嵌入式系統(tǒng)中千兆以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李鵬

摘 要： 嵌入式系統(tǒng)中常常需要高速、穩(wěn)定地傳輸大量數(shù)據(jù)，千兆以太網(wǎng)價(jià)格低廉、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)，在高速計(jì)算機(jī)通信中被廣泛使用。給出嵌入式系統(tǒng)中千兆以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)及其軟件實(shí)現(xiàn)，并對(duì)千兆以太網(wǎng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)方案通用、靈活，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苄枨?，為嵌入式系統(tǒng)的高速以太網(wǎng)絡(luò)通信提供了一種很好的解決方案。

關(guān)鍵詞： 千兆以太網(wǎng)； TCP/IP； 88E1111； PowerPC

中圖分類號(hào)： TN711?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）12?0004?04

Abstract： High?speed and stable transmission of mass data is often required for embedded systems. Gigabit Ethernet has the characteristics of low price， fast and long?distance transmission， so it is widely used in high?speed computer communication. The schematic design， hardware design and software driver of Gigabit Ethernet based on PowerPC are offered in this paper. The function design scheme of Gigabit Ethernet is proposed. The schematic design is universal and flexible， can meet the performance requirements of high?speed data transmission in embedded systems， and provide a perfect solution for high?speed Ethernet communication in embedded system.

Keywords： Gigabit Ethernet； TCP/IP； 88E1111； PowerPC

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)中由于應(yīng)用環(huán)境的不同，常常需要將數(shù)據(jù)高速、穩(wěn)定的傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端。以太網(wǎng)具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展成熟，具有很高的性價(jià)比。采用以太網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備，可以通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，不需要進(jìn)行傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換，使用和維護(hù)設(shè)備簡(jiǎn)單[1]。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，十兆百兆位的數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)無法滿足日益膨脹的通信流量，千兆以太網(wǎng)已經(jīng)成為高速計(jì)算機(jī)通信的首選方案。千兆以太網(wǎng)是對(duì)快速以太網(wǎng)（100 Mb/s）標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)擴(kuò)展，它提供了1 000 Mb/s的原始數(shù)據(jù)帶寬，同時(shí)和現(xiàn)有的以太網(wǎng)保持完全兼容，這為千兆以太網(wǎng)無論是在技術(shù)上還是實(shí)際應(yīng)用中都提供了廣泛的發(fā)展前景。

1999年通過的IEEE 802.3ab協(xié)議提出了一種低成本高性能的千兆以太網(wǎng)解決方案1000BASE?T， 該方案采用普通五類非屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)超過百米的傳輸， 使千兆以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。將千兆以太網(wǎng)引入到嵌入式設(shè)備當(dāng)中， 利用以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)， 既可以拓展以太網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域， 又可以促進(jìn)工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展， 具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 千兆以太網(wǎng)及其協(xié)議分析

目前以太網(wǎng)協(xié)議都使用發(fā)展最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的TCP/IP協(xié)議，從協(xié)議分層模型方面來講，TCP/IP體系將網(wǎng)絡(luò)分為網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，每一層分別負(fù)責(zé)不同的通信功能。TCP/IP通信協(xié)議并不完全符合OSI的七層參考模型，其采用四層的層級(jí)結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求。

網(wǎng)絡(luò)接口層包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，物理層是定義物理介質(zhì)的各種特性，包括機(jī)械特性、電子特性等，數(shù)據(jù)鏈路層是負(fù)責(zé)接收IP數(shù)據(jù)包并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，或從網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀，抽出IP數(shù)據(jù)包，交給IP層。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)相鄰計(jì)算機(jī)之間的通信，傳輸層提供應(yīng)用程序間的通信，其協(xié)議主要有傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP。應(yīng)用層向用戶提供一組常用的應(yīng)用程序，比如電子郵件、文件傳輸訪問、遠(yuǎn)程登錄等，應(yīng)用層協(xié)議主要有FTP，TELNET，DNS，SMTP等

本文提出一種基于千兆以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸方案，并從硬件和軟件的角度給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法。

2 設(shè)計(jì)方案

千兆以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)在于千兆以太網(wǎng)的MAC控制器和以太網(wǎng)接口的實(shí)現(xiàn)，目前實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口的方法主要有硬件、FPGA和軟件三種方式。

