嵌入式系統中千兆以太網的設計與實現

李鵬

摘 要： 嵌入式系統中常常需要高速、穩定地傳輸大量數據，千兆以太網價格低廉、傳輸速度快、傳輸距離遠，在高速計算機通信中被廣泛使用。給出嵌入式系統中千兆以太網的設計方案、硬件設計及其軟件實現，并對千兆以太網的性能進行驗證。設計方案通用、靈活，能夠滿足嵌入式系統中高速數據傳輸的性能需求，為嵌入式系統的高速以太網絡通信提供了一種很好的解決方案。

關鍵詞： 千兆以太網； TCP/IP； 88E1111； PowerPC

中圖分類號： TN711?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 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

嵌入式系統中由于應用環境的不同，常常需要將數據高速、穩定的傳輸到計算機終端。以太網具有價格低廉、穩定可靠、傳輸速度快、傳輸距離遠等特點，以太網技術發展成熟，具有很高的性價比。采用以太網技術的設備，可以通過TCP/IP協議進行數據的傳輸，不需要進行傳輸協議轉換，使用和維護設備簡單[1]。隨著以太網技術的不斷發展，十兆百兆位的數據傳輸已經無法滿足日益膨脹的通信流量，千兆以太網已經成為高速計算機通信的首選方案。千兆以太網是對快速以太網（100 Mb/s）標準的一個擴展，它提供了1 000 Mb/s的原始數據帶寬，同時和現有的以太網保持完全兼容，這為千兆以太網無論是在技術上還是實際應用中都提供了廣泛的發展前景。

1999年通過的IEEE 802.3ab協議提出了一種低成本高性能的千兆以太網解決方案1000BASE?T， 該方案采用普通五類非屏蔽雙絞線實現超過百米的傳輸， 使千兆以太網技術在工業領域被廣泛應用。將千兆以太網引入到嵌入式設備當中， 利用以太網絡傳輸的優勢， 既可以拓展以太網的應用領域， 又可以促進工業控制系統的發展， 具有很高的實用價值。

1 千兆以太網及其協議分析

目前以太網協議都使用發展最為成熟、應用最為廣泛的TCP/IP協議，從協議分層模型方面來講，TCP/IP體系將網絡分為網絡接口層、網絡層、傳輸層和應用層，每一層分別負責不同的通信功能。TCP/IP通信協議并不完全符合OSI的七層參考模型，其采用四層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求。

網絡接口層包括物理層和數據鏈路層，物理層是定義物理介質的各種特性，包括機械特性、電子特性等，數據鏈路層是負責接收IP數據包并通過網絡發送，或從網絡上接收物理幀，抽出IP數據包，交給IP層。網絡層負責相鄰計算機之間的通信，傳輸層提供應用程序間的通信，其協議主要有傳輸控制協議TCP和用戶數據報協議UDP。應用層向用戶提供一組常用的應用程序，比如電子郵件、文件傳輸訪問、遠程登錄等，應用層協議主要有FTP，TELNET，DNS，SMTP等

本文提出一種基于千兆以太網的嵌入式系統高速數據傳輸方案，并從硬件和軟件的角度給出了具體的實現方法。

2 設計方案

千兆以太網的關鍵技術在于千兆以太網的MAC控制器和以太網接口的實現，目前實現千兆以太網網絡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絡處理芯片，這種芯片已經嵌入了完整的TCP/IP網絡協議， 能夠實現數據在通用數據格式和基于TCP/IP網絡協議的網絡數據幀格式之間的轉換。但網絡處理芯片的使用往往是一筆額外的開銷，設計成本較大。

