讓我們來分別看一下可利用IP內(nèi)核滿足典型應(yīng)用性能要求的三種以太網(wǎng)子系統(tǒng)的例子。每種設(shè)計具有不同的系統(tǒng)架構(gòu):包括處理器配置、以太網(wǎng) MAC IP配置以及存儲器接口。此外，這些例子還突出了可與這些硬件子系統(tǒng)配合使用的不同TCP/IP軟件協(xié)議棧。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(yīng)用的需要對這些系統(tǒng)進行增減。

簡化以太網(wǎng)子系統(tǒng)

對于遠程監(jiān)視或控制應(yīng)用中所需要的簡單網(wǎng)絡(luò)接口來說，如圖3所示的最小化網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)就足夠了。在此類應(yīng)用中，TCP/IP性能要求較低(<1Mbps)，因此LwIP(簡化版互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧)這樣的小TCP/IP協(xié)議棧(不需要RTOS實時操作系統(tǒng))就足夠了。

圖3：規(guī)模最小的以太網(wǎng)系統(tǒng)。

這可以使用不間斷的以太網(wǎng)Lite IP在簡單的查詢模式下實現(xiàn)。全部軟件，包括簡單的應(yīng)用層，可全部存儲在FPGA中的本地存儲器中。如圖3中所示，其它需要的I/O接口，RS-232 UART和GPIO，可以增加到基本子系統(tǒng)中。

圖4：典型的10/100以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)。

通過對圖3中的最小系統(tǒng)做一定的修改，可以實現(xiàn)更高TCP/IP吞吐能力(10-50Mbps)，并轉(zhuǎn)向如圖4所示的更為典型的10/100以太網(wǎng)解決方案。主要的變化有：

1. 為以太網(wǎng)MAC增加直接存儲器訪問(DMA)引擎，實現(xiàn)中斷驅(qū)動；

2. 為系統(tǒng)增加外部存儲器，為處理器增加緩存；

3. 更復(fù)雜的TCP/IP棧，如Linux(Clinux)系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議棧。

對于需要100Mbps以上TCP/IP吞吐能力的應(yīng)用，可以考慮硬IP或軟IP內(nèi)核方式提供的三模式以太網(wǎng)MAC(圖5)。為獲得高端應(yīng)用所需要的500Mbps以上的吞吐能力，需要像分散/匯聚DMA(SGDMA)等高級DMA技術(shù)，以及包括數(shù)據(jù)重排引擎(DRE)和校驗和卸載 (CSO)等FPGA硬件加速器技術(shù)。

為滿足千兆以太網(wǎng)對更高數(shù)據(jù)吞吐率的需求，可能需要更高性能的嵌入式(硬)處理器或FPGA上實現(xiàn)的可定制軟處理器，以及更大的緩沖容量、如16Kbit指令和數(shù)據(jù)緩存。就軟件平臺來說，Linux、VxWorks、Integrity和QNX等軟件平臺中的高級TCP/IP棧支持諸如零拷貝和校驗和旁路等功能。

包括硬件和軟件在內(nèi)的許多因素都會影響到TCP性能，并進而影響系統(tǒng)TCP吞吐能力。這些因素包括：

1. 處理器，包括頻率、功能和緩存

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)議棧控制的緩存，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)包的包頭和載荷進行訪問處理。做為包頭處理的一部分，典型的訪問包括讀取包頭信息的特定位。因此每個數(shù)據(jù)包的處理過程都需要相當(dāng)多的移位操作。此外在處理每個數(shù)據(jù)包時都需要進行乘法操作。在可配置的處理器中，必須開啟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(yīng)用中，TCP/IP應(yīng)用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)的以太網(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支持以及超大幀支持方面。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(yīng)用拷貝到協(xié)議棧緩存)以及可配置棧選項等TCP/IP棧功能的支持可幫助提高系統(tǒng)性能。

5. 信息多少

信息(應(yīng)用數(shù)據(jù))的大小是影響性能的另一個因素。隨著信息減少，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。

大多數(shù)應(yīng)用對于成本、性能和功能都有一組基本的需求。當(dāng)為特定應(yīng)用設(shè)計產(chǎn)品時，設(shè)計人員必須在這些需求之間進行正確的折衷，然而，為了適應(yīng)市場條件，這些要求在產(chǎn)品生命周期內(nèi)可能會發(fā)生變化。采用靈活可配置的平臺能夠在不改變設(shè)計平臺或供應(yīng)商的情況下根據(jù)需要對這些要求進行重新平衡。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持