作者：Navanee Sundaramoorthy，Sathya Thammanur

大多數嵌入式產品都需要某種形式的網絡或通信接口。以太網由于（Ethernet）成本低、幾乎無處不在，且可以利用TCP/IP等因特網協議連接因特網，成為目前在嵌入式產品中應用最廣泛的網絡接口之一。

根據目標應用的不同，網絡子系統的要求也變化相當大。簡單的遠程控制和監控應用只需要每秒數千比特的傳輸能力，而高端存儲可視頻應用則需要持續的每秒千兆比特的吞吐能力。

賽靈思嵌入式解決方案的一個主要優點就是其處理器、IP內核以及軟件組件的靈活性和可擴展能力。

任何應用都有包括價格、性能和功能在內的一組基本要求。而設計產品的過程中要在這些基本要求之間進行適當折衷。此外，在產品設計以及其生命周期中，為了適應市場情況，這些基本要求也會發生變化。因此，利用靈活可擴展的平臺實現產品設計非常重要，因為靈活可擴展的平臺允許在不改變平臺或供應商的情況下進行設計折衷和設計修改。

在本文中，我們將討論與網絡性能相關的一些應用要求，相應的設計折衷，并給出滿足要求的一些設計實例。

應用要求

根據OSI標準，以太網屬于物理層接口。在用于傳輸和網絡層的多種協議標準中，TCP/IP協議組是最常用的標準，特別是在嵌入式系統中，已經成為網絡傳輸的事實標準。

為簡單起見，在本文的其它部分，我們將使用TCP載荷作為性能比較的主要指標。表1列出了一些典型應用以及相應的TCP/IP載荷吞吐能力要求。

賽靈思嵌入式網絡解決方案

賽靈思嵌入式解決方案為您提供了構建范圍廣泛的嵌入式網絡子系統所需要的所有組件和資源。賽靈思嵌入式解決方案的一個主要優點是其處理器、IP內核以及軟件組件的靈活性和可擴展能力。其強大的靈活性允許您根據需要開啟或禁止處理器、IP內核以及軟件平臺的高級功能，并且可以對許多獨立參數進行精細調整，直到在軟件級滿足應用的要求。

此外，利用建模工具可以識別任何關鍵性能的軟件功能，并將其分流至適當的硬件加速器來完成。

讓我們來分別看一下三種不同以太網子系統的例子。您可以利用Xilinx Platform Studio（XPS）完成設計，并滿足此類典型應用的性能要求。每種設計具有不同的系統架構，包括處理器配置、Ethernet MAC IP配置以及存儲器接口。此外，這些例子中還突出了在這些硬件子系統中可以使用的不同TCP/IP軟件棧。由于硬件構建模塊和軟件層都是可定制的，因此您可以根據應用的需要對這些示例系統進行增減。

表1：不同應用的網絡吞吐量要求

簡化以太網子系統

對于遠程監視或控制應用中所需要的簡單網絡接口來說，如圖1所示的最小化網絡子系統就足夠了。在此類應用中，TCP/IP性能要求較低（＜ 1兆比特/秒），因此可以使用LwIP（簡化版因特網協議棧），而不需要RTOS實時操作系統。

MicroBlaze “Lite” Ethernet Subsystem：MicroBlaze以太網簡化子系統

Local Memory：本地存儲器

MicroBlaze Processor：MicroBlaze 處理器

Ethernet Lite 簡化以太網

1LwIP或其它合作伙伴解決方案，如Mentor Nucleus NET 或 Express Logic ThreadX/NetX

圖 1.簡化以太網子系統

利用不帶中斷的Ethernet Lite IP在簡單的查詢模式下實現設計就可以了。同時還可以將全部軟件，包括簡單的應用層，都存儲在Xilinx FPGA中的本地存儲器中。對于這一基本網絡子系統，還可以增加其它需要的I/O接口，如RS-232 UART和GPIO。如圖1所示。

典型的快速Ethernet （10/100） 子系統

通過對前面的最小系統做一定的修改，可以實現如圖2所示的更為典型的10/100以及網解決方案，從而獲得更高的TCP/IP吞吐能力（10-50兆比特/秒）。主要的變化有：

為Ethernet MAC增加直接存儲器訪問（DMA）引擎，實現中斷驅動方式。

為系統增加外部存儲器，為處理器增加緩存。

利用更復雜的TCP/IP棧，如Linux （μClinux）系統TCP/IP協議棧。

利用XPS中的基本系統構建向導（Base System Builder wizard）可以容易地創建這樣的MicroBlaze？設計。

高性能千兆位以太網子系統

對于需要100 兆比特/秒以及TCP/IP吞吐能力的應用，可以利用專用Xilinx FPGA系列器件中內建的三模式以太網MAC硬IP，如圖3所示。為獲得高端應用所需要的500+ 兆比特/秒吞吐能力，需要同時配合使用環形緩沖（scatter/gather）DMA（SGDMA）等高級DMA技術，以及數據對齊引擎（DRE）和校驗和分流（CSO）等FPGA硬加速器。

