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Xilinx提供弹性化以太网络解决方案
让您能针对各种应用的效能与成本需求开发客制化方案
赛灵思公司产品营销经理/Navanee Sundaramoorthy
赛灵思公司软件工程师/Sathya Thammanur
大多数的嵌入式产品都需要一个网络或通信界面。由于具备低成本、普遍性、以及能透过像TCP/IP等通信协议连上因特网之特性，以太网络(Ethernet)成为其中最广为采用的网络界面。
网络子系统的需求，端视锁定的应用种类，而有相当大的差异。简单的远程控制和监控等应用，每秒只需要传送数千位的数据；但反观高阶储存或影音应用，每秒则需要支持高达gigabit的流量。
嵌入式解决方案的一项重要考虑因素就是处理器、IP核心、以及软件组件的
高弹性与扩充能力
您的应用可能在价位、效能、以及功能方面均面临一系列的基本要求。在设计一款产品时，您必须在这些基本要求之间找出一个最好的平衡点。此外，在产品或设计周期中，为了因应市场的变化，您的需求可能会产生变动。因此，您必须采用一个高弹性、可扩充的平台来开发您的产品，能让您针对各项设计随时进行调整，而不必更换平台或合作厂商。
本文将介绍各项应用需求与网络效能的关系，探讨各项设计考虑因素，以及几个能满足需求的设计案例。
应用需求
根据OSI标准，Ethernet是一个实体层界面。在传输与网络层中使用的各种通讯协议标准之间，TCP/IP通信协议套件是最常使用的标准，也因此成为在网络上传输数据的现存业界标准，尤其是在嵌入式系统方面。
为简化之故，我们在本文以后的章节中，使用TCP负载流量作为评估性能的主要标准。表1列出几个范例应用与其TCP/IP负载流量的要求。
赛灵思嵌入式网络解决方案
赛灵思嵌入式解决方案提供让您开发各种嵌入式网络系统的所有必要组件。赛灵思嵌入式解决方案的其中一项关键优势，就是处理器、IP核心、以及软件组件的高弹性与扩充能力。您有充裕的弹性启动或关闭处理器、IP核心、以及软件平台中较高阶的功能，并微调许多独立参数，直到能在软件层满足各项应用需求为止。
此外，攸关效能高低的软件功能，可运用效能测试工具来找出，并运用适合的硬件加速器来分担处理作业负载。
以下介绍3个范例是运用Xilinx Platform Studio(XPS)，来设计Ethernet子系统，以符合典型的应用效能需求。每种设计含有不同的系统架构，包括处理器组态、以太网络媒体存取控制组件(MAC) IP组态、以及内存界面。
范例中还介绍这些硬件子系统可使搭配的各种TCP/IP软件堆栈。由于硬件建置区块与软件层都入建客制化能力，您可根据应用要求，逐步扩充或调降这些范例系统的效能。
Ethernet“Lite”子系统
图1显示的“Lite”网络子系统，足以支持远程监控或各种控制应用的简单网络界面。在这类应用中，TCP/IP效能需求相当低(少于1 Mbps)，因此您可以使用小型的TCP/IP堆栈LwIP(轻量级网络通讯协议堆栈)，而不需使用实时操作系统(RTOS)。
您可以运用Ethernet“Lite”IP中的简单轮询模式来进行建置此系统，而不被中断。您也可以结合完整的软件，包括一个简单的应用层，然后全部整合至Xilinx FPGA中的local memory。在这种基本网络子系统中，您可加入其它必要的I/O界面，像是RS-232 UART与GPIO(如图1所示)。
典型的快速Ethernet (10/100)子系统
您可经由变更上述的最小规格系统，以达到更高的TCP/IP处理流量(10～50 Mbps)，以及转移至更常见的10/100 Ethernet解决方案，如图2所示。关键的变更包括：
把直接内存存取(DMA)引擎加入至Ethernet MAC，成为由中断驱动(interrupt-driven)的组件。
把外部内存加入到系统，将高速缓存加入处理器中。