硬件方式是直接使用專用的網(wǎng)絡(luò)處理芯片，這種芯片已經(jīng)嵌入了完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在通用數(shù)據(jù)格式和基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀格式之間的轉(zhuǎn)換。但網(wǎng)絡(luò)處理芯片的使用往往是一筆額外的開銷，設(shè)計(jì)成本較大。

FPGA方式是采用FPGA作為主控制器， 可以使用一片物理層協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)物理層， 一片MAC 芯片實(shí)現(xiàn)MAC層， 而上層協(xié)議在FPGA 內(nèi)部使用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)。也可以在FPGA 內(nèi)部使用MAC核代替MAC芯片， 從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在FPGA上實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，而且將MAC在FPGA上實(shí)現(xiàn)，有效減少PCB設(shè)計(jì)工作和成本投入，充分利用FPGA的資源，在整體上增加系統(tǒng)的可靠性和集成性，有利于FPGA功能的擴(kuò)展[2]。

軟件方式是采用高檔的嵌入式處理器， 如PowerPC， 這類處理器能夠嵌入多種嵌入式操作系統(tǒng)， 可以通過嵌入式操作系統(tǒng)中的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信， 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了繁瑣的硬件設(shè)計(jì)， 而且操作系統(tǒng)中豐富的編程資源也使得軟件實(shí)現(xiàn)更加靈活。本系統(tǒng)方案采用PowerPC和橋接器為核心實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口層。PowerPC處理器集成了高性能、超標(biāo)量處理器、指令cache、數(shù)據(jù)cache和二級(jí)cache，性能優(yōu)越，處理速度快，功能強(qiáng)大，可以通過外接的橋接器訪問DDR2，F(xiàn)LASH，PMC接口，NVSRAM等資源，在嵌入式系統(tǒng)中可以輕松地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和計(jì)算。橋接器中集成了MAC控制器，實(shí)現(xiàn)了MAC層，物理層部分通過PHY芯片實(shí)現(xiàn)，PHY芯片通過變壓器與RJ45相連。VxWorks操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層協(xié)議，VxWorks中提供了完備的網(wǎng)絡(luò)功能和豐富的編程資源。千兆以太網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 幾種以太網(wǎng)通信接口

MII，GMII，SGMII等都是以太網(wǎng)MAC層和物理層之間的接口模式，其中，介質(zhì)無關(guān)接口（Medium Independent Interface，MII）一般應(yīng)用于以太網(wǎng)硬件平臺(tái)的MAC層和物理層之間，有16根信號(hào)線，其中含4根數(shù)據(jù)發(fā)送線和4根數(shù)據(jù)接收線，以及發(fā)送使能，接收使能等其他控制信號(hào)線。

千兆以太網(wǎng)利用擴(kuò)展的ISO/IEC8802?3 MAC層接口，通過GMII子層連接物理層實(shí)體。千兆介質(zhì)無關(guān)接口（GMII）是基于100BASE?T標(biāo)準(zhǔn)MII的擴(kuò)展，它定義了在千兆以太網(wǎng)MAC和各種物理層之間的電氣標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)械接口。GMII與MII相比，數(shù)據(jù)寬度從4 b提升至8 b，控制信號(hào)作用與MII相同，參考時(shí)鐘從25 MHz變?yōu)?25 MHz，傳輸速率提升至千兆。一般情況下，GMII接口兼容MII接口，作用在MII模式下時(shí)，使用GMII信號(hào)8根數(shù)據(jù)線中的4根。

SGMII是串行的GMII，收發(fā)各一對(duì)差分信號(hào)線，時(shí)鐘頻率為625 MHz，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿均采樣，一般情況下可以不使用，收發(fā)時(shí)鐘都可以從傳輸數(shù)據(jù)中恢復(fù)出來。在發(fā)送的串行數(shù)據(jù)中，每8 b會(huì)插入2 b控制信息，同樣，在接收數(shù)據(jù)中，每8 b也會(huì)插入2 b控制信息，所以，SGMII的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.25 Gb/s。

2.2 物理層芯片選用

本設(shè)計(jì)中物理層的PHY芯片選用Marvell的88E1111千兆網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)備，該芯片具有以下功能：

