基于NXP ARM 微控制器的以太網(wǎng)吞吐性能
1．簡介
以太網(wǎng)是世界上應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)從1980年代起就開始應(yīng)用，已有IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了一系列傳輸速率。在嵌入式系統(tǒng)中，應(yīng)用最普遍的是10Mbit/s和100Mbit/s（就是通常所說的10/100以太網(wǎng)）。
現(xiàn)在NXP（恩智浦半導(dǎo)體）有超過20款內(nèi)置以太網(wǎng)功能的ARM MCU，覆蓋了3代ARM架構(gòu)（ARM7，ARM9，Cortex-M3）。NXP在3種架構(gòu)中采用了相同的實現(xiàn)方法，所以在系統(tǒng)更新?lián)Q代時，設(shè)計人員可以節(jié)省大量的時間和資源。
1．1 優(yōu)異的實現(xiàn)方法
NXP的以太網(wǎng)部件（見圖1）包含一個全功能10/100 MAC（媒體訪問控制器），使用DMA硬件加速以提高性能。MAC完全符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，并使用MII（媒體獨立接口）或RMII（精簡MII）協(xié)議，通過片上MIIM（媒體獨立接口管理）總線，與片外以太網(wǎng)PHY（physical layer 物理層）連接。
圖1 LPC24xx以太網(wǎng)部件
NXP以太網(wǎng)的優(yōu)異性能如下所述：
（1） 全以太網(wǎng)功能
該部件支持以太網(wǎng)的所有操作，符合802.3標(biāo)準(zhǔn)。
（2） 增強型架構(gòu)
NXP提高了架構(gòu)的性能，增加了幾個額外的功能，包括接收過濾、自動抵觸返回（collision back-off）、幀重發(fā)、電源管理（通過部件選擇）等等。
（3） DMA硬件加速
該部件有兩個DMA管理器，分別負責(zé)發(fā)送和接收。使用分散收集DMA（Scatter-Gather DMA）自動幀重發(fā)和接收，進一步卸載CPU（offloads the CPU）。
圖2 NXP Cortex-M3 架構(gòu)
2．NXP LPC1700微控制器的以太網(wǎng)吞吐性能
在以太網(wǎng)中，兩個或更多站使用以太網(wǎng)協(xié)議通過公用通道發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。對每一個網(wǎng)絡(luò)要素（通道或站），以太網(wǎng)性能有不同的含義。帶寬、吞吐量、延遲是衡量整體性能的重要指標(biāo)。對于通道，用帶寬來衡量連接性能，而吞吐量則代表可用數(shù)據(jù)在通道中發(fā)送的速率。對于站，以太網(wǎng)性能意味著設(shè)備在以太網(wǎng)通道中全速操作的能力。另一方面，延遲用于衡量幾種因素（傳送時間、處理時間、故障、重試等等）引起的遲滯時間。
本文檔的著重點放在NXP LPC1700操作全速以太網(wǎng)通道的性能（通過以太網(wǎng)接口，由內(nèi)部EMAC模塊和外部PHY芯片提供）。在這種方式下，吞吐量定義為MCU每秒發(fā)送到通道或從通道接收的可用數(shù)據(jù)。這個概念適用于其他支持以太網(wǎng)的NXP LPC微控制器。不幸的是，這些測試通常都需要特定的設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)分析器和/或網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)生器，以獲得精確的測量結(jié)果。不過，使用簡單的測試步驟獲得估計值是可以做到的。實際上，我們的目的是搞明白影響以太網(wǎng)吞吐性能的不同因素，所以用戶可以關(guān)注不同的技術(shù)，以改進以太網(wǎng)的性能。
這里，我們只考慮發(fā)送器的吞吐性能；而接收器會有一點復(fù)雜，因為它涉及到發(fā)送器發(fā)送信息到通道的性能（這種情況下，接收器的吞吐量受到發(fā)送器通道發(fā)送信息的吞吐量的影響）。我們只要得到發(fā)送器的吞吐數(shù)據(jù)，我們就能把這個數(shù)據(jù)當(dāng)作接收器可以達到的最大理想數(shù)據(jù)（在理想條件下），就能獲得與接收器的吞吐數(shù)據(jù)。
圖3 以太網(wǎng)II格式
考慮100Mbit/s 1位的速率，每一幀（frame）包含負載（可用數(shù)據(jù)，最小46B，最大1500B），以太網(wǎng)的頭部（14B），CRC（4B），序文（Preamble，8B），內(nèi)部包缺口（inter-Packet Gap，12B），以下為每秒最大可能幀和吞吐量；
最小幀：（46B的數(shù)據(jù)）->1448809幀/秒->6.84MB/s
最大幀：（1500B的數(shù)據(jù)）->8127幀/秒->12.19MB/s
以上的速率是實際中可能達到的最大可能值。這些值是理想情況下的值，實際中會比這小。
注意：（1）幀/s是通過以太網(wǎng)連接速度（100M bit/s）除以總的幀位大小計算得到的（最小幀：84*8=672，最大幀：1538*8=12304）。
（2）MB/s是通過幀/s乘以每一幀可用數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)得到的（最小幀：46B，最大幀：1500B）。
2．1 測試條件
- MCU：LPC1768，100MHz
- Board：Keil MCB 1700
- PHY chip：National DP83848（RMII 接口）
- 工具鏈：Keil uVision4 v4.1
- 從RAM運行代碼
- TxDescriptorNumber=3
- 以太網(wǎng)模式：全雙工-100Mbit/s
2．2 測試描述
為了得到最大吞吐量，將發(fā)送由1514B（包含以太網(wǎng)頭部）、75B負載（可用數(shù)據(jù)）組成的50個幀。EMAC控制器（以太網(wǎng)控制器）將自動添加上CRC（4B）。為了測量這個處理過程所花費的時間，一個GPIO（本例為P0.0）在發(fā)送幀時置位，發(fā)送完畢后立即清零。可以用示波器測量P0.0引腳上產(chǎn)生脈沖的寬度，這樣就能得到相應(yīng)的時間。板子通過以太網(wǎng)電纜連接到PC上。
圖4 用WireShark檢查數(shù)據(jù)
PC上運行一個嗅探器程序（本例中為WireShark http://www.wireshark.org/ ）來檢查50個幀是否發(fā)送、數(shù)據(jù)是否正確。負載中有一個特殊的部分，一旦發(fā)生錯誤，就可以識別。50個幀到達PC時無錯，則測試有效。
2．3 測試
EMAC使用系列符號，提供了相應(yīng)的指針以指示數(shù)據(jù)緩沖、控制和狀態(tài)信息的存儲位置。傳送時，幀數(shù)據(jù)在進入數(shù)據(jù)緩沖器時被應(yīng)用代替。EMAC使用DMA獲得用戶數(shù)據(jù)，并在發(fā)出之前裝載幀負載。
如上所述，應(yīng)用程序所使用的以復(fù)制數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖器的方法，將會影響吞吐量的測量。有三種情況：
- （1）理想情況下，完全不考慮應(yīng)用程序。
- （2）典型情況，應(yīng)用程序使用處理器復(fù)制數(shù)據(jù)到EMAC數(shù)據(jù)緩沖器。
- （3）優(yōu)化情況下，應(yīng)用程序通過DMA復(fù)制數(shù)據(jù)到EMAC數(shù)據(jù)緩沖器。
2．3．1 情況描述
1．理想情況：在這種情況下，軟件用測試部件建立符號數(shù)據(jù)緩沖器，且只有TxProduceIndex增長５０倍，觸發(fā)幀的發(fā)送。換句話說，根本無需考慮應(yīng)用，即使不是典型的用戶情況，仍然可以在發(fā)送時提供最大的可能吞吐。
2．典型情況：這種情況比較典型，在發(fā)送幀之前應(yīng)用程序復(fù)制數(shù)據(jù)到符號數(shù)據(jù)緩沖器。與之前的結(jié)果相比，可以明顯看到應(yīng)用程序影響到整體性能。此種情況，不宜作為實際EMAC的吞吐量。然而，這個例子說明了未優(yōu)化的應(yīng)用程序如何降低整體性能，給人的印像就是硬件太慢了。
3．優(yōu)化情況：使用DMA，復(fù)制應(yīng)用數(shù)據(jù)到符號數(shù)據(jù)緩沖器。這種情況下，采用優(yōu)化的方法，體現(xiàn)出快速LPC1700的優(yōu)點。
2.4 軟件
本文檔中，提供了Keil MDK工程形式的測試軟件方案。
打開config.h文件，使用配置向?qū)В梢赃x擇想要的模式。除此之外，發(fā)送包的數(shù)量和幀的大小也可以在此文件中修改。
2.5 測試結(jié)果
測試結(jié)果做成表格如下所示：
3．結(jié)論
盡管情況1不符合實際，但它提供的最大可能值可以作為參考，它非常接近以太網(wǎng)100Mbit/s的最大可能值。情況2，很明顯影響到整體性能。最后，情況3，通過優(yōu)化可以改進整體的吞吐量。
從FLASH運行代碼（而不是從arm）也可以進行優(yōu)化，且能得到更好的結(jié)果。
總之，以太網(wǎng)的吞吐量主要受傳輸數(shù)據(jù)到符號數(shù)據(jù)緩沖器的方式的影響。改進此過程，可以大大提高以太網(wǎng)的整體性能。LPC1700以及其他LPC系統(tǒng)的芯片都可以進行優(yōu)化（基于DMA的支持、EMAC硬件和智能存儲總線架構(gòu)）。
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