可擴展的嵌入式網(wǎng)絡(luò)平臺

作者：Navanee Sundaramoorthy

賽靈思產(chǎn)品營銷經(jīng)理

navanee@xilinx.com

Sathya Thammanur

賽靈思軟件總工程師

sathyanarayanan.thammanur@xilinx.com

大多數(shù)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(jù)目標應用的不同，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的要求也變化相當大。簡單的遠程控制和監(jiān)控應用只需要每秒數(shù)千比特的傳輸能力，而高端存儲可視頻應用則需要持續(xù)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(yōu)點就是其處理器、IP內(nèi)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(nèi)的一組基本要求。而設(shè)計產(chǎn)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(chǎn)品設(shè)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(fā)生變化。因此，利用靈活可擴展的平臺實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)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(shè)計折衷和設(shè)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(shè)計折衷，并給出滿足要求的一些設(shè)計實例。

應用要求

根據(jù)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(tǒng)中，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖聦崢藴省?/p>

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(wǎng)絡(luò)解決方案

賽靈思嵌入式解決方案為您提供了構(gòu)建范圍廣泛的嵌入式網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)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(yōu)點是其處理器、IP內(nèi)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(jù)需要開啟或禁止處理器、IP內(nèi)核以及軟件平臺的高級功能，并且可以對許多獨立參數(shù)進行精細調(diào)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(guān)鍵性能的軟件功能，并將其分流至適當?shù)挠布铀倨鱽硗瓿伞?/p>

讓我們來分別看一下三種不同以太網(wǎng)子系統(tǒng)的例子。您可以利用Xilinx Platform Studio(XPS)完成設(shè)計，并滿足此類典型應用的性能要求。每種設(shè)計具有不同的系統(tǒng)架構(gòu)，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(tǒng)中可以使用的不同TCP/IP軟件棧。由于硬件構(gòu)建模塊和軟件層都是可定制的，因此您可以根據(jù)應用的需要對這些示例系統(tǒng)進行增減。

表1：不同應用的網(wǎng)絡(luò)吞吐量要求

簡化以太網(wǎng)子系統(tǒng)

對于遠程監(jiān)視或控制應用中所需要的簡單網(wǎng)絡(luò)接口來說，如圖1所示的最小化網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)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(wǎng)協(xié)議棧)，而不需要RTOS實時操作系統(tǒng)。

MicroBlaze “Lite” Ethernet Subsystem：MicroBlaze以太網(wǎng)簡化子系統(tǒng)

Local Memory：本地存儲器

MicroBlaze Processor：MicroBlaze 處理器

Ethernet Lite 簡化以太網(wǎng)

圖 1.簡化以太網(wǎng)子系統(tǒng)

利用不帶中斷的Ethernet Lite IP在簡單的查詢模式下實現(xiàn)設(shè)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(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，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(tǒng)

通過對前面的最小系統(tǒng)做一定的修改，可以實現(xiàn)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增加直接存儲器訪問(DMA)引擎，實現(xiàn)中斷驅(qū)動方式。

為系統(tǒng)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(tǒng)TCP/IP協(xié)議棧。

利用XPS中的基本系統(tǒng)構(gòu)建向?qū)?Base System Builder wizard)可以容易地創(chuàng)建這樣的MicroBlaze設(shè)計。

高性能千兆位以太網(wǎng)子系統(tǒng)

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(nèi)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，需要同時配合使用環(huán)形緩沖(scatter/gather)DMA(SGDMA)等高級DMA技術(shù)，以及數(shù)據(jù)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(xiàn)的高性能PowerPC 405內(nèi)建了運行在450 MHz 的16-Kb指令和數(shù)據(jù)緩存，可以支持Linux、VxWorks、Integrity和QNX等軟件平臺，因此可設(shè)計出帶有高性能網(wǎng)絡(luò)接口的系統(tǒng)。

MicroBlaze 10/100 Ethernet Subsystem：MicroBlaze 10/100 以太網(wǎng)子系統(tǒng)

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(tǒng)

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

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(shù)坐標)

PowerPC Gigabit Ethernet Subsystem：PowerPC 千兆比特以太網(wǎng)子系統(tǒng)

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(tǒng)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(tǒng)性能差異巨大，因此Y軸采用的是對數(shù)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(tǒng)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緩存拷貝到協(xié)議?？刂频木彺妫缓笤賹⑵淇截惖揭蕴W(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。同時處理器還參與TCP校驗和的計算，計算過程中需要將整個數(shù)據(jù)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(nèi)完成這些操作，從而可以保持較高的數(shù)據(jù)速率。

b.功能：TCP/IP協(xié)議棧需要對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包從以太網(wǎng)MAC被拷貝到存儲器中之后，將會通過TCP/IP協(xié)議棧的不同層。然后TCP/IP棧中的數(shù)據(jù)包處理代碼會被執(zhí)行。將所有代碼和數(shù)據(jù)包讀到緩存中會大大提高處理器效率并提高以太網(wǎng)帶寬。

2. 存儲器：存儲器訪問時間和延遲對于系統(tǒng)性能有巨大的影響。典型應用中，TCP/IP協(xié)議棧系統(tǒng)并不存儲在本地存儲器中，程序和數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器中。存取數(shù)據(jù)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(guān)。提高指令和數(shù)據(jù)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(wǎng)MAC：在FPGA中實現(xiàn)的以及網(wǎng)MAC外設(shè)提供了很大的靈活性，特別是在工作模式(無DMA與SGDMA)、數(shù)據(jù)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(xié)議棧：靈活的優(yōu)化TCP/IP協(xié)議棧是影響系統(tǒng)性能的重要因素。對硬件CSO和零拷貝API(數(shù)據(jù)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(tǒng)性能支持。

5. 消息大?。合?應用數(shù)據(jù))的大小是影響性能的另一個因素。隨著消息變小，TCP/IP協(xié)議頭(如TCP、IP和以太網(wǎng)頭)的開銷增加，從而會減小總體的數(shù)據(jù)載荷吞吐能力。

結(jié)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(shè)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(shè)計工具和可定制IP在內(nèi)的嵌入式解決方案可幫助設(shè)計人員構(gòu)建可擴展的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，其性能可以滿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。