（1） 能夠支持支持1000BASE?T，100BASE?TX和10BASE?T的應(yīng)用；

（2） 支持GMII，TBI，RGMII，MII和SGMII等幾種訪問接口；

（3） 支持10 Mb/s，100 Mb/s，1 000 Mb/s的以太網(wǎng)傳輸；

（4） 擁有發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)5類非屏蔽雙絞線的功能，能夠探測(cè)和報(bào)告潛在電纜故障，同時(shí)能夠探測(cè)到電纜的脫落、短路和其他阻抗不匹配的情況；

（5） 提供IEEE 802. 3u標(biāo)準(zhǔn)下的自動(dòng)協(xié)商機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口間對(duì)通信速度的自動(dòng)協(xié)商；

（6） 提供標(biāo)準(zhǔn)的TWSI和MDC/MDIO接口，控制和查看網(wǎng)絡(luò)芯片的狀態(tài)。

3 硬件設(shè)計(jì)

物理層芯片88E1111提供了GMII接口， GTXCLK為GMII發(fā)送時(shí)鐘，可以提供125 MHz的時(shí)鐘供TXEN，TXER和TXD[7：0]使用，TXCLK為MII發(fā)送時(shí)鐘，在100BASE?TX模式下可以提供25 MHz的時(shí)鐘供TXEN，TXER和TXD[7：0]使用，10BASE?T模式下提供2.5 MHz的時(shí)鐘，TXD[7：0] 為發(fā)送的數(shù)據(jù)，TXEN為發(fā)送使能信號(hào)，TXER為發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。接收端有RXCLK，是GMII的接收時(shí)鐘信號(hào)，在1000BASE?T模式下可以提供125 MHz的時(shí)鐘供RXDV，RXER和RXD[7：0]使用，100BASE?TX模式下提供25 MHz的時(shí)鐘，10BASE?T模式下提供2.5 MHz的時(shí)鐘，與GTXCLK無關(guān)聯(lián)。RXD[7：0] 為接收到的數(shù)據(jù)，RXDV為接收數(shù)據(jù)有效標(biāo)志，RXER為接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)標(biāo)志，COL用于半雙工模式下的沖突檢測(cè)。發(fā)送端在千兆速率下工作時(shí)，由控制器向PHY提供GTXCLK信號(hào)，頻率為125 MHz。TXD[7：0]，TXEN，TXER信號(hào)與GTXCLK 時(shí)鐘信號(hào)同步；接收端信號(hào)始終與RXCLK 同步。MAC控制器與88E1111的接口圖如圖2所示。

MAC通過MDC/MDIO接口控制88E1111，MDC為MDIO提供參考時(shí)鐘，MDIO實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的傳輸。88E1111通過MDI[3：0]±這些管腳與RJ45連接器相連，同時(shí)為了兩邊的電平等特性相符，在MDI[3：0]±管腳與RJ45連接器之間加了一級(jí)變壓器。

4 VxWorks中的軟件實(shí)現(xiàn)

VxWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、MUX層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)又饕沈?qū)動(dòng)程序和對(duì)MUX層的接口組成，這一層直接負(fù)責(zé)操作硬件，從硬件獲取數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)從硬件發(fā)送出去。目前VxWorks 中網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序分為END和BSD 兩種。END 驅(qū)動(dòng)程序是基于MUX 模式，這也是目前在VxWorks操作系統(tǒng)上使用最廣的一種網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。在這個(gè)模式下，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序被劃分為協(xié)議組件和硬件組件。MUX層是VxWorks為了能夠兼容更多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，專門在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間增加的接口。MUX層的加入有效地隔離了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和協(xié)議層協(xié)議，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。協(xié)議接口層包括與應(yīng)用程序接口的Socket實(shí)現(xiàn)、協(xié)議實(shí)現(xiàn)以及與MUX層通信的接口，這一層中VxWorks主要實(shí)現(xiàn)的是TCP/IP協(xié)議集中的各種協(xié)議，對(duì)應(yīng)于TCP/IP協(xié)議集中的傳輸層和IP層兩個(gè)層次。應(yīng)用程序?qū)影ㄓ脩糇孕芯幹频木W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序和VxWorks提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序，這一層通過Socket接口與協(xié)議接口層相交互。

VxWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在編寫B(tài)SP 時(shí)，通過配置文件“configNet.h”，從而指定該設(shè)備驅(qū)動(dòng)的加載入口。下面是configNet.h 的內(nèi)容：

#define TSI108_LOAD_FUNC tsi108EndLoad

#define TSI108_LOAD_STRING"0：0xc0006000：0xc0006000：1：16"

#define TSI108_LOAD_STRING1"1：0xc0006400：0xc0006000：8：17"

IMPORT END_OBJ * TSI108_LOAD_FUNC （）；

END_TBL_ENTRY endDevTbl [] =

{

{ 0， TSI108_LOAD_FUNC， TSI108_LOAD_STRING， TSI108_BUFF_LOAN， NULL， FALSE}，

{ 1， TSI108_LOAD_FUNC， TSI108_LOAD_STRING1， TSI108_BUFF_LOAN， NULL， FALSE}，

{ 0， END_TBL_END， NULL， 0， NULL， FALSE}，

}

VxWorks操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，使用tUsrRoot 調(diào)用muxDevLoad（）加載用戶網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。muxDevLoad（）函數(shù)會(huì)加載tsi108EndLoad（）函數(shù)來初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。tsi108EndLoad（）函數(shù)中包括對(duì)MAC和PHY的初始化，初始化PHY時(shí)設(shè)置以太網(wǎng)的速度為自協(xié)商，然后MAC的速度通過以太網(wǎng)PHY自協(xié)商的結(jié)果進(jìn)行配置。自協(xié)商是指本端設(shè)備在連接初期自動(dòng)向?qū)Χ嗽O(shè)備發(fā)送信息通知自己的通信容量， 同時(shí)檢測(cè)對(duì)方端口的通信容量，協(xié)商一種雙方可以接收的最大通信容量進(jìn)行通信。自協(xié)商機(jī)制對(duì)于以太網(wǎng)端口的連接有很大的規(guī)范作用。自協(xié)商功能允許一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠?qū)⒆约核С值墓ぷ髂Ｊ叫畔鬟_(dá)給網(wǎng)絡(luò)上的對(duì)端，并接收對(duì)方可能傳遞過來的相應(yīng)信息。自協(xié)商機(jī)制使得千兆以太網(wǎng)在使用中更加的靈活和方便，因?yàn)樵趯?shí)際的使用中，并不知道連接的設(shè)備或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要多大的通信容量。當(dāng)然，可以在使用中禁止以太網(wǎng)PHY的自協(xié)商，將MAC和以太網(wǎng)PHY的速度同時(shí)設(shè)置為1 000 Mb/s。

驅(qū)動(dòng)程序中同時(shí)還提供以下函數(shù)供千兆以太網(wǎng)通信使用：

tsi108EndStart， /*網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開始函數(shù)*/

tsi108EndStop， /*網(wǎng)絡(luò)設(shè)備停止函數(shù)*/

tsi108EndUnload， /*卸載網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)函數(shù)*/

tsi108EndIoctl， /*網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)控制函數(shù)*/

tsi108EndSend， /*網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)發(fā)送函數(shù)*/

tsi108EndPollSend， /*查詢發(fā)送函數(shù)*/

tsi108EndPollRcv， /*查詢接收函數(shù)*/

5 千兆以太網(wǎng)性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證嵌入式系統(tǒng)中千兆以太網(wǎng)的傳輸性能，采用VxWorks自帶的RamDisk作為服務(wù)器，通過FTP從計(jì)算機(jī)傳輸文件進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)幾種不同的PowerPC嵌入式系統(tǒng)的千兆以太網(wǎng)性能進(jìn)行對(duì)比。千兆以太網(wǎng)性能比較如表1所示。

表1 千兆以太網(wǎng)性能比較

由于PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器內(nèi)部集成了橋接器，同時(shí)集成有MAC控制器，因此以PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)沒有采用橋接器的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證測(cè)試中選取大小約為50 MB的文本文件進(jìn)行以太網(wǎng)傳輸測(cè)試，實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，同樣架構(gòu)的千兆以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，以PowerPC 8640為核心的嵌入式系統(tǒng)的傳輸速度最快，上行和下行速度可以達(dá)到40 MB/s，以PowerPC 7447A為核心的嵌入式系統(tǒng)的傳輸速度較慢，上行和下行速度平均為18.5 MB/s。

幾種架構(gòu)的千兆以太網(wǎng)傳輸速度差距較大，其中PowerPC 7447A系統(tǒng)的速度只是PowerPC 8640系統(tǒng)速度的46%，分析其原因主要有兩個(gè)，一是CPU方面的原因，包括主頻，cache等，這方面造成的差異較小；二是網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的原因，PowerPC 8640中集成了MAC控制器，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)好，因此傳輸效率高，PowerPC 7447A由于外接了橋接器，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)較前者優(yōu)化不好，因此傳輸效率相對(duì)較低，后續(xù)將對(duì)該架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，爭(zhēng)取將傳輸效率大大提升。

6 結(jié) 語

本文介紹了一種嵌入式系統(tǒng)中千兆以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，系統(tǒng)以PowerPC處理器為核心，通過軟件實(shí)現(xiàn)了千兆以太網(wǎng)的各種協(xié)議，設(shè)計(jì)方法通用、靈活，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苄枨?，并已成功?yīng)用到各復(fù)雜環(huán)境下嵌入式系統(tǒng)中。實(shí)際應(yīng)用表明， 該設(shè)計(jì)傳輸距離遠(yuǎn)， 通信速率高，為嵌入式設(shè)備的高速以太網(wǎng)絡(luò)通信提供了一種很好的解決方案， 有著廣泛的應(yīng)用前景。

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[8] 苑瑋琦，林峻楠.嵌入式以太網(wǎng)接口的研究與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（11）：59?61.

{

{ 0， TSI108_LOAD_FUNC， TSI108_LOAD_STRING， TSI108_BUFF_LOAN， NULL， FALSE}，

{ 1， TSI108_LOAD_FUNC， TSI108_LOAD_STRING1， TSI108_BUFF_LOAN， NULL， FALSE}，

{ 0， END_TBL_END， NULL， 0， NULL， FALSE}，

}

VxWorks操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，使用tUsrRoot 調(diào)用muxDevLoad（）加載用戶網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。muxDevLoad（）函數(shù)會(huì)加載tsi108EndLoad（）函數(shù)來初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。tsi108EndLoad（）函數(shù)中包括對(duì)MAC和PHY的初始化，初始化PHY時(shí)設(shè)置以太網(wǎng)的速度為自協(xié)商，然后MAC的速度通過以太網(wǎng)PHY自協(xié)商的結(jié)果進(jìn)行配置。自協(xié)商是指本端設(shè)備在連接初期自動(dòng)向?qū)Χ嗽O(shè)備發(fā)送信息通知自己的通信容量， 同時(shí)檢測(cè)對(duì)方端口的通信容量，協(xié)商一種雙方可以接收的最大通信容量進(jìn)行通信。自協(xié)商機(jī)制對(duì)于以太網(wǎng)端口的連接有很大的規(guī)范作用。自協(xié)商功能允許一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠?qū)⒆约核С值墓ぷ髂Ｊ叫畔鬟_(dá)給網(wǎng)絡(luò)上的對(duì)端，并接收對(duì)方可能傳遞過來的相應(yīng)信息。自協(xié)商機(jī)制使得千兆以太網(wǎng)在使用中更加的靈活和方便，因?yàn)樵趯?shí)際的使用中，并不知道連接的設(shè)備或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要多大的通信容量。當(dāng)然，可以在使用中禁止以太網(wǎng)PHY的自協(xié)商，將MAC和以太網(wǎng)PHY的速度同時(shí)設(shè)置為1 000 Mb/s。

驅(qū)動(dòng)程序中同時(shí)還提供以下函數(shù)供千兆以太網(wǎng)通信使用：

tsi108EndStart， /*網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開始函數(shù)*/

tsi108EndStop， /*網(wǎng)絡(luò)設(shè)備停止函數(shù)*/

tsi108EndUnload， /*卸載網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)函數(shù)*/

tsi108EndIoctl， /*網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)控制函數(shù)*/

tsi108EndSend， /*網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)發(fā)送函數(shù)*/

tsi108EndPollSend， /*查詢發(fā)送函數(shù)*/

tsi108EndPollRcv， /*查詢接收函數(shù)*/

5 千兆以太網(wǎng)性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證嵌入式系統(tǒng)中千兆以太網(wǎng)的傳輸性能，采用VxWorks自帶的RamDisk作為服務(wù)器，通過FTP從計(jì)算機(jī)傳輸文件進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)幾種不同的PowerPC嵌入式系統(tǒng)的千兆以太網(wǎng)性能進(jìn)行對(duì)比。千兆以太網(wǎng)性能比較如表1所示。