FPGA方式是采用FPGA作為主控制器， 可以使用一片物理層協議芯片實現物理層， 一片MAC 芯片實現MAC層， 而上層協議在FPGA 內部使用硬件描述語言實現。也可以在FPGA 內部使用MAC核代替MAC芯片， 從而簡化系統設計。在FPGA上實現千兆以太網設計，不僅能夠實現系統間的高速數據傳輸，而且將MAC在FPGA上實現，有效減少PCB設計工作和成本投入，充分利用FPGA的資源，在整體上增加系統的可靠性和集成性，有利于FPGA功能的擴展[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， 可以通過嵌入式操作系統中的以太網網絡協議來實現網絡通信， 這種方法的優點是簡化了繁瑣的硬件設計， 而且操作系統中豐富的編程資源也使得軟件實現更加靈活。本系統方案采用PowerPC和橋接器為核心實現千兆以太網的網絡接口層。PowerPC處理器集成了高性能、超標量處理器、指令cache、數據cache和二級cache，性能優越，處理速度快，功能強大，可以通過外接的橋接器訪問DDR2，FLASH，PMC接口，NVSRAM等資源，在嵌入式系統中可以輕松地實現數據的采集、處理和計算。橋接器中集成了MAC控制器，實現了MAC層，物理層部分通過PHY芯片實現，PHY芯片通過變壓器與RJ45相連。VxWorks操作系統實現網絡層、傳輸層和應用層協議，VxWorks中提供了完備的網絡功能和豐富的編程資源。千兆以太網的系統結構如圖1所示。

2.1 幾種以太網通信接口

MII，GMII，SGMII等都是以太網MAC層和物理層之間的接口模式，其中，介質無關接口（Medium Independent Interface，MII）一般應用于以太網硬件平臺的MAC層和物理層之間，有16根信號線，其中含4根數據發送線和4根數據接收線，以及發送使能，接收使能等其他控制信號線。

千兆以太網利用擴展的ISO/IEC8802?3 MAC層接口，通過GMII子層連接物理層實體。千兆介質無關接口（GMII）是基于100BASE?T標準MII的擴展，它定義了在千兆以太網MAC和各種物理層之間的電氣標準和機械接口。GMII與MII相比，數據寬度從4 b提升至8 b，控制信號作用與MII相同，參考時鐘從25 MHz變為125 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，使用GMII信號8根數據線中的4根。

SGMII是串行的GMII，收發各一對差分信號線，時鐘頻率為625 MHz，在時鐘信號的上升沿和下降沿均采樣，一般情況下可以不使用，收發時鐘都可以從傳輸數據中恢復出來。在發送的串行數據中，每8 b會插入2 b控制信息，同樣，在接收數據中，每8 b也會插入2 b控制信息，所以，SGMII的數據傳輸速率為1.25 Gb/s。

2.2 物理層芯片選用

本設計中物理層的PHY芯片選用Marvell的88E1111千兆網絡物理層設備，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的以太網傳輸；

（4） 擁有發送和接收標準5類非屏蔽雙絞線的功能，能夠探測和報告潛在電纜故障，同時能夠探測到電纜的脫落、短路和其他阻抗不匹配的情況；

（5） 提供IEEE 802. 3u標準下的自動協商機制，能夠實現兩個網絡接口間對通信速度的自動協商；

（6） 提供標準的TWSI和MDC/MDIO接口，控制和查看網絡芯片的狀態。

3 硬件設計

物理層芯片88E1111提供了GMII接口， GTXCLK為GMII發送時鐘，可以提供125 MHz的時鐘供TXEN，TXER和TXD[7：0]使用，TXCLK為MII發送時鐘，在100BASE?TX模式下可以提供25 MHz的時鐘供TXEN，TXER和TXD[7：0]使用，10BASE?T模式下提供2.5 MHz的時鐘，TXD[7：0] 為發送的數據，TXEN為發送使能信號，TXER為發送錯誤標志。接收端有RXCLK，是GMII的接收時鐘信號，在1000BASE?T模式下可以提供125 MHz的時鐘供RXDV，RXER和RXD[7：0]使用，100BASE?TX模式下提供25 MHz的時鐘，10BASE?T模式下提供2.5 MHz的時鐘，與GTXCLK無關聯。RXD[7：0] 為接收到的數據，RXDV為接收數據有效標志，RXER為接收數據出錯標志，COL用于半雙工模式下的沖突檢測。發送端在千兆速率下工作時，由控制器向PHY提供GTXCLK信號，頻率為125 MHz。TXD[7：0]，TXEN，TXER信號與GTXCLK 時鐘信號同步；接收端信號始終與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提供參考時鐘，MDIO實現控制數據的傳輸。88E1111通過MDI[3：0]±這些管腳與RJ45連接器相連，同時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變壓器。

