SECS/GEM协议开发应用

历史由来和发展进程

SECS/GEM（Semiconductor Equipment Communication Standard / Generic Equipment Model）的历史由来和发展进程可以追溯到上世纪80年代初，当时半导体制造行业对设备间通信标准化的需求逐渐增加。Semiconductor  英/ˌsemikənˈdʌktə(r)/n.半导体；半导体装置
在过去，每个半导体设备制造商都采用自己的专有通信协议，这导致了设备之间的互操作性问题和数据集成的挑战。为了解决这些问题，SEMI（全球半导体制造行业协会）开始推动制定一个通用的设备通信标准。
1986年，第一个版本的SECS（SEMI Equipment Communications Standard）标准发布。SECS定义了一套通信协议，允许设备之间进行基本的数据交换。然而，SECS的实现仍然存在一些限制，如数据处理能力较弱、扩展性不足等。
为了进一步发展设备通信标准，1990年，SEMI开始开发新一代的通信协议，并在1992年发布了SECS-II标准。SECS-II引入了更灵活的消息格式和数据表示方式，提供了更多的功能和扩展性，成为半导体设备间通信的主要标准。
随着半导体制造设备的复杂度和数量的增加，SEMI意识到需要一个更加灵活和通用的设备模型来描述设备的状态、事件和控制。为此，1995年，SEMI引入了GEM（Generic Equipment Model）的概念，并在1996年发布了SECS/GEM标准。                                  通用设备模型
GEM引入了一种通用的设备模型，定义了设备的状态变量、事件条件和允许的操作。这样，不同类型的设备可以基于相同的模型进行集成和通信，实现了更高级别的自动化控制和数据采集。
随着时间的推移，SEMI对SECS/GEM标准进行了多次更新和改进，以适应行业的发展和需求变化。目前，SECS/GEM已成为半导体制造设备间通信的主要标准，并得到了全球半导体制造业的广泛应用。
总结起来，SECS/GEM的历史由来和发展进程始于上世纪80年代初的对设备间通信标准化需求，经过SECS和SECS-II版本的发展，最终引入了GEM的设备模型，形成了现代半导体设备通信的标准SECS/GEM。

SECS/GEM（Semiconductor Equipment Communication Standard / Generic Equipment Model）是一种通信协议标准，用于在半导体设备之间实现数据交换和控制。
SECS/GEM 提供了一套规范和协议，用于定义半导体制造设备与上位设备（如主机控制系统、MES系统等）之间的通信接口和消息格式。它基于SEMI标准，旨在提高设备之间的互操作性和生产数据的可靠传输。
SECS/GEM 采用面向事务的通信模型，其中包括以下几个重要组成部分：

1. SECS-I：SECS/GEM 的物理层通信标准，使用串行通信协议传输数据。常见的物理层传输介质包括RS-232、RS-422和Ethernet等。

2. SECS-II：SECS/GEM 的消息协议，用于设备之间传输数据。SECS-II 定义了一系列消息格式和数据结构，用于在设备之间交换各种类型的信息，如设备状态、报警信息、生产数据等。

3. GEM：Generic Equipment Model（通用设备模型），是一种SEMI标准化的模型，用于描述和定义设备的状态、事件和控制。GEM 规定了设备的各种状态变量、事件发生条件以及允许的操作和命令。

通过SECS/GEM，制造设备可以与上位设备进行无缝集成，实现自动化控制、数据采集和追溯等功能。它能够提高制造过程的可靠性、效率和一致性，并促进工厂级的全面生产优化。

SEMI E39、E40、E87、E90、E94、E116和E142

SEMI E39、E40、E87、E90、E94、E116和E142是SEMI（全球半导体制造行业协会）发布的一系列标准文件，用于规范半导体设备之间的通信和控制。下面是对每个标准的简要介绍：