表1 千兆以太網(wǎng)性能比較

由于PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器內(nèi)部集成了橋接器，同時(shí)集成有MAC控制器，因此以PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)沒有采用橋接器的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證測(cè)試中選取大小約為50 MB的文本文件進(jìn)行以太網(wǎng)傳輸測(cè)試，實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，同樣架構(gòu)的千兆以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，以PowerPC 8640為核心的嵌入式系統(tǒng)的傳輸速度最快，上行和下行速度可以達(dá)到40 MB/s，以PowerPC 7447A為核心的嵌入式系統(tǒng)的傳輸速度較慢，上行和下行速度平均為18.5 MB/s。

幾種架構(gòu)的千兆以太網(wǎng)傳輸速度差距較大，其中PowerPC 7447A系統(tǒng)的速度只是PowerPC 8640系統(tǒng)速度的46%，分析其原因主要有兩個(gè)，一是CPU方面的原因，包括主頻，cache等，這方面造成的差異較?。欢蔷W(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的原因，PowerPC 8640中集成了MAC控制器，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)好，因此傳輸效率高，PowerPC 7447A由于外接了橋接器，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)較前者優(yōu)化不好，因此傳輸效率相對(duì)較低，后續(xù)將對(duì)該架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，爭(zhēng)取將傳輸效率大大提升。

6 結(jié) 語

本文介紹了一種嵌入式系統(tǒng)中千兆以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，系統(tǒng)以PowerPC處理器為核心，通過軟件實(shí)現(xiàn)了千兆以太網(wǎng)的各種協(xié)議，設(shè)計(jì)方法通用、靈活，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苄枨螅⒁殉晒?yīng)用到各復(fù)雜環(huán)境下嵌入式系統(tǒng)中。實(shí)際應(yīng)用表明， 該設(shè)計(jì)傳輸距離遠(yuǎn)， 通信速率高，為嵌入式設(shè)備的高速以太網(wǎng)絡(luò)通信提供了一種很好的解決方案， 有著廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 王廷堯.以太網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2] 韋宏，付友濤.基于FPGA的千兆以太網(wǎng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（18）：56?59.

[3] 張誠(chéng).基于千兆以太網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2011（7）：9?11.

[4] 陳應(yīng)旭，吳盛芬.千兆以太網(wǎng)技術(shù)淺析[J].計(jì)算機(jī)與通信，2001（10）：42?45.

[5] 李倩，邢維波.實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)千兆以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)[J].航空兵器，2009（6）：43?46.

[6] 任泰明.TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)編程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[7] 周啟平，張楊.VxWorks下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及BSP開發(fā)指南[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[8] 苑瑋琦，林峻楠.嵌入式以太網(wǎng)接口的研究與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（11）：59?61.

{

{ 0， TSI108_LOAD_FUNC， TSI108_LOAD_STRING， TSI108_BUFF_LOAN， NULL， FALSE}，

{ 1， TSI108_LOAD_FUNC， TSI108_LOAD_STRING1， TSI108_BUFF_LOAN， NULL， FALSE}，

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VxWorks操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，使用tUsrRoot 調(diào)用muxDevLoad（）加載用戶網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。muxDevLoad（）函數(shù)會(huì)加載tsi108EndLoad（）函數(shù)來初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。tsi108EndLoad（）函數(shù)中包括對(duì)MAC和PHY的初始化，初始化PHY時(shí)設(shè)置以太網(wǎng)的速度為自協(xié)商，然后MAC的速度通過以太網(wǎng)PHY自協(xié)商的結(jié)果進(jìn)行配置。自協(xié)商是指本端設(shè)備在連接初期自動(dòng)向?qū)Χ嗽O(shè)備發(fā)送信息通知自己的通信容量， 同時(shí)檢測(cè)對(duì)方端口的通信容量，協(xié)商一種雙方可以接收的最大通信容量進(jìn)行通信。自協(xié)商機(jī)制對(duì)于以太網(wǎng)端口的連接有很大的規(guī)范作用。自協(xié)商功能允許一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠?qū)⒆约核С值墓ぷ髂Ｊ叫畔鬟_(dá)給網(wǎng)絡(luò)上的對(duì)端，并接收對(duì)方可能傳遞過來的相應(yīng)信息。自協(xié)商機(jī)制使得千兆以太網(wǎng)在使用中更加的靈活和方便，因?yàn)樵趯?shí)際的使用中，并不知道連接的設(shè)備或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要多大的通信容量。當(dāng)然，可以在使用中禁止以太網(wǎng)PHY的自協(xié)商，將MAC和以太網(wǎng)PHY的速度同時(shí)設(shè)置為1 000 Mb/s。