4 VxWorks中的軟件實現

VxWorks網絡系統結構包括網絡設備驅動層、MUX層、網絡協議層和應用層，網絡驅動程序層主要由驅動程序和對MUX層的接口組成，這一層直接負責操作硬件，從硬件獲取數據或者將數據從硬件發送出去。目前VxWorks 中網絡驅動程序分為END和BSD 兩種。END 驅動程序是基于MUX 模式，這也是目前在VxWorks操作系統上使用最廣的一種網絡驅動程序。在這個模式下，網絡驅動程序被劃分為協議組件和硬件組件。MUX層是VxWorks為了能夠兼容更多的網絡設備和網絡協議，專門在網絡設備驅動層和網絡協議層之間增加的接口。MUX層的加入有效地隔離了網絡設備驅動程序和協議層協議，降低了系統復雜度。協議接口層包括與應用程序接口的Socket實現、協議實現以及與MUX層通信的接口，這一層中VxWorks主要實現的是TCP/IP協議集中的各種協議，對應于TCP/IP協議集中的傳輸層和IP層兩個層次。應用程序層包括用戶自行編制的網絡應用程序和VxWorks提供的網絡服務程序，這一層通過Socket接口與協議接口層相交互。

VxWorks網絡系統結構如圖3所示。

在編寫BSP 時，通過配置文件“configNet.h”，從而指定該設備驅動的加載入口。下面是configNet.h 的內容：

#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操作系統啟動時，使用tUsrRoot 調用muxDevLoad（）加載用戶網絡驅動程序。muxDevLoad（）函數會加載tsi108EndLoad（）函數來初始化網絡設備。tsi108EndLoad（）函數中包括對MAC和PHY的初始化，初始化PHY時設置以太網的速度為自協商，然后MAC的速度通過以太網PHY自協商的結果進行配置。自協商是指本端設備在連接初期自動向對端設備發送信息通知自己的通信容量， 同時檢測對方端口的通信容量，協商一種雙方可以接收的最大通信容量進行通信。自協商機制對于以太網端口的連接有很大的規范作用。自協商功能允許一個網絡設備能夠將自己所支持的工作模式信息傳達給網絡上的對端，并接收對方可能傳遞過來的相應信息。自協商機制使得千兆以太網在使用中更加的靈活和方便，因為在實際的使用中，并不知道連接的設備或者傳輸的數據需要多大的通信容量。當然，可以在使用中禁止以太網PHY的自協商，將MAC和以太網PHY的速度同時設置為1 000 Mb/s。

驅動程序中同時還提供以下函數供千兆以太網通信使用：

tsi108EndStart， /*網絡設備開始函數*/

tsi108EndStop， /*網絡設備停止函數*/

tsi108EndUnload， /*卸載網絡驅動函數*/

tsi108EndIoctl， /*網絡驅動控制函數*/

tsi108EndSend， /*網絡驅動發送函數*/

tsi108EndPollSend， /*查詢發送函數*/

tsi108EndPollRcv， /*查詢接收函數*/

5 千兆以太網性能驗證

為了驗證嵌入式系統中千兆以太網的傳輸性能，采用VxWorks自帶的RamDisk作為服務器，通過FTP從計算機傳輸文件進行測試，并對幾種不同的PowerPC嵌入式系統的千兆以太網性能進行對比。千兆以太網性能比較如表1所示。

表1 千兆以太網性能比較

由于PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器內部集成了橋接器，同時集成有MAC控制器，因此以PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器為核心的嵌入式系統沒有采用橋接器的設計，驗證測試中選取大小約為50 MB的文本文件進行以太網傳輸測試，實際測試結果顯示，同樣架構的千兆以太網設計，以PowerPC 8640為核心的嵌入式系統的傳輸速度最快，上行和下行速度可以達到40 MB/s，以PowerPC 7447A為核心的嵌入式系統的傳輸速度較慢，上行和下行速度平均為18.5 MB/s。

幾種架構的千兆以太網傳輸速度差距較大，其中PowerPC 7447A系統的速度只是PowerPC 8640系統速度的46%，分析其原因主要有兩個，一是CPU方面的原因，包括主頻，cache等，這方面造成的差異較小；二是網絡驅動的原因，PowerPC 8640中集成了MAC控制器，網絡驅動優化設計好，因此傳輸效率高，PowerPC 7447A由于外接了橋接器，網絡驅動較前者優化不好，因此傳輸效率相對較低，后續將對該架構的網絡驅動進行優化，爭取將傳輸效率大大提升。