使用更精密的TCP/IP堆栈，像是Linux操作系统中的?Clinux。
您可运用XPS中的Base System Builder精灵，轻易开发出MicroBlaze?的设计。
高效能Gigabit Ethernet子系统
针对需要支持100 Mbps以上TCP/IP流量的应用，您可以有效运用已预先内建于几款特定的Xilinx FPGA系列组件中的三模以太网络媒体存取控制组件硬式IP(如图3所示)。针对高阶应用所需的500 Mbps以上的流量，您必须运用像是分散/收集DMA(SGDMA)等许多先进的DMA技术，搭配像是数据重新配置引擎(DRE)与检查码处理分流(CSO)等FPGA硬件加速器。
有几款建置于Xilinx FPGA的高效能PowerPC? 405处理器，内建16-Kb指令，并以450MHz运作频率进行数据撷取，可支持各种软件平台，包括Linux、VxWorks、Integrity、以及QNX，让您能运用各种高效能网络界面来开发各类系统。
图4比较先前讨论的3种网络子系统TCP/IP负载流量。Y轴的流量数据是对数值，以方便比较差距极大的效能值。
影响TCP效能的因素
许多因素会影响TCP效能，包括硬件与软件方面。在一个系统中，这些相关因素会影响TCP的流量：
1. 处理器
频率频率：TCP/IP通信协议堆栈通常会先将使用者缓冲区的负载流量复制到由堆栈控制的缓冲区，然后再复制到以太网络媒体存取控制组件的FIFO组件。当在软件中进行作业时，部份的内存复制作业会用到处理器周期。处理器亦涉及到运算TCP的检查码，包括从内存中读取整个封包的数据。较快的处理器搭配较快的内存，能在更短的时间内执行两项作业，并跟上数据传输的速度。
特色：TCP/IP通信协议堆栈涉及到存取封包的表头与负载流量。表头处理作业中，典型的存取作业包括读取表头中特定的信息位，造成位移；且每个封包都须逐一处理加法、乘法的运算。在像MicroBlaze软式处理器这类可组态处理器中，您必须启用相关指令，来执行位移缓存器或乘法运算，才能调校出更高的效能。
快取：一旦封包从以太网络媒体存取控制组件复制到内存后，就会被传送至TCP/IP通信协议堆栈的各功能层进行处理。此时TCP/IP堆栈中的封包处理码则进入执行阶段。把程序代码与封包放在高速缓存的作法，能大幅提升处理器的效率，并增加Ethernet的频宽。
2. 内存
内存存取时间与延迟对系统效能有极大的影响。典型的TCP/IP通信协议堆栈应用，无法配合local memory程序与数据都是外部内存的一部份。存取数据与指令所耗费的时间，对效能有极大的影响。内存因素通常和快取容量有直接的关系。增加指令与数据的快取容量，将有助于缩短外部内存的传输延迟与存取时间。
3. 以太网络媒体存取控制组件
建置于FPGA的以太网络媒体存取控制组件的外围组件，在运作模式(无DMA与SGDMA相对问题)、封包FIFO的深度、DRE与CSO的支持能力、以及巨型讯框支持能力方面，都相当提供相当大的弹性。然而，上述每种选项被MAC组件所耗用的空间，将得以卸载处理器各项功能，进而增进效能。
4. TCP/IP通讯协议堆栈
最佳化与弹性的TCP/IP堆栈建置，是增进系统效能的重要因素。包括像在硬件中支持CSO、无复制作业的API(数据不必从应用程序复制到堆栈缓冲区)、以及配合应用软件需求的可组态堆栈选项等TCP/IP堆栈功能都有助于改进系统效能。
5. 信息大小
信息(应用数据)的大小是另一项影响效能的因素。信息愈小，TCP/IP通讯协议表头(像是TCP、IP、以及Ethernet表头)的耗用资源比例就愈高，能取得的资料流量也随之降低。
结论
各种嵌入式应用对网络效能的需求有很大的差距，且会随着产品生命周期的演进而有所改变。要设计出理想的产品来满足各式各样且持续演进的需求，您需要一种高弹性且可扩充的解决方案，针对您的应用需求进行客制化。
赛灵思针对PowerPC与MicroBlaze处理器所开发的嵌入式解决方案，搭配阵容完备的工具与可客制化IP，协助您开发可扩充的网络子系统，并针对差异悬殊的各类应用需求，自行规划适合的效能。
让您能针对各种应用的效能与成本需求开发客制化方案
赛灵思公司产品营销经理/Navanee Sundaramoorthy
赛灵思公司软件工程师/Sathya Thammanur
大多数的嵌入式产品都需要一个网络或通信界面。由于具备低成本、普遍性、以及能透过像TCP/IP等通信协议连上因特网之特性，以太网络(Ethernet)成为其中最广为采用的网络界面。
网络子系统的需求，端视锁定的应用种类，而有相当大的差异。简单的远程控制和监控等应用，每秒只需要传送数千位的数据；但反观高阶储存或影音应用，每秒则需要支持高达gigabit的流量。
嵌入式解决方案的一项重要考虑因素就是处理器、IP核心、以及软件组件的
高弹性与扩充能力
您的应用可能在价位、效能、以及功能方面均面临一系列的基本要求。在设计一款产品时，您必须在这些基本要求之间找出一个最好的平衡点。此外，在产品或设计周期中，为了因应市场的变化，您的需求可能会产生变动。因此，您必须采用一个高弹性、可扩充的平台来开发您的产品，能让您针对各项设计随时进行调整，而不必更换平台或合作厂商。
本文将介绍各项应用需求与网络效能的关系，探讨各项设计考虑因素，以及几个能满足需求的设计案例。
应用需求
根据OSI标准，Ethernet是一个实体层界面。在传输与网络层中使用的各种通讯协议标准之间，TCP/IP通信协议套件是最常使用的标准，也因此成为在网络上传输数据的现存业界标准，尤其是在嵌入式系统方面。
为简化之故，我们在本文以后的章节中，使用TCP负载流量作为评估性能的主要标准。表1列出几个范例应用与其TCP/IP负载流量的要求。
赛灵思嵌入式网络解决方案
赛灵思嵌入式解决方案提供让您开发各种嵌入式网络系统的所有必要组件。赛灵思嵌入式解决方案的其中一项关键优势，就是处理器、IP核心、以及软件组件的高弹性与扩充能力。您有充裕的弹性启动或关闭处理器、IP核心、以及软件平台中较高阶的功能，并微调许多独立参数，直到能在软件层满足各项应用需求为止。
此外，攸关效能高低的软件功能，可运用效能测试工具来找出，并运用适合的硬件加速器来分担处理作业负载。
以下介绍3个范例是运用Xilinx Platform Studio(XPS)，来设计Ethernet子系统，以符合典型的应用效能需求。每种设计含有不同的系统架构，包括处理器组态、以太网络媒体存取控制组件(MAC) IP组态、以及内存界面。
范例中还介绍这些硬件子系统可使搭配的各种TCP/IP软件堆栈。由于硬件建置区块与软件层都入建客制化能力，您可根据应用要求，逐步扩充或调降这些范例系统的效能。
Ethernet“Lite”子系统
图1显示的“Lite”网络子系统，足以支持远程监控或各种控制应用的简单网络界面。在这类应用中，TCP/IP效能需求相当低(少于1 Mbps)，因此您可以使用小型的TCP/IP堆栈LwIP(轻量级网络通讯协议堆栈)，而不需使用实时操作系统(RTOS)。
您可以运用Ethernet“Lite”IP中的简单轮询模式来进行建置此系统，而不被中断。您也可以结合完整的软件，包括一个简单的应用层，然后全部整合至Xilinx FPGA中的local memory。在这种基本网络子系统中，您可加入其它必要的I/O界面，像是RS-232 UART与GPIO(如图1所示)。
典型的快速Ethernet (10/100)子系统
您可经由变更上述的最小规格系统，以达到更高的TCP/IP处理流量(10～50 Mbps)，以及转移至更常见的10/100 Ethernet解决方案，如图2所示。关键的变更包括：
把直接内存存取(DMA)引擎加入至Ethernet MAC，成为由中断驱动(interrupt-driven)的组件。
把外部内存加入到系统，将高速缓存加入处理器中。
使用更精密的TCP/IP堆栈，像是Linux操作系统中的?Clinux。
您可运用XPS中的Base System Builder精灵，轻易开发出MicroBlaze?的设计。
高效能Gigabit Ethernet子系统
针对需要支持100 Mbps以上TCP/IP流量的应用，您可以有效运用已预先内建于几款特定的Xilinx FPGA系列组件中的三模以太网络媒体存取控制组件硬式IP(如图3所示)。针对高阶应用所需的500 Mbps以上的流量，您必须运用像是分散/收集DMA(SGDMA)等许多先进的DMA技术，搭配像是数据重新配置引擎(DRE)与检查码处理分流(CSO)等FPGA硬件加速器。
有几款建置于Xilinx FPGA的高效能PowerPC? 405处理器，内建16-Kb指令，并以450MHz运作频率进行数据撷取，可支持各种软件平台，包括Linux、VxWorks、Integrity、以及QNX，让您能运用各种高效能网络界面来开发各类系统。
图4比较先前讨论的3种网络子系统TCP/IP负载流量。Y轴的流量数据是对数值，以方便比较差距极大的效能值。
影响TCP效能的因素
许多因素会影响TCP效能，包括硬件与软件方面。在一个系统中，这些相关因素会影响TCP的流量：
1. 处理器
频率频率：TCP/IP通信协议堆栈通常会先将使用者缓冲区的负载流量复制到由堆栈控制的缓冲区，然后再复制到以太网络媒体存取控制组件的FIFO组件。当在软件中进行作业时，部份的内存复制作业会用到处理器周期。处理器亦涉及到运算TCP的检查码，包括从内存中读取整个封包的数据。较快的处理器搭配较快的内存，能在更短的时间内执行两项作业，并跟上数据传输的速度。
特色：TCP/IP通信协议堆栈涉及到存取封包的表头与负载流量。表头处理作业中，典型的存取作业包括读取表头中特定的信息位，造成位移；且每个封包都须逐一处理加法、乘法的运算。在像MicroBlaze软式处理器这类可组态处理器中，您必须启用相关指令，来执行位移缓存器或乘法运算，才能调校出更高的效能。
快取：一旦封包从以太网络媒体存取控制组件复制到内存后，就会被传送至TCP/IP通信协议堆栈的各功能层进行处理。此时TCP/IP堆栈中的封包处理码则进入执行阶段。把程序代码与封包放在高速缓存的作法，能大幅提升处理器的效率，并增加Ethernet的频宽。
2. 内存
内存存取时间与延迟对系统效能有极大的影响。典型的TCP/IP通信协议堆栈应用，无法配合local memory程序与数据都是外部内存的一部份。存取数据与指令所耗费的时间，对效能有极大的影响。内存因素通常和快取容量有直接的关系。增加指令与数据的快取容量，将有助于缩短外部内存的传输延迟与存取时间。
3. 以太网络媒体存取控制组件
建置于FPGA的以太网络媒体存取控制组件的外围组件，在运作模式(无DMA与SGDMA相对问题)、封包FIFO的深度、DRE与CSO的支持能力、以及巨型讯框支持能力方面，都相当提供相当大的弹性。然而，上述每种选项被MAC组件所耗用的空间，将得以卸载处理器各项功能，进而增进效能。
4. TCP/IP通讯协议堆栈
最佳化与弹性的TCP/IP堆栈建置，是增进系统效能的重要因素。包括像在硬件中支持CSO、无复制作业的API(数据不必从应用程序复制到堆栈缓冲区)、以及配合应用软件需求的可组态堆栈选项等TCP/IP堆栈功能都有助于改进系统效能。
5. 信息大小
信息(应用数据)的大小是另一项影响效能的因素。信息愈小，TCP/IP通讯协议表头(像是TCP、IP、以及Ethernet表头)的耗用资源比例就愈高，能取得的资料流量也随之降低。
结论
各种嵌入式应用对网络效能的需求有很大的差距，且会随着产品生命周期的演进而有所改变。要设计出理想的产品来满足各式各样且持续演进的需求，您需要一种高弹性且可扩充的解决方案，针对您的应用需求进行客制化。
赛灵思针对PowerPC与MicroBlaze处理器所开发的嵌入式解决方案，搭配阵容完备的工具与可客制化IP，协助您开发可扩充的网络子系统，并针对差异悬殊的各类应用需求，自行规划适合的效能。