驅(qū)動(dòng)程序中同時(shí)還提供以下函數(shù)供千兆以太網(wǎng)通信使用：

tsi108EndStart， /*網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開始函數(shù)*/

tsi108EndStop， /*網(wǎng)絡(luò)設(shè)備停止函數(shù)*/

tsi108EndUnload， /*卸載網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)函數(shù)*/

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5 千兆以太網(wǎng)性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證嵌入式系統(tǒng)中千兆以太網(wǎng)的傳輸性能，采用VxWorks自帶的RamDisk作為服務(wù)器，通過FTP從計(jì)算機(jī)傳輸文件進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)幾種不同的PowerPC嵌入式系統(tǒng)的千兆以太網(wǎng)性能進(jìn)行對(duì)比。千兆以太網(wǎng)性能比較如表1所示。

表1 千兆以太網(wǎng)性能比較

由于PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器內(nèi)部集成了橋接器，同時(shí)集成有MAC控制器，因此以PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)沒有采用橋接器的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證測(cè)試中選取大小約為50 MB的文本文件進(jìn)行以太網(wǎng)傳輸測(cè)試，實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，同樣架構(gòu)的千兆以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，以PowerPC 8640為核心的嵌入式系統(tǒng)的傳輸速度最快，上行和下行速度可以達(dá)到40 MB/s，以PowerPC 7447A為核心的嵌入式系統(tǒng)的傳輸速度較慢，上行和下行速度平均為18.5 MB/s。

幾種架構(gòu)的千兆以太網(wǎng)傳輸速度差距較大，其中PowerPC 7447A系統(tǒng)的速度只是PowerPC 8640系統(tǒng)速度的46%，分析其原因主要有兩個(gè)，一是CPU方面的原因，包括主頻，cache等，這方面造成的差異較?。欢蔷W(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的原因，PowerPC 8640中集成了MAC控制器，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)好，因此傳輸效率高，PowerPC 7447A由于外接了橋接器，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)較前者優(yōu)化不好，因此傳輸效率相對(duì)較低，后續(xù)將對(duì)該架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，爭(zhēng)取將傳輸效率大大提升。

6 結(jié) 語

本文介紹了一種嵌入式系統(tǒng)中千兆以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，系統(tǒng)以PowerPC處理器為核心，通過軟件實(shí)現(xiàn)了千兆以太網(wǎng)的各種協(xié)議，設(shè)計(jì)方法通用、靈活，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苄枨?，并已成功?yīng)用到各復(fù)雜環(huán)境下嵌入式系統(tǒng)中。實(shí)際應(yīng)用表明， 該設(shè)計(jì)傳輸距離遠(yuǎn)， 通信速率高，為嵌入式設(shè)備的高速以太網(wǎng)絡(luò)通信提供了一種很好的解決方案， 有著廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 王廷堯.以太網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2] 韋宏，付友濤.基于FPGA的千兆以太網(wǎng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（18）：56?59.

[3] 張誠(chéng).基于千兆以太網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2011（7）：9?11.

[4] 陳應(yīng)旭，吳盛芬.千兆以太網(wǎng)技術(shù)淺析[J].計(jì)算機(jī)與通信，2001（10）：42?45.

[5] 李倩，邢維波.實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)千兆以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)[J].航空兵器，2009（6）：43?46.

[6] 任泰明.TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)編程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[7] 周啟平，張楊.VxWorks下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及BSP開發(fā)指南[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[8] 苑瑋琦，林峻楠.嵌入式以太網(wǎng)接口的研究與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（11）：59?61.