1、EtherCAT系統組成
EtherCAT是一種實時以太網技術，由一個主站設備和多個從站設備組成。主站設備使用標準的以太網控制器，具有良好的兼容性，任何具有網絡接口卡的計算機和具有以太網控制的嵌入式設備都可以作爲EtherCAT的主站。對於PC計算機而言，主站控制器多采用倍福開發的TwinCAT軟件。EtherCAT從站使用專門的從站控制器（ESC），如專用集成芯片ET1100和ET1200，或者是利用FPGA集成EtherCAT通信功能的的IP-Core。EtherCAT物理層使用標準的以太網物理層器件，如傳輸介質通常使用100BASE-TX規範的5類UTP線纜。
EtherCAT運行原理爲如上圖所示：在一個通訊週期內，主站發送以太網數據幀給各個從站，數據幀到達從站後，每個從站根據尋址從數據幀內提取相應的數據，並把它反饋的數據寫入數據幀。當數據幀發送到最後一個從站後返回，並通過第一個從站返回至主站。這種傳輸方式能夠在一個週期內實現數據通訊，還改善了帶寬利用率，最大有效數據利用率達90%以上。
2、 EtherCAT數據幀結構
EtherCAT數據直接通過以太網數據幀傳輸，數據幀類型爲0x88A4。EtherCAT數據幀是由14個字節的以太網幀頭、2個字節的EtherCAT頭、44到1498字節的EtherCAT數據和4字節的幀校驗序列構成。EtherCAT的數據幀結構定義如圖所示。
在EtherCAT以太網報文中，目的地址爲接收方的MAC地址，源地址爲發送發的MAC地址，EtherCAT的以太網幀類型爲0x88A4。EtherCAT頭包括三個部分，分別是EtherCAT數據長度、保留位和類型。其中，EtherCAT數據長度爲所有子報文長度的總和，類型固定爲1，表示和EtherCAT從站通訊。每個EtherCAT子報文包括3個部分，分別是子報文頭、數據和工作計數器（WKC）。其中子報文頭如下表所示的7個部分。數據區中最多可以有1486個字節的數據，WKC用於記錄子報文被從站操作的次數，主站設置WKC的初始值爲0，當子報文被從站處理後，WKC增加一定的數值，當數據幀返回到主站時，主站會比較WKC的實際值和預期值，用來判斷報文是否被正確處理。
3、EtherCAT尋址方式
EtherCAT的數據通訊是通過主站發送EtherCAT報文讀寫從站的內部寄存器實現的。EtherCAT報文首先通過網段尋址找到從站所在的EtherCAT網段，之後通過設備尋址找到報文數據對應的從站設備，從而完成數據交換。
（1）EtherCAT網段尋址：EtherCAT主站和從站網段有兩種連接方式，分別是直連模式和開放模式。在直連模式中，從站所在的EtherCAT網段通過網線直接連接到主站的以太網控制器。在這種網絡連接模式中，主站使用廣播MAC地址，以太網幀頭的目的地址設爲0xFFFFFFFFFFFF，便可以找到EtherCAT的從站網段。在開放模式中，EtherCAT主站和從站網段都連接到一個標準的以太網交換機上，而且每個EtherCAT從站網段的第一個從站設備都有一個代表整個從站網段的MAC地址，這個從站被稱作段地址從站。在這種模式下，主站發送EtherCAT報文時，以太網幀頭的目的地址應該設置爲目的從站網段的段地址。
（2）設備尋址：EtherCAT數據幀的子報文頭裏的地址區有32位，其中前16位是EtherCAT從站設備的地址，後16位是從站設備內存偏移地址。EtherCAT報文首先根據前16位找到特定的從站設備，之後根據後16位將數據寫入或讀出從站設備相應的內存地址。設備尋址有兩種方式：順序尋址和設置尋址。使用順序尋址時，從站的地址是由從站設備的物理連接順序決定的。使用設置尋址時，從站的設備地址和物理連接順序無關，而是系統上電初始化時主站配置給從站，或者從站從自身EEPROM的配置文件中讀取的。在一個EtherCAT從站網段內，每個從站設備都擁有唯一的一個設備地址，用於獲取EtherCAT數據幀中相應的子報文。
4、EtherCAT分佈時鐘
EtherCAT提供了分佈式時鐘（DC）單元，來同步從站設備。相比於完全同步的通訊，分佈式同步時鐘具有更好的容錯性，從而保證各EtherCAT從站設備同步工作的穩定性。由於每個設備的本地時鐘是自由運行的，爲了使所有設備進行同步，需要利用分佈時鐘進行同步。
分佈時鐘同步的原理是將所有的從站設備時鐘都同步於參考時鐘，EtherCAT將主站連接的第一個且具有分佈時鐘功能的從站作爲參考時鐘。爲了實現各從站設備之間的準確同步控制，在EtherCAT網絡上電初始化時，會對分佈時鐘進行初始化。通過測量和計算出各從站設備時鐘與參考時間的偏移，對從站設備時鐘進行校正，從而達到時鐘同步的目的。EtherCAT分佈時鐘同步方法基於硬件校正，具有很高的準確性，同步信號抖動遠小於1us。
5、EtherCAT通信模式
EtherCAT通信是以主從通訊模式進行的，其中主站控制着EtherCAT系統通信。在實際自動化控制應用中，通信數據一般可分爲：時間關鍵的和非時間關鍵。在EtherCAT中利用週期性過程數據通信來進行時間關鍵數據通信，而採用非週期性郵箱通信（mailbox）來實現非時間關鍵數據通信。
（1）週期性過程數據通信
週期性過程數據通信通常使用現場總線內存管理單元（FMMU）進行邏輯尋址，主站可以通過邏輯讀寫命令來操作從站。週期性過程數據通信使用兩個存儲同步管理單元（SM）來保證數據交換的一致性和安全性，通訊模式採用緩存模式。在緩存模式下使用三個相同大小的緩衝區，由SM統一管理，緩存模式的運行原理如圖所示。
（2）非週期性郵箱通信
郵箱數據通信模式只使用一個緩衝區，爲保證數據不丟失，數據交換採用握手機制，即在一端完成對緩衝區數據操作後，另一端才能操作緩衝區數據。通過這種輪流方式進行讀寫操作，來實現郵箱數據交換。
6、EtherCAT應用層協議
EtherCAT的應用層直接面嚮應用任務，它定義了應用程序與網絡連接的接口，爲應用程序訪問網絡提供手段和服務。通過對常用協議進行簡單修改，與EtherCAT通訊協議相兼容，從而可得EtherCAT多種應用層協議，主要包括：EoE、CoE，SoE以及FoE等。
EtherCAT協議本身具有良好的同步特性和數據傳輸速度，非常適用於伺服系統的控制，其中CoE與SoE可實現交流伺服驅動器控制的應用層。CoE是在CANopen協議基礎上，對協議進行了一些補充。CoE完全遵從CANopen的應用行規，其中CiA402行規用於伺服和運動控制。SERCOS是一種高性能數字伺服實時通信接口協議，包含多種通信技術和設備行規。SoE是指在EtherCAT協議下運行SERCOS協議規定的伺服控制行規，使用EtherCAT協議操作SERCOS行規定義的伺服參數和控制數據。