1. SEMI E39: SECS-II Protocol for High-Speed Ethernet（SECS-II高速以太网协议） SEMI E39标准定义了在高速以太网上运行SECS-II通信协议的规范。它提供了在半导体制造设备之间通过以太网实现快速、可靠通信的方法。

2. SEMI E40: Standard for Processing Management（处理管理标准） SEMI E40标准为半导体制造设备的处理管理提供了指南和规范。它定义了如何进行处理步骤的管理、记录和追踪，以确保生产过程的可控性和产品质量。

3. SEMI E87: Specification for Carrier Management（载具管理规范） SEMI E87标准规定了载具（如载板、盒等）在半导体制造过程中的管理要求。它涵盖了载具的标识、追溯、状态管理等方面，以增加生产过程的可追溯性和效率。

4. SEMI E90: Specification for Sensor/Actuator Network（传感器/执行器网络规范） SEMI E90标准定义了用于传感器和执行器网络的协议和接口规范。它提供了在设备中集成传感器和执行器的方法，以实现对设备状态和控制的高级监控和自动化。

5. SEMI E94: Specification for Control Job Management（控制作业管理规范） SEMI E94标准规定了控制作业的管理和调度要求。它包括作业定义、作业状态追踪和优先级等相关内容，以帮助半导体制造设备实现灵活的作业控制和优化。

6. SEMI E116: Specification for Equipment Performance Tracking（设备性能追踪规范） SEMI E116标准定义了设备性能追踪的方法和要求。它描述了如何收集、报告和分析设备的性能数据，以支持设备维护、故障诊断和性能改进。

7. SEMI E142: Specification for Substrate Mapping（衬底映射规范） SEMI E142标准规定了衬底（substrate）映射的标准格式和内容。它用于记录和追溯衬底上的芯片、层次结构和特征信息，以促进制造过程的控制和品质管理。

这些SEMI标准文件是为了推动半导体制造设备之间的互操作性、数据交换和控制增强而制定的。它们在半导体制造业中被广泛采用，有助于提高生产效率、质量和可靠性。

SEMI E4(SECS I)、E5(SECS II)、E30（GEM）和E37（HSMS）

SEMI E4(SECS I)、E5(SECS II)、E30（GEM）和E37（HSMS）是SEMI（全球半导体制造行业协会）发布的一系列通信标准，用于规范半导体制造设备之间的通信和控制。下面是对每个标准的简要介绍：

1. SEMI E4 (SECS I): SEMI Equipment Communications Standard 1（设备通信标准1） SEMI E4是定义了SECS I协议的标准文件。SECS I（Standard for Equipment Communication Standard Interface）是一种早期的半导体设备通信协议，通过串行通信进行设备之间的数据交换和控制。

2. SEMI E5 (SECS II): SEMI Equipment Communications Standard 2（设备通信标准2） SEMI E5定义了SECS II协议的标准文件。SECS II是一种更先进的半导体设备通信协议，采用二进制格式进行通信，支持更多功能和更高的通信速度，比SECS I更灵活和可靠。

3. SEMI E30 (GEM): Generic Model for Communications and Control of Manufacturing Equipment（通用制造设备通信和控制模型） SEMI E30标准定义了GEM协议的规范。GEM（Generic Equipment Model）是一种用于集成半导体制造设备的通信和控制标准，它提供了设备状态、报警和数据收集等功能。

4. SEMI E37 (HSMS): High-Speed SECS Message Services（高速SECS消息服务） SEMI E37标准定义了HSMS协议的规范。HSMS（High-Speed SECS Message Services）是一种基于TCP/IP网络的高速SECS通信协议，具有较低的延迟和更高的通信速度，比传统SECS协议更适用于高吞吐量的生产环境。

这些SEMI标准文件是为了促进半导体制造设备之间的互操作性、数据交换和控制增强而制定的。它们在半导体制造业中被广泛应用，有助于实现设备之间的可靠通信和集成，并提高生产效率和质量。

