嵌入式應用對網絡效能的需求有很大的差距 隨產品需求不斷改變

提供彈性化以太網絡讓您能針對各種應用的效能與成本需求開發(fā)客制化方案

大多數(shù)的嵌入式產品都需要一個網絡或通信界面。由于具備低成本、普遍性、以及能透過像TCP/IP等通信協(xié)議連上因特網之特性，以太網絡()成為其中最廣為采用的網絡界面。

網絡子系統(tǒng)的需求，端視鎖定的應用種類，而有相當大的差異。簡單的遠程控制和監(jiān)控等應用，每秒只需要傳送數(shù)千位的數(shù)據(jù)；但反觀高階儲存或影音應用，每秒則需要支持高達gigabit的流量。

應用需求

根據(jù)OSI標準，是一個實體層界面。在傳輸與網絡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，也因此成為在網絡上傳輸數(shù)據(jù)的現(xiàn)存業(yè)界標準，尤其是在嵌入式系統(tǒng)方面。

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

賽靈思嵌入式網絡

賽靈思嵌入式提供讓您開發(fā)各種嵌入式網絡系統(tǒng)的所有必要組件。賽靈思嵌入式解決方案的其中一項關鍵優(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或關閉處理器、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(shù)，直到能在軟件層滿足各項應用需求為止。

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

以下介紹3個范例是運用 Platform Studio(XPS)，來設計子系統(tǒng)，以符合典型的應用效能需求。每種設計含有不同的系統(tǒng)架構，包括處理器組態(tài)、以太網絡媒體存取控制組件(MAC) IP組態(tài)、以及內存界面。

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

Ethernet“”子系統(tǒng)

圖1顯示的“”網絡子系統(tǒng)，足以支持遠程監(jiān)控或各種控制應用的簡單網絡界面。在這類應用中，TCP/IP效能需求相當?shù)?少于1 )，因此您可以使用小型的TCP/IP堆棧LwIP(輕量級網絡通訊協(xié)議堆棧)，而不需使用實時操作系統(tǒng)()。

您可以運用Ethernet“”IP中的簡單輪詢模式來進行建置此系統(tǒng)，而不被中斷。您也可以結合完整的軟件，包括一個簡單的應用層，然后全部整合至 中的 。在這種基本網絡子系統(tǒng)中，您可加入其它必要的I/O界面，像是 與GPIO(如圖1所示)。

典型的快速Ethernet (10/100)子系統(tǒng)

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

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

把外部內存加入到系統(tǒng)，將高速緩存加入處理器中。

使用更精密的TCP/IP堆棧，像是操作系統(tǒng)中的uClinux。

您可運用XPS中的 Builder精靈，輕易開發(fā)出MICroBlaze?的設計。

高效能Gigabit Ethernet子系統(tǒng)

針對需要支持100 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 系列組件中的三模以太網絡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)等許多先進的DMA技術，搭配像是數(shù)據(jù)重新配置引擎(DRE)與檢查碼處理分流(CSO)等硬件加速器。

有幾款建置于Xilinx FPGA的高效能? 405處理器，內建16-Kb指令，并以450MHz運作頻率進行數(shù)據(jù)擷取，可支持各種軟件平臺，包括、VxWorks、Integrity、以及QNX，讓您能運用各種高效能網絡界面來開發(fā)各類系統(tǒng)。

圖4比較先前討論的3種網絡子系統(tǒng)TCP/IP負載流量。Y軸的流量數(shù)據(jù)是對數(shù)值，以方便比較差距極大的效能值。

影響TCP效能的因素

許多因素會影響TCP效能，包括硬件與軟件方面。在一個系統(tǒng)中，這些相關因素會影響TCP的流量：

1. 處理器

頻率頻率：TCP/IP通信協(xié)議堆棧通常會先將使用者緩沖區(qū)的負載流量復制到由堆棧控制的緩沖區(qū)，然后再復制到以太網絡媒體存取控制組件的組件。當在軟件中進行作業(yè)時，部份的內存復制作業(yè)會用到處理器周期。處理器亦涉及到運算TCP的檢查碼，包括從內存中讀取整個封包的數(shù)據(jù)。較快的處理器搭配較快的內存，能在更短的時間內執(zhí)行兩項作業(yè)，并跟上數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

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軟式處理器這類可組態(tài)處理器中，您必須啟用相關指令，來執(zhí)行位移緩存器或乘法運算，才能調校出更高的效能。

快取：一旦封包從以太網絡媒體存取控制組件復制到內存后，就會被傳送至TCP/IP通信協(xié)議堆棧的各功能層進行處理。此時TCP/IP堆棧中的封包處理碼則進入執(zhí)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

內存存取時間與延遲對系統(tǒng)效能有極大的影響。典型的TCP/IP通信協(xié)議堆棧應用，無法配合 程序與數(shù)據(jù)都是外部內存的一部份。存取數(shù)據(jù)與指令所耗費的時間，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系。增加指令與數(shù)據(jù)的快取容量，將有助于縮短外部內存的傳輸延遲與存取時間。

3. 以太網絡媒體存取控制組件

建置于FPGA的以太網絡媒體存取控制組件的外圍組件，在運作模式(無DMA與SGDMA相對問題)、封包的深度、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，進而增進效能。

4. TCP/IP通訊協(xié)議堆棧

最佳化與彈性的TCP/IP堆棧建置，是增進系統(tǒng)效能的重要因素。包括像在硬件中支持CSO、無復制作業(yè)的API(數(shù)據(jù)不必從應用程序復制到堆棧緩沖區(qū))、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系統(tǒng)效能。

5. 信息大小

信息(應用數(shù)據(jù))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絡效能的需求有很大的差距，且會隨著產品生命周期的演進而有所改變。要設計出理想的產品來滿足各式各樣且持續(xù)演進的需求，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行客制化。

賽靈思針對與MicroBlaze處理器所開發(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)助您開發(fā)可擴充的網絡子系統(tǒng)，并針對差異懸殊的各類應用需求，自行規(guī)劃適合的效能。