6 結 語

本文介紹了一種嵌入式系統中千兆以太網的設計與實現方案，系統以PowerPC處理器為核心，通過軟件實現了千兆以太網的各種協議，設計方法通用、靈活，能夠滿足嵌入式系統中高速數據傳輸的性能需求，并已成功應用到各復雜環境下嵌入式系統中。實際應用表明， 該設計傳輸距離遠， 通信速率高，為嵌入式設備的高速以太網絡通信提供了一種很好的解決方案， 有著廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 王廷堯.以太網技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

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[8] 苑瑋琦，林峻楠.嵌入式以太網接口的研究與實現[J].儀表技術與傳感器，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操作系統啟動時，使用tUsrRoot 調用muxDevLoad（）加載用戶網絡驅動程序。muxDevLoad（）函數會加載tsi108EndLoad（）函數來初始化網絡設備。tsi108EndLoad（）函數中包括對MAC和PHY的初始化，初始化PHY時設置以太網的速度為自協商，然后MAC的速度通過以太網PHY自協商的結果進行配置。自協商是指本端設備在連接初期自動向對端設備發送信息通知自己的通信容量， 同時檢測對方端口的通信容量，協商一種雙方可以接收的最大通信容量進行通信。自協商機制對于以太網端口的連接有很大的規范作用。自協商功能允許一個網絡設備能夠將自己所支持的工作模式信息傳達給網絡上的對端，并接收對方可能傳遞過來的相應信息。自協商機制使得千兆以太網在使用中更加的靈活和方便，因為在實際的使用中，并不知道連接的設備或者傳輸的數據需要多大的通信容量。當然，可以在使用中禁止以太網PHY的自協商，將MAC和以太網PHY的速度同時設置為1 000 Mb/s。

驅動程序中同時還提供以下函數供千兆以太網通信使用：

tsi108EndStart， /*網絡設備開始函數*/

tsi108EndStop， /*網絡設備停止函數*/

tsi108EndUnload， /*卸載網絡驅動函數*/

tsi108EndIoctl， /*網絡驅動控制函數*/

tsi108EndSend， /*網絡驅動發送函數*/

tsi108EndPollSend， /*查詢發送函數*/

tsi108EndPollRcv， /*查詢接收函數*/

5 千兆以太網性能驗證

為了驗證嵌入式系統中千兆以太網的傳輸性能，采用VxWorks自帶的RamDisk作為服務器，通過FTP從計算機傳輸文件進行測試，并對幾種不同的PowerPC嵌入式系統的千兆以太網性能進行對比。千兆以太網性能比較如表1所示。

表1 千兆以太網性能比較

由于PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器內部集成了橋接器，同時集成有MAC控制器，因此以PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器為核心的嵌入式系統沒有采用橋接器的設計，驗證測試中選取大小約為50 MB的文本文件進行以太網傳輸測試，實際測試結果顯示，同樣架構的千兆以太網設計，以PowerPC 8640為核心的嵌入式系統的傳輸速度最快，上行和下行速度可以達到40 MB/s，以PowerPC 7447A為核心的嵌入式系統的傳輸速度較慢，上行和下行速度平均為18.5 MB/s。

幾種架構的千兆以太網傳輸速度差距較大，其中PowerPC 7447A系統的速度只是PowerPC 8640系統速度的46%，分析其原因主要有兩個，一是CPU方面的原因，包括主頻，cache等，這方面造成的差異較小；二是網絡驅動的原因，PowerPC 8640中集成了MAC控制器，網絡驅動優化設計好，因此傳輸效率高，PowerPC 7447A由于外接了橋接器，網絡驅動較前者優化不好，因此傳輸效率相對較低，后續將對該架構的網絡驅動進行優化，爭取將傳輸效率大大提升。

6 結 語

本文介紹了一種嵌入式系統中千兆以太網的設計與實現方案，系統以PowerPC處理器為核心，通過軟件實現了千兆以太網的各種協議，設計方法通用、靈活，能夠滿足嵌入式系統中高速數據傳輸的性能需求，并已成功應用到各復雜環境下嵌入式系統中。實際應用表明， 該設計傳輸距離遠， 通信速率高，為嵌入式設備的高速以太網絡通信提供了一種很好的解決方案， 有著廣泛的應用前景。

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

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

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

}

VxWorks操作系統啟動時，使用tUsrRoot 調用muxDