可擴充嵌入型網(wǎng)絡(luò )平臺

　　Xilinx提供彈性化以太網(wǎng)絡(luò )解決方案讓您能針對各種應用的效能與成本需求開(kāi)發(fā)客制化方案

　　大多數的嵌入式產(chǎn)品都需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò )或通信界面。由于具備低成本、普遍性、以及能透過(guò)像TCP/IP等通信協(xié)議連上因特網(wǎng)之特性，以太網(wǎng)絡(luò )(Ethernet)成為其中最廣為采用的網(wǎng)絡(luò )界面。

　　網(wǎng)絡(luò )子系統的需求，端視鎖定的應用種類(lèi)，而有相當大的差異。簡(jiǎn)單的遠程控制和監控等應用，每秒只需要傳送數千位的數據;但反觀(guān)高階儲存或影音應用，每秒則需要支持高達gigabit的流量。

　　嵌入式解決方案的一項重要考慮因素就是處理器、IP核心、以及軟件組件的高彈性與擴充能力

　　您的應用可能在價(jià)位、效能、以及功能方面均面臨一系列的基本要求。在設計一款產(chǎn)品時(shí)，您必須在這些基本要求之間找出一個(gè)最好的平衡點(diǎn)。此外，在產(chǎn)品或設計周期中，為了因應市場(chǎng)的變化，您的需求可能會(huì )產(chǎn)生變動(dòng)。因此，您必須采用一個(gè)高彈性、可擴充的平臺來(lái)開(kāi)發(fā)您的產(chǎn)品，能讓您針對各項設計隨時(shí)進(jìn)行調整，而不必更換平臺或合作廠(chǎng)商。

　　本文將介紹各項應用需求與網(wǎng)絡(luò )效能的關(guān)系，探討各項設計考慮因素，以及幾個(gè)能滿(mǎn)足需求的設計案例。

　　應用需求

　　根據OSI標準，Ethernet是一個(gè)實(shí)體層界面。在傳輸與網(wǎng)絡(luò )層中使用的各種通訊協(xié)議標準之間，TCP/IP通信協(xié)議套件是最常使用的標準，也因此成為在網(wǎng)絡(luò )上傳輸數據的現存業(yè)界標準，尤其是在嵌入式系統方面。

　　為簡(jiǎn)化之故，我們在本文以后的章節中，使用TCP負載流量作為評估性能的主要標準。表1列出幾個(gè)范例應用與其TCP/IP負載流量的要求。

　　賽靈思嵌入式網(wǎng)絡(luò )解決方案

　　賽靈思嵌入式解決方案提供讓您開(kāi)發(fā)各種嵌入式網(wǎng)絡(luò )系統的所有必要組件。賽靈思嵌入式解決方案的其中一項關(guān)鍵優(yōu)勢，就是處理器、IP核心、以及軟件組件的高彈性與擴充能力。您有充裕的彈性啟動(dòng)或關(guān)閉處理器、IP核心、以及軟件平臺中較高階的功能，并微調許多獨立參數，直到能在軟件層滿(mǎn)足各項應用需求為止。

　　此外，攸關(guān)效能高低的軟件功能，可運用效能測試工具來(lái)找出，并運用適合的硬件加速器來(lái)分擔處理作業(yè)負載。

　　以下介紹3個(gè)范例是運用Xilinx Platform Studio(XPS)，來(lái)設計Ethernet子系統，以符合典型的應用效能需求。每種設計含有不同的系統架構，包括處理器組態(tài)、以太網(wǎng)絡(luò )媒體存取控制組件(MAC) IP組態(tài)、以及內存界面。

　　范例中還介紹這些硬件子系統可使搭配的各種TCP/IP軟件堆棧。由于硬件建置區塊與軟件層都入建客制化能力，您可根據應用要求，逐步擴充或調降這些范例系統的效能。

　　Ethernet“Lite”子系統

　　圖1顯示的“Lite”網(wǎng)絡(luò )子系統，足以支持遠程監控或各種控制應用的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )界面。在這類(lèi)應用中，TCP/IP效能需求相當低(少于1 Mbps)，因此您可以使用小型的TCP/IP堆棧LwIP(輕量級網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議堆棧)，而不需使用實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)。

　　您可以運用Ethernet“Lite”IP中的簡(jiǎn)單輪詢(xún)模式來(lái)進(jìn)行建置此系統，而不被中斷。您也可以結合完整的軟件，包括一個(gè)簡(jiǎn)單的應用層，然后全部整合至Xilinx FPGA中的local memory。在這種基本網(wǎng)絡(luò )子系統中，您可加入其它必要的I/O界面，像是RS-232 UART與GPIO(如圖1所示)。

　　典型的快速Ethernet (10/100)子系統

　　您可經(jīng)由變更上述的最小規格系統，以達到更高的TCP/IP處理流量(10～50 Mbps)，以及轉移至更常見(jiàn)的10/100 Ethernet解決方案，如圖2所示。關(guān)鍵的變更包括：

　　把直接內存存取(DMA)引擎加入至Ethernet MAC，成為由中斷驅動(dòng)(interrupt-driven)的組件。

　　把外部?jì)却婕尤氲较到y，將高速緩存加入處理器中。

　　使用更精密的TCP/IP堆棧，像是Linux操作系統中的uClinux。

　　您可運用XPS中的Base System Builder精靈，輕易開(kāi)發(fā)出MICroBlaze?的設計。

　　高效能Gigabit Ethernet子系統

　　針對需要支持100 Mbps以上TCP/IP流量的應用，您可以有效運用已預先內建于幾款特定的Xilinx FPGA系列組件中的三模以太網(wǎng)絡(luò )媒體存取控制組件硬式IP(如圖3所示)。針對高階應用所需的500 Mbps以上的流量，您必須運用像是分散/收集DMA(SGDMA)等許多先進(jìn)的DMA技術(shù)，搭配像是數據重新配置引擎(DRE)與檢查碼處理分流(CSO)等FPGA硬件加速器。

　　有幾款建置于Xilinx FPGA的高效能PowerPC? 405處理器，內建16-Kb指令，并以450MHz運作頻率進(jìn)行數據擷取，可支持各種軟件平臺，包括Linux、VxWorks、Integrity、以及QNX，讓您能運用各種高效能網(wǎng)絡(luò )界面來(lái)開(kāi)發(fā)各類(lèi)系統。

　　圖4比較先前討論的3種網(wǎng)絡(luò )子系統TCP/IP負載流量。Y軸的流量數據是對數值，以方便比較差距極大的效能值。

　　影響TCP效能的因素

　　許多因素會(huì )影響TCP效能，包括硬件與軟件方面。在一個(gè)系統中，這些相關(guān)因素會(huì )影響TCP的流量：

　　1. 處理器

　　頻率頻率：TCP/IP通信協(xié)議堆棧通常會(huì )先將使用者緩沖區的負載流量復制到由堆?？刂频木彌_區，然后再復制到以太網(wǎng)絡(luò )媒體存取控制組件的FIFO組件。當在軟件中進(jìn)行作業(yè)時(shí)，部份的內存復制作業(yè)會(huì )用到處理器周期。處理器亦涉及到運算TCP的檢查碼，包括從內存中讀取整個(gè)封包的數據。較快的處理器搭配較快的內存，能在更短的時(shí)間內執行兩項作業(yè)，并跟上數據傳輸的速度。

　　特色：TCP/IP通信協(xié)議堆棧涉及到存取封包的表頭與負載流量。表頭處理作業(yè)中，典型的存取作業(yè)包括讀取表頭中特定的信息位，造成位移;且每個(gè)封包都須逐一處理加法、乘法的運算。在像MICroBlaze軟式處理器這類(lèi)可組態(tài)處理器中，您必須啟用相關(guān)指令，來(lái)執行位移緩存器或乘法運算，才能調校出更高的效能。

　　快?。阂坏┓獍鼜囊蕴W(wǎng)絡(luò )媒體存取控制組件復制到內存后，就會(huì )被傳送至TCP/IP通信協(xié)議堆棧的各功能層進(jìn)行處理。此時(shí)TCP/IP堆棧中的封包處理碼則進(jìn)入執行階段。把程序代碼與封包放在高速緩存的作法，能大幅提升處理器的效率，并增加Ethernet的頻寬。

　　2. 內存

　　內存存取時(shí)間與延遲對系統效能有極大的影響。典型的TCP/IP通信協(xié)議堆棧應用，無(wú)法配合local memory程序與數據都是外部?jì)却娴囊徊糠?。存取數據與指令所耗費的時(shí)間，對效能有極大的影響。內存因素通常和快取容量有直接的關(guān)系。增加指令與數據的快取容量，將有助于縮短外部?jì)却娴膫鬏斞舆t與存取時(shí)間。

　　3. 以太網(wǎng)絡(luò )媒體存取控制組件

　　建置于FPGA的以太網(wǎng)絡(luò )媒體存取控制組件的外圍組件，在運作模式(無(wú)DMA與SGDMA相對問(wèn)題)、封包FIFO的深度、DRE與CSO的支持能力、以及巨型訊框支持能力方面，都相當提供相當大的彈性。然而，上述每種選項被MAC組件所耗用的空間，將得以卸載處理器各項功能，進(jìn)而增進(jìn)效能。

　　4. TCP/IP通訊協(xié)議堆棧

　　最佳化與彈性的TCP/IP堆棧建置，是增進(jìn)系統效能的重要因素。包括像在硬件中支持CSO、無(wú)復制作業(yè)的API(數據不必從應用程序復制到堆棧緩沖區)、以及配合應用軟件需求的可組態(tài)堆棧選項等TCP/IP堆棧功能都有助于改進(jìn)系統效能。

　　5. 信息大小

　　信息(應用數據)的大小是另一項影響效能的因素。信息愈小，TCP/IP通訊協(xié)議表頭(像是TCP、IP、以及Ethernet表頭)的耗用資源比例就愈高，能取得的資料流量也隨之降低。

　　結論

　　各種嵌入式應用對網(wǎng)絡(luò )效能的需求有很大的差距，且會(huì )隨著(zhù)產(chǎn)品生命周期的演進(jìn)而有所改變。要設計出理想的產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足各式各樣且持續演進(jìn)的需求，您需要一種高彈性且可擴充的解決方案，針對您的應用需求進(jìn)行客制化。

　　賽靈思針對PowerPC與MicroBlaze處理器所開(kāi)發(fā)的嵌入式解決方案，搭配陣容完備的工具與可客制化IP，協(xié)助您開(kāi)發(fā)可擴充的網(wǎng)絡(luò )子系統，并針對差異懸殊的各類(lèi)應用需求，自行規劃適合的效能。