采用TCP/IP協(xié)議傳輸信息，主要目的是替換掉速度慢的SECS-I。

SECS-II規(guī)定了特定的信息格式以及在設(shè)備和主機(jī)間傳送這種信息的方式方法。

GEM（Generic Model for Communications and Control of Manufacturing Equipment）可以理解成是SECS-II協(xié)議的一個(gè)子集或擴(kuò)展。根據(jù)具體設(shè)備特點(diǎn)定義使用哪些SECS-II消息、在什么條件下使用等[4]。

鑒于SECS-I的通訊速率慢，文中不再贅述，本設(shè)計(jì)底層采用高速的HSMS協(xié)議。

2? SECS/GEM協(xié)議狀態(tài)分析

SECS/GEM協(xié)議簇每層協(xié)議都有自身的通訊狀態(tài)，與設(shè)備本身特點(diǎn)相關(guān)的信息交互主要體現(xiàn)在SECE-II協(xié)議和GEM，且信息交互的權(quán)限建立在不同通訊狀態(tài)上，而高一層協(xié)議的通訊狀態(tài)的基礎(chǔ)是以底層建立良好通訊的基礎(chǔ)上。通訊狀態(tài)的轉(zhuǎn)化與設(shè)備本身的參數(shù)無關(guān)，所以本設(shè)計(jì)通過對(duì)各層協(xié)議的通訊狀態(tài)進(jìn)行合并，簡(jiǎn)化成一條貫穿整個(gè)協(xié)議的狀態(tài)。其中SECS/GEM變換后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

HSMS協(xié)議的信息傳輸建立在TCP/IP的基礎(chǔ)上，且作為設(shè)備端，以被動(dòng)模式（Passive Mode）與后臺(tái)主機(jī)進(jìn)行交互，所以TCP/IP協(xié)議以服務(wù)端的形式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。本文以設(shè)備端為例介紹變換后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。從狀態(tài)最初始開始，配置TCP/IP信息，完成初始化進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，即設(shè)備進(jìn)入Not Connected狀態(tài);當(dāng)主機(jī)端請(qǐng)求建立連接后，設(shè)備進(jìn)入Not Selected狀態(tài)（同Connected狀態(tài)），此狀態(tài)下已建立了一個(gè)真正的TCP/IP連接;接收到主機(jī)HSMS協(xié)議的Selected命令后，進(jìn)入Selected狀態(tài)，此狀態(tài)與原SECS-II的Not Communication 狀態(tài)為同一狀態(tài);再通過SECS-II協(xié)議的消息格式在OFF-LINE、ON-LINE/LOCAL、ON-LINE/REMOTE狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。

3? 動(dòng)態(tài)鏈接庫的設(shè)計(jì)

C#語言功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)單易學(xué)，對(duì)于人機(jī)界面的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，一般作為自動(dòng)化設(shè)備界面設(shè)計(jì)的首選語言。本設(shè)計(jì)以C#作為工具語言完成所有的軟件設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)鏈接庫主要完成整個(gè)SECS/GEM協(xié)議的各種通訊狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并留用應(yīng)用程序可調(diào)用的接口。

3.1? TCP/IP服務(wù)器端程序?qū)崿F(xiàn)

建立通訊連接的基礎(chǔ)是TCP/IP協(xié)議，TCP/IP服務(wù)器端程序框圖如圖3所示，利用System.Net. Sockets庫可方便的以異步方式實(shí)現(xiàn)TCP/IP服務(wù)器端程序[5-6]。首先利用Socket（）構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建服務(wù)器端套接字實(shí)例，并綁定到本系統(tǒng)特定的地址。再用Listen（）啟動(dòng)監(jiān)聽客戶端請(qǐng)求連接的線程。本設(shè)計(jì)作為設(shè)備端，設(shè)定最多允許一個(gè)客戶端的連接，當(dāng)監(jiān)聽到客戶端連接后，建立連接并用BeginReceive（）回調(diào)函數(shù)異步接收客戶端的數(shù)據(jù)。當(dāng)連接線路發(fā)生異常或客戶端主動(dòng)斷開連接時(shí)，釋放此連接，便于接收新的客戶端連接。如收到正常的數(shù)據(jù)，解包成HSMS格式的數(shù)據(jù)，調(diào)用進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理函數(shù)。

3.2? 協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

3.2.1? 正常命令狀態(tài)變化的實(shí)現(xiàn)