        +---------------------------+
        |      上位设备（Host）       |
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                   |
                   | SECS-II消息
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        |    GEM主机 (GEM Host)      |
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                   |
                   | SECS-I传输
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        |    GEM设备 (GEM Equipment)  |
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 SECS/GEM和SECS/GEM300支持协议

EAP（Enterprise Authentication Protocol）

EAP（Enterprise Authentication Protocol）是一种网络安全协议，用于在企业网络中实现用户身份验证和访问控制。EAP可以在无线网络、虚拟专用网络（VPN）和有线网络等各种场景下使用。EAP的工作原理是在客户端和认证服务器之间进行通信，以验证用户的身份并确保安全的网络连接。以下是EAP的基本步骤：

1. 客户端发起连接请求：客户端（例如移动设备或计算机）向认证服务器发送连接请求，并指定使用EAP协议进行认证。

2. 选择EAP方法：认证服务器从支持的EAP方法列表中选择一种适合的方法，该方法将用于进行身份验证。常见的EAP方法包括EAP-TLS、EAP-PEAP、EAP-MSCHAPv2等。

3. EAP握手过程：客户端和认证服务器之间开始进行EAP握手过程。握手过程的具体步骤和流程取决于所选的EAP方法。

4. 身份验证：在握手过程中，客户端提供其凭据（如用户名和密码），并使用所选的EAP方法进行身份验证。认证服务器验证这些凭据，并向客户端发送验证结果。

5. 访问控制：如果身份验证成功，认证服务器将向客户端分配一组访问权限，以允许其在企业网络中执行特定的操作和访问资源。这可以基于用户身份、角色或其他访问策略进行配置。

EAP协议的灵活性使得它成为广泛应用于企业网络中的身份验证和访问控制的标准协议。它提供了一种安全可靠的方式来验证用户身份，并确保只有经过身份验证的用户可以访问受保护的资源。

HSMS   High-Speed SECS Message Services

HSMS代表High-Speed SECS Message Services，是一种用于半导体制造设备之间高速通信的协议。SECS（Semiconductor Equipment Communication Standard）是半导体设备之间通信和控制的行业标准，HSMS是对SECS协议的扩展，提供了更高的通信速度和更低的延迟。
HSMS使用TCP/IP网络作为传输媒介，并通过基于数据报的通信方式实现快速和可靠的设备间通信。其设计目标是支持高吞吐量的生产环境，以满足半导体制造中数据传输速度和效率的要求。

HSMS具有以下特点和优势：

1. 高速通信：HSMS利用TCP/IP网络的高速通信能力，提供快速的数据传输速度和处理能力，使得半导体设备间的通信更有效率。

2. 低延迟：HSMS优化了消息交互过程，减少了通信延迟，以提高实时性和响应性。在半导体制造中，减少通信延迟对于确保高度同步的工序和控制非常重要。

3. 可靠性：HSMS使用可靠的TCP/IP传输协议，具备数据完整性和可靠性，能够确保数据传输的准确性和稳定性。

4. 兼容性：HSMS兼容SECS协议，可以与现有的SECS设备和系统进行无缝集成，提供一种平滑的升级路径。

HSMS在半导体制造领域得到广泛应用，特别适用于高吞吐量、实时性要求高的生产环境。它为设备之间的通信提供了可靠且高效的解决方案，有助于提高制造效率、降低生产成本，并促进半导体工厂的自动化和智能化发展。

1. FA(Factory Automation)的目的

生产费用减少
通过自动化减少人力
提高生产力
通过中央控制增加产量
减少操作人员的失误
通过对设备状态的把握预测和预防错误
设备管理的最大化
通过检测设备状态计划性的分配设备保养和工作的时

2. 半导体设备通信标准

      通信协议属于 SEMI 标准中的设备自动化/软件标准，包括 SECS-I、HSMS、SECS-II 和 GEM 四个标准。其实还有一个最新国际标准EDA(Interface A) ，但不在本系列文章的探讨范围内。