幾款Xilinx FPGA器件上實現的高性能PowerPC？ 405內建了運行在450 MHz 的16-Kb指令和數據緩存，可以支持Linux、VxWorks、Integrity和QNX等軟件平臺，因此可設計出帶有高性能網絡接口的系統。

MicroBlaze 10/100 Ethernet Subsystem：MicroBlaze 10/100 以太網子系統

Local Memory：本地存儲器

Cache：緩存

圖 2. 10/100以太網

MicroBlaze Processor：MicroBlaze 處理器

External Memory Controller：外部存儲器控制器

Interrupt Controller：中斷控制器

Timer：定時器

PowerPC Gigabit Ethernet Subsystem：PowerPC千兆比特以太網子系統

Local Memory：本地存儲器

Cache：緩存

Timer：定時器

External Memory Controller：外部存儲器控制器

Interrupt Controller：中斷控制器

1 TEMAC – 三模式 （10/100/1000） Ethernet MAC 硬 IP

圖 3 –千兆比特以太網

Average TCP/IP Throughput（Logarithmic Scale）：平均TCP/IP吞吐量（對數坐標）

PowerPC Gigabit Ethernet Subsystem：PowerPC 千兆比特以太網子系統

MicroBlaze 10/100 Ethernet μClinux

MicroBlaze Ethernet Lite LwIP

Sample Xilinx Networking Solutions：賽靈思網絡解決方案實例

圖 4.不同賽靈思網絡解決方案性能比較

圖4中的表對于前面所給出的三種網絡子系統的TCP/IP載荷吞吐能力進行了比較。需要指出的是，由于三種子系統性能差異巨大，因此Y軸采用的是對數坐標。

影響TCP性能的因素

許多因素都會影響到TCP性能，包括硬件和軟件。下面列出了這些會影響系統TCP吞吐能力的相關因素：

1. 處理器

a.頻率：TCP/IP協議通常需要將載荷從用戶緩存拷貝到協議棧控制的緩存，然后再將其拷貝到以太網MAC的FIFO中去。這些存儲器拷貝操作有些是以軟件方式完成的，因此需要處理器的處理周期。同時處理器還參與TCP校驗和的計算，計算過程中需要將整個數據包從存儲器讀出。更快的處理器配合更快的存儲器能在更短的時間內完成這些操作，從而可以保持較高的數據速率。

b.功能：TCP/IP協議棧需要對數據包的頭和載荷進行訪問處理。做為頭處理的一部分，典型的訪問包括讀取頭信息的特定位。因此每個數據包的處理過程都需要一些移位、相加和簡潔操作。在可配置的MicroBlaze這樣的軟處理器中，必須開戶完成移位或乘法的指令才能獲得更高的性能。

c.緩存：數據包從以太網MAC被拷貝到存儲器中之后，將會通過TCP/IP協議棧的不同層。然后TCP/IP棧中的數據包處理代碼會被執行。將所有代碼和數據包讀到緩存中會大大提高處理器效率并提高以太網帶寬。

2. 存儲器：存儲器訪問時間和延遲對于系統性能有巨大的影響。典型應用中，TCP/IP協議棧系統并不存儲在本地存儲器中，程序和數據存儲在外部存儲器中。存取數據和指令所花費的時間對于性能有很大影響。存儲器因素通常與緩存大小有關。提高指令和數據緩存大小有助于減輕外部存儲器延遲和存取時間所帶來的影響。

3. 以太網MAC：在FPGA中實現的以及網MAC外設提供了很大的靈活性，特別是在工作模式（無DMA與SGDMA）、數據包FIFO深度、DRE支持、CSO支持以及巨型幀（jumbo frame）支持方面。這些功能中的每一項都會影響到MAC所需要的資源，以及其能夠從處理器分流的功能多少，從而對整體性能造成影響。

4. TCP/IP協議棧：靈活的優化TCP/IP協議棧是影響系統性能的重要因素。對硬件CSO和零拷貝API（數據不需要從應用拷貝到協議棧緩存）以及可配置棧選項等TCP/IP棧功能的支持都需要系統性能支持。

5. 消息大小：消息（應用數據）的大小是影響性能的另一個因素。隨著消息變小，TCP/IP協議頭（如TCP、IP和以太網頭）的開銷增加，從而會減小總體的數據載荷吞吐能力。

結論

嵌入式性能對網絡性能的要求差異很大，這些要求在產品生命周期中也在不斷演變。為了讓設計滿足范圍如此寬且在不斷變化的要求，需要靈活可擴展的解決方案。

賽靈思公司的包括PowerPC 和 MicroBlaze處理器、全面的設計工具和可定制IP在內的嵌入式解決方案可幫助設計人員構建可擴展的網絡子系統，其性能可以滿足范圍廣泛的不同應用的需要。

有關這些網絡解決方案的更詳細信息，請參考賽靈思應用指南XAPP433、XAPP730、XAPP902和XAPP807。

責任編輯：gt