在處理解包后的HSMS數(shù)據(jù)幀時(shí)，根據(jù)幀頭數(shù)據(jù)SType的值的不通，執(zhí)行不同的程序段。當(dāng)SType不等于0時(shí)，表示HSMS控制命令，進(jìn)行HSMS控制命令的解析。當(dāng)SType=0時(shí)，即為數(shù)據(jù)消息，將數(shù)據(jù)進(jìn)一步解包成SECS-II格式的數(shù)據(jù)，根據(jù)SECS-II命令的種類，將與協(xié)議通訊狀態(tài)相關(guān)的命令直接解析與回復(fù)，其余命令以事件委托的方式交由應(yīng)用程序完成解析與回復(fù)。其中允許最高權(quán)限的ON-LINE/REMOTE由界面進(jìn)行設(shè)定。正常命令處理的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表1所示。

3.2.2? 異常超時(shí)的狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)

在通訊過程中難免由于網(wǎng)絡(luò)傳輸原因或消息阻塞導(dǎo)致通訊的異常，這些網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)漠惓３瑫r(shí)，也將導(dǎo)致通訊狀態(tài)的變化。在程序中增加100 ms的定時(shí)器，用于實(shí)現(xiàn)超時(shí)處理。根據(jù)超時(shí)時(shí)間的定義，對(duì)各種異常超時(shí)處理的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表2所示。

3.3? 動(dòng)態(tài)鏈接庫的接口設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫控件的屬性頁如圖4所示，本設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)鏈接庫與應(yīng)用程序交互的接口如下。

（1）輸入?yún)?shù)：包括本機(jī)IP地址、端口號(hào)，本設(shè)備ID號(hào)（Device ID）、超時(shí)域值T3、T5、T6、T7、T8，定時(shí)發(fā)送心跳包的時(shí)間TLinkTest，在Selected狀態(tài)下如未建立通訊的定時(shí)發(fā)送S1F13命令的定時(shí)器TGEM。

（2）輸出接口：設(shè)計(jì)了兩個(gè)事件委托向應(yīng)用程序發(fā)送消息：打印消息事件和SECS-II消息處理? 事件。

（3）可被直接訪問的公有變量：包括當(dāng)前的通訊狀態(tài)標(biāo)志、服務(wù)器是否在運(yùn)行標(biāo)志。

（4）可被直接調(diào)用的共有函數(shù)：包括通訊的啟用、停止函數(shù)，SECS-II命令的發(fā)送函數(shù)。

4? 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式接收主機(jī)發(fā)送的SECS-II格式的消息。GEM定義了從主機(jī)方看到的半導(dǎo)體設(shè)備的行為，定義了哪些SECS-II消息在何種狀態(tài)下被使用。應(yīng)用程序根據(jù)當(dāng)前的通訊狀態(tài)，按照GEM所指定的規(guī)范與功能需求處理或回復(fù)主機(jī)的SECS-II消息[7]，一般具備如下的功能及通訊處理能力[8][9]。

（1）建立連接（動(dòng)態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)）;

（2）資料收集：具體分為時(shí)間告知、動(dòng)態(tài)事件回報(bào)規(guī)劃、變數(shù)資料收集、追蹤資料收集、極限監(jiān)控、狀態(tài)資料收集、線上辨識(shí)等;

（3）警報(bào)管理：是主機(jī)可以通告與管理在設(shè)備上鎖發(fā)生的緊急情況;

（4）遠(yuǎn)端控制：提供主機(jī)一個(gè)比設(shè)備更高的控制權(quán)限;

（5）其他功能：如設(shè)備常數(shù)、制程程式管理、材料搬移、設(shè)備終端服務(wù)、錯(cuò)誤訊息、時(shí)間等。

5? 結(jié)果驗(yàn)證

利用SECS/GEM調(diào)試工具SECSEmulator作為主機(jī)端，主機(jī)設(shè)為Active/Host模式，配置為HSMS通訊模式，設(shè)置遠(yuǎn)程地址、端口號(hào)、Devive ID與本設(shè)計(jì)的設(shè)備端的配置對(duì)應(yīng)。建立連接后，主機(jī)端和設(shè)備端通訊過程的測(cè)試打印信息如圖5所示。設(shè)備端調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫，配置輸入?yún)?shù)后調(diào)用啟動(dòng)函數(shù)，無需再添加任何代碼即可自動(dòng)完成與主機(jī)端通訊狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)將SECS-II協(xié)議層與設(shè)備通訊狀態(tài)無關(guān)的消息傳送給應(yīng)用程序進(jìn)一步的處理。

6? 結(jié)論

SECS/GEM是半導(dǎo)體行業(yè)里廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，也是半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)所在。本文將SECS/ GEM協(xié)議的與通訊狀態(tài)相關(guān)的協(xié)議實(shí)現(xiàn)封裝在動(dòng)態(tài)鏈接庫中，在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)與設(shè)備本身特性相關(guān)的協(xié)議，這種將協(xié)議分開實(shí)現(xiàn)的方法，可快速實(shí)現(xiàn)不同半導(dǎo)體設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)功能，具有良好的移植性，可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

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