2.1 标准描述

SECS-I
属于传输协议标准，描述数据是如何通过物理层在设备与主机之间进行传输的，通过 RS-232C 通信来传送SECS-II 数据的规范。
SEMI E4 : SEMI Equipment Communications Standard 1 Message Transfer
SECS-II
属于消息格式标准，定义了在设备与主机之间进行双向会话时所使用的消息格式。
SEMI E5 : SEMI Equipment Communications Standard 2 Message Content
HSMS
属于传输协议标准，描述数据是如何通过物理层在设备与主机之间进行传输的，使用的传输媒质是以太网。通过以太网来传送SECS-II 数据的规范。
SEMI E37 : High-speed SECS Message Services Generic Services
GEM
属于设备功能标准，定义了通过通信链路所能看到的设备接口，指定了根据特定的消息设备所应该采取的对应的行为。
定义设备驱动的标准，对设备工作的scenario和当时所使用的SECS-II 消息们的捆绑。
SEMI E30 : Generic Model for Communications and Control of Manufacturing Equipment (制造设备通信和控制的通用模型)

2.2 总体结构

2.3 通信标准的历史 

 

 2.4 通信协议分层结构

 

    其中，SECS-I 和 HSMS 属于传输协议标准，描述了数据是如何通过物理媒介在设备与主机之前传输的。SECS-II 属于消息格式标准，定义了在设备与主机之前进行双向会话时所使用的消息格式。GEM 属于特殊功能标准，定义了通过通信链路所能看到的设备接口，指定了根据特定消息设备所应该采取的对应行为。

3. SECS-I通信标准

        SECS-I (SEMI Equipment Communications Standard 1 Message Transfer)[7]定义了使用 RS-232 作为传输媒质时点到点的数据通信。通信使用的是一个串行发送的 8 比特字符串，以及一个起始位和一个终止位。通信是双向和异步的，但是同一时间媒质上只能有一个方向的数据进行传输。数据被分块进行传输，每个数据块最大为 254 字节，一个消息最多能包括 32767 个数据块。SECS-I标准是用于串口通讯的设备，这种设备基本都是20年前的老旧设备，近些年的新设备已经不再使用此标准了。因此对于此标准的开发需求已经很少了。

3.1 硬件通讯
       以RS232串口通信协议为通讯标准，8-N-1的传输方式，并且采用半双工方式通讯，波特率一般采用9600。

 

3.2 数据块传输协议
       数据块传输协议 (Block Transfer Protocol) 用于建立通信并为数据块的传输提供环境。第一消息 (primary message) 或第二消息 (secondary message) 可能需要分块传输。协议使用单个字节进行握手，标准定义了四个握手编码，用于控制数据流，四个标准编码如下表所示：

    标准还定义了两个超时参数，用于检测通信故障。下图显示了该协议的握手过程以及 T1 和 T2 两个超时参数。

T1 (Inter-Character Timeout)：表示在接收数据块时每个字符之间的时间间隔。
T2 (Protocol Timeout)：表示发送 ENQ 之后到接收 EOT 的时间间隔。
3.3 消息格式
       块数据(block data)是单块消息或多块消息中的数据部分，包括一个长度字节、N 个字节的数据和两个字节的校验和，其结构如下图所示。
其中各项说明如下：
 

Length Byte：表示随后有多少个字节的数据（即 N bytes），不包括最后 2个字节的校验和
Checksum：只计算 N Data Bytes 的校验和
N Data Bytes：表示消息块中的数据部分，长度范围是 10 至 254 字节，它由十个字节的头和消息数据组成，如下图所示：

Data Bytes 中各项说明如下： 

 

Message Data：表示消息的数据部分，由编码后的 SECS-II 消息构成
10 Byte Header：用于描述块数据中的数据内容，包括 Device ID、Message ID、Block Number 和 System Bytes，如下图所示：
10 Byte Data 结构中各项说明如下：