基于NXP ARM 微控制器的以太网吞吐性能
1．简介
以太网是世界上应用最广泛的局域网技术。以太网从1980年代起就开始应用，已有IEEE 802.3标准，规定了一系列传输速率。在嵌入式系统中，应用最普遍的是10Mbit/s和100Mbit/s（就是通常所说的10/100以太网）。
现在NXP（恩智浦半导体）有超过20款内置以太网功能的ARM MCU，覆盖了3代ARM架构（ARM7，ARM9，Cortex-M3）。NXP在3种架构中采用了相同的实现方法，所以在系统更新换代时，设计人员可以节省大量的时间和资源。
1．1 优异的实现方法
NXP的以太网部件（见图1）包含一个全功能10/100 MAC（媒体访问控制器），使用DMA硬件加速以提高性能。MAC完全符合IEEE 802.3标准，并使用MII（媒体独立接口）或RMII（精简MII）协议，通过片上MIIM（媒体独立接口管理）总线，与片外以太网PHY（physical layer 物理层）连接。
图1 LPC24xx以太网部件
NXP以太网的优异性能如下所述：
（1） 全以太网功能
该部件支持以太网的所有操作，符合802.3标准。
（2） 增强型架构
NXP提高了架构的性能，增加了几个额外的功能，包括接收过滤、自动抵触返回（collision back-off）、帧重发、电源管理（通过部件选择）等等。
（3） DMA硬件加速
该部件有两个DMA管理器，分别负责发送和接收。使用分散收集DMA（Scatter-Gather DMA）自动帧重发和接收，进一步卸载CPU（offloads the CPU）。
图2 NXP Cortex-M3 架构
2．NXP LPC1700微控制器的以太网吞吐性能
在以太网中，两个或更多站使用以太网协议通过公用通道发送或接收数据。对每一个网络要素（通道或站），以太网性能有不同的含义。带宽、吞吐量、延迟是衡量整体性能的重要指标。对于通道，用带宽来衡量连接性能，而吞吐量则代表可用数据在通道中发送的速率。对于站，以太网性能意味着设备在以太网通道中全速操作的能力。另一方面，延迟用于衡量几种因素（传送时间、处理时间、故障、重试等等）引起的迟滞时间。
本文档的着重点放在NXP LPC1700操作全速以太网通道的性能（通过以太网接口，由内部EMAC模块和外部PHY芯片提供）。在这种方式下，吞吐量定义为MCU每秒发送到通道或从通道接收的可用数据。这个概念适用于其他支持以太网的NXP LPC微控制器。不幸的是，这些测试通常都需要特定的设备，如网络分析器和/或网络通信发生器，以获得精确的测量结果。不过，使用简单的测试步骤获得估计值是可以做到的。实际上，我们的目的是搞明白影响以太网吞吐性能的不同因素，所以用户可以关注不同的技术，以改进以太网的性能。
这里，我们只考虑发送器的吞吐性能；而接收器会有一点复杂，因为它涉及到发送器发送信息到通道的性能（这种情况下，接收器的吞吐量受到发送器通道发送信息的吞吐量的影响）。我们只要得到发送器的吞吐数据，我们就能把这个数据当作接收器可以达到的最大理想数据（在理想条件下），就能获得与接收器的吞吐数据。
图3 以太网II格式
考虑100Mbit/s 1位的速率，每一帧（frame）包含负载（可用数据，最小46B，最大1500B），以太网的头部（14B），CRC（4B），序文（Preamble，8B），内部包缺口（inter-Packet Gap，12B），以下为每秒最大可能帧和吞吐量；
最小帧：（46B的数据）->1448809帧/秒->6.84MB/s
最大帧：（1500B的数据）->8127帧/秒->12.19MB/s
以上的速率是实际中可能达到的最大可能值。这些值是理想情况下的值，实际中会比这小。
注意：（1）帧/s是通过以太网连接速度（100M bit/s）除以总的帧位大小计算得到的（最小帧：84*8=672，最大帧：1538*8=12304）。
（2）MB/s是通过帧/s乘以每一帧可用数据的字节数得到的（最小帧：46B，最大帧：1500B）。
2．1 测试条件
- MCU：LPC1768，100MHz
- Board：Keil MCB 1700
- PHY chip：National DP83848（RMII 接口）
- 工具链：Keil uVision4 v4.1
- 从RAM运行代码
- TxDescriptorNumber=3
- 以太网模式：全双工-100Mbit/s
2．2 测试描述
为了得到最大吞吐量，将发送由1514B（包含以太网头部）、75B负载（可用数据）组成的50个帧。EMAC控制器（以太网控制器）将自动添加上CRC（4B）。为了测量这个处理过程所花费的时间，一个GPIO（本例为P0.0）在发送帧时置位，发送完毕后立即清零。可以用示波器测量P0.0引脚上产生脉冲的宽度，这样就能得到相应的时间。板子通过以太网电缆连接到PC上。
图4 用WireShark检查数据
PC上运行一个嗅探器程序（本例中为WireShark http://www.wireshark.org/ ）来检查50个帧是否发送、数据是否正确。负载中有一个特殊的部分，一旦发生错误，就可以识别。50个帧到达PC时无错，则测试有效。
2．3 测试
EMAC使用系列符号，提供了相应的指针以指示数据缓冲、控制和状态信息的存储位置。传送时，帧数据在进入数据缓冲器时被应用代替。EMAC使用DMA获得用户数据，并在发出之前装载帧负载。
如上所述，应用程序所使用的以复制数据到数据缓冲器的方法，将会影响吞吐量的测量。有三种情况：
- （1）理想情况下，完全不考虑应用程序。
- （2）典型情况，应用程序使用处理器复制数据到EMAC数据缓冲器。
- （3）优化情况下，应用程序通过DMA复制数据到EMAC数据缓冲器。
2．3．1 情况描述
1．理想情况：在这种情况下，软件用测试部件建立符号数据缓冲器，且只有TxProduceIndex增长５０倍，触发帧的发送。换句话说，根本无需考虑应用，即使不是典型的用户情况，仍然可以在发送时提供最大的可能吞吐。
2．典型情况：这种情况比较典型，在发送帧之前应用程序复制数据到符号数据缓冲器。与之前的结果相比，可以明显看到应用程序影响到整体性能。此种情况，不宜作为实际EMAC的吞吐量。然而，这个例子说明了未优化的应用程序如何降低整体性能，给人的印像就是硬件太慢了。
3．优化情况：使用DMA，复制应用数据到符号数据缓冲器。这种情况下，采用优化的方法，体现出快速LPC1700的优点。
2.4 软件
本文档中，提供了Keil MDK工程形式的测试软件方案。
打开config.h文件，使用配置向导，可以选择想要的模式。除此之外，发送包的数量和帧的大小也可以在此文件中修改。
2.5 测试结果
测试结果做成表格如下所示：
3．结论
尽管情况1不符合实际，但它提供的最大可能值可以作为参考，它非常接近以太网100Mbit/s的最大可能值。情况2，很明显影响到整体性能。最后，情况3，通过优化可以改进整体的吞吐量。
从FLASH运行代码（而不是从arm）也可以进行优化，且能得到更好的结果。
总之，以太网的吞吐量主要受传输数据到符号数据缓冲器的方式的影响。改进此过程，可以大大提高以太网的整体性能。LPC1700以及其他LPC系统的芯片都可以进行优化（基于DMA的支持、EMAC硬件和智能存储总线架构）。
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