1. 引言
Xilinx 提供弹性化以太网络解决方案能针对各种应用的效能与成本需求开发客制化方案 。
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
应用中可能在价位、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，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，需求可能会产生变动。因此，必须采用一个高弹性、可扩充的平台来开发产品，能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。
2. 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。
表1 各种应用的网络流量需求
应用范例 流量需求
工业控制/监控 <1Mbps
安全/监视 10~50Mbps
广播质量的视讯串流 50~500Mbps

赛灵思嵌入式网络解决方案
赛灵思嵌入式解决方案提供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。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。
以下介绍的 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，可根据应用要求，逐步扩充或调降这些范例系统的效能。
(1) 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 1Mbps），因此可以使用小型的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）。
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，可加入其它必要的 I/O 界面，像是 RS-232 UART 与 GPIO（如图 1 所示）。
(2) 典型的快速 Ethernet（10/100）子系统
可经变更上述的最小规格系统，以达到更高的TCP/IP处理流量（10～50Mbps），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。
可运用 XPS 中的 Base System Builder 精灵，轻易开发出 MicroBlaze 的设计。
(3) 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，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 500Mbps 以上的流量，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，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。
4. 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：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，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