基于NXP ARM 微控制器的以太網吞吐性能
1．簡介
以太網是世界上應用最廣泛的局域網技術。以太網從1980年代起就開始應用，已有IEEE 802.3標準，規定了一系列傳輸速率。在嵌入式系統中，應用最普遍的是10Mbit/s和100Mbit/s（就是通常所說的10/100以太網）。
現在NXP（恩智浦半導體）有超過20款內置以太網功能的ARM MCU，覆蓋了3代ARM架構（ARM7，ARM9，Cortex-M3）。NXP在3種架構中采用了相同的實現方法，所以在系統更新換代時，設計人員可以節省大量的時間和資源。
1．1 優異的實現方法
NXP的以太網部件（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標準，并使用MII（媒體獨立接口）或RMII（精簡MII）協議，通過片上MIIM（媒體獨立接口管理）總線，與片外以太網PHY（physical layer 物理層）連接。
圖1 LPC24xx以太網部件
NXP以太網的優異性能如下所述：
（1） 全以太網功能
該部件支持以太網的所有操作，符合802.3標準。
（2） 增強型架構
NXP提高了架構的性能，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、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，分別負責發送和接收。使用分散收集DMA（Scatter-Gather DMA）自動幀重發和接收，進一步卸載CPU（offloads the CPU）。
圖2 NXP Cortex-M3 架構
2．NXP LPC1700微控制器的以太網吞吐性能
在以太網中，兩個或更多站使用以太網協議通過公用通道發送或接收數據。對每一個網絡要素（通道或站），以太網性能有不同的含義。帶寬、吞吐量、延遲是衡量整體性能的重要指標。對于通道，用帶寬來衡量連接性能，而吞吐量則代表可用數據在通道中發送的速率。對于站，以太網性能意味著設備在以太網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操作全速以太網通道的性能（通過以太網接口，由內部EMAC模塊和外部PHY芯片提供）。在這種方式下，吞吐量定義為MCU每秒發送到通道或從通道接收的可用數據。這個概念適用于其他支持以太網的NXP LPC微控制器。不幸的是，這些測試通常都需要特定的設備，如網絡分析器和/或網絡通信發生器，以獲得精確的測量結果。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吞吐性能的不同因素，所以用戶可以關注不同的技術，以改進以太網的性能。
這里，我們只考慮發送器的吞吐性能；而接收器會有一點復雜，因為它涉及到發送器發送信息到通道的性能（這種情況下，接收器的吞吐量受到發送器通道發送信息的吞吐量的影響）。我們只要得到發送器的吞吐數據，我們就能把這個數據當作接收器可以達到的最大理想數據（在理想條件下），就能獲得與接收器的吞吐數據。
圖3 以太網II格式
考慮100Mbit/s 1位的速率，每一幀（frame）包含負載（可用數據，最小46B，最大1500B），以太網的頭部（14B），CRC（4B），序文（Preamble，8B），內部包缺口（inter-Packet Gap，12B），以下為每秒最大可能幀和吞吐量；
最小幀：（46B的數據）->1448809幀/秒->6.84MB/s
最大幀：（1500B的數據）->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乘以每一幀可用數據的字節數得到的（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
- 以太網模式：全雙工-100Mbit/s
2．2 測試描述
為了得到最大吞吐量，將發送由1514B（包含以太網頭部）、75B負載（可用數據）組成的50個幀。EMAC控制器（以太網控制器）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）在發送幀時置位，發送完畢后立即清零。可以用示波器測量P0.0引腳上產生脈沖的寬度，這樣就能得到相應的時間。板子通過以太網電纜連接到PC上。
圖4 用WireShark檢查數據
PC上運行一個嗅探器程序（本例中為WireShark http://www.wireshark.org/ ）來檢查50個幀是否發送、數據是否正確。負載中有一個特殊的部分，一旦發生錯誤，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，提供了相應的指針以指示數據緩沖、控制和狀態信息的存儲位置。傳送時，幀數據在進入數據緩沖器時被應用代替。EMAC使用DMA獲得用戶數據，并在發出之前裝載幀負載。
如上所述，應用程序所使用的以復制數據到數據緩沖器的方法，將會影響吞吐量的測量。有三種情況：
- （1）理想情況下，完全不考慮應用程序。
- （2）典型情況，應用程序使用處理器復制數據到EMAC數據緩沖器。
- （3）優化情況下，應用程序通過DMA復制數據到EMAC數據緩沖器。
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據緩沖器，且只有TxProduceIndex增長５０倍，觸發幀的發送。換句話說，根本無需考慮應用，即使不是典型的用戶情況，仍然可以在發送時提供最大的可能吞吐。
2．典型情況：這種情況比較典型，在發送幀之前應用程序復制數據到符號數據緩沖器。與之前的結果相比，可以明顯看到應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化的應用程序如何降低整體性能，給人的印像就是硬件太慢了。
3．優化情況：使用DMA，復制應用數據到符號數據緩沖器。這種情況下，采用優化的方法，體現出快速LPC1700的優點。
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，使用配置向導，可以選擇想要的模式。除此之外，發送包的數量和幀的大小也可以在此文件中修改。
2.5 測試結果
測試結果做成表格如下所示：
3．結論
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）也可以進行優化，且能得到更好的結果。
總之，以太網的吞吐量主要受傳輸數據到符號數據緩沖器的方式的影響。改進此過程，可以大大提高以太網的整體性能。LPC1700以及其他LPC系統的芯片都可以進行優化（基于DMA的支持、EMAC硬件和智能存儲總線架構）。
全文PDF文檔下載：
