可擴展的嵌入式網(wǎng)絡(luò )平臺

作者：Navanee Sundaramoorthy
賽靈思產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理
navanee@xilinx.com

Sathya Thammanur
賽靈思軟件總工程師
sathyanarayanan.thammanur@xilinx.com

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

根據目標應用的不同，網(wǎng)絡(luò )子系統的要求也變化相當大。簡(jiǎn)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)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(jià)格、性能和功能在內的一組基本要求。而設計產(chǎn)品的過(guò)程中要在這些基本要求之間進(jìn)行適當折衷。此外，在產(chǎn)品設計以及其生命周期中，為了適應市場(chǎng)情況，這些基本要求也會(huì )發(fā)生變化。因此，利用靈活可擴展的平臺實(shí)現產(chǎn)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(jìn)行設計折衷和設計修改。

在本文中，我們將討論與網(wǎng)絡(luò )性能相關(guān)的一些應用要求，相應的設計折衷，并給出滿(mǎn)足要求的一些設計實(shí)例。

應用要求

根據OSI標準，以太網(wǎng)屬于物理層接口。在用于傳輸和網(wǎng)絡(luò )層的多種協(xié)議標準中，TCP/IP協(xié)議組是最常用的標準，特別是在嵌入式系統中，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò )傳輸的事實(shí)標準。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，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(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)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(kāi)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(jìn)行精細調整，直到在軟件級滿(mǎn)足應用的要求。

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

讓我們來(lái)分別看一下三種不同以太網(wǎng)子系統的例子。您可以利用Xilinx Platform Studio（XPS）完成設計，并滿(mǎn)足此類(lèi)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(jìn)行增減。

表1：不同應用的網(wǎng)絡(luò )吞吐量要求

簡(jiǎn)化以太網(wǎng)子系統

對于遠程監視或控制應用中所需要的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )接口來(lái)說(shuō)，如圖1所示的最小化網(wǎng)絡(luò )子系統就足夠了。在此類(lèi)應用中，TCP/IP性能要求較低（ 1兆比特/秒），因此可以使用LwIP（簡(jiǎn)化版因特網(wǎng)協(xié)議棧），而不需要RTOS實(shí)時(shí)操作系統。

MicroBlaze “Lite” Ethernet Subsystem：MicroBlaze以太網(wǎng)簡(jiǎn)化子系統

Local Memory：本地存儲器
MicroBlaze Processor：MicroBlaze 處理器
Ethernet Lite 簡(jiǎn)化以太網(wǎng)

圖 1.簡(jiǎn)化以太網(wǎng)子系統

利用不帶中斷的Ethernet Lite IP在簡(jiǎn)單的查詢(xún)模式下實(shí)現設計就可以了。同時(shí)還可以將全部軟件，包括簡(jiǎn)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(wǎng)絡(luò )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(guò)對前面的最小系統做一定的修改，可以實(shí)現如圖2所示的更為典型的10/100以及網(wǎng)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(fǎng)問(wèn)（DMA）引擎，實(shí)現中斷驅動(dòng)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(xié)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(chuàng )建這樣的MicroBlaze設計。

高性能千兆位以太網(wǎng)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(zhuān)用Xilinx FPGA系列器件中內建的三模式以太網(wǎng)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(shí)配合使用環(huán)形緩沖（scatter/gather）DMA（SGDMA）等高級DMA技術(shù)，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(shí)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(wǎng)絡(luò )接口的系統。

MicroBlaze 10/100 Ethernet Subsystem：MicroBlaze 10/100 以太網(wǎng)子系統
Local Memory：本地存儲器
Cache：緩存
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(shí)器

圖 2. 10/100以太網(wǎng)

PowerPC Gigabit Ethernet Subsystem：PowerPC千兆比特以太網(wǎng)子系統
Local Memory：本地存儲器
Cache：緩存
Timer：定時(shí)器
External Memory Controller：外部存儲器控制器
Interrupt Controller：中斷控制器

圖 3 –千兆比特以太網(wǎng)

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(wǎng)子系統
MicroBlaze 10/100 Ethernet μClinux
MicroBlaze Ethernet Lite LwIP

Sample Xilinx Networking Solutions：賽靈思網(wǎng)絡(luò )解決方案實(shí)例

圖 4.不同賽靈思網(wǎng)絡(luò )解決方案性能比較

圖4中的表對于前面所給出的三種網(wǎng)絡(luò )子系統的TCP/IP載荷吞吐能力進(jìn)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(huì )影響到TCP性能，包括硬件和軟件。下面列出了這些會(huì )影響系統TCP吞吐能力的相關(guān)因素：

1. 處理器

a.頻率：TCP/IP協(xié)議通常需要將載荷從用戶(hù)緩存拷貝到協(xié)議?？刂频木彺?，然后再將其拷貝到以太網(wǎng)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(shí)處理器還參與TCP校驗和的計算，計算過(guò)程中需要將整個(gè)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(shí)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(xié)議棧需要對數據包的頭和載荷進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)處理。做為頭處理的一部分，典型的訪(fǎng)問(wèn)包括讀取頭信息的特定位。因此每個(gè)數據包的處理過(guò)程都需要一些移位、相加和簡(jiǎn)潔操作。在可配置的MicroBlaze這樣的軟處理器中，必須開(kāi)戶(hù)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(wǎng)MAC被拷貝到存儲器中之后，將會(huì )通過(guò)TCP/IP協(xié)議棧的不同層。然后TCP/IP棧中的數據包處理代碼會(huì )被執行。將所有代碼和數據包讀到緩存中會(huì )大大提高處理器效率并提高以太網(wǎng)帶寬。

2. 存儲器：存儲器訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和延遲對于系統性能有巨大的影響。典型應用中，TCP/IP協(xié)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(shí)間對于性能有很大影響。存儲器因素通常與緩存大小有關(guān)。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(shí)間所帶來(lái)的影響。

3. 以太網(wǎng)MAC：在FPGA中實(shí)現的以及網(wǎng)MAC外設提供了很大的靈活性，特別是在工作模式（無(wú)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(huì )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(xié)議棧：靈活的優(yōu)化TCP/IP協(xié)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(xié)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?。合ⅲ☉脭祿┑拇笮∈怯绊懶阅艿牧硪粋€(gè)因素。隨著(zhù)消息變小，TCP/IP協(xié)議頭（如TCP、IP和以太網(wǎng)頭）的開(kāi)銷(xiāo)增加，從而會(huì )減小總體的數據載荷吞吐能力。

結論

嵌入式性能對網(wǎng)絡(luò )性能的要求差異很大，這些要求在產(chǎn)品生命周期中也在不斷演變。為了讓設計滿(mǎn)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(wǎng)絡(luò )子系統，其性能可以滿(mǎn)足范圍廣泛的不同應用的需要。

有關(guān)這些網(wǎng)絡(luò )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。這些應用指南可從 www.xilinx.com/cn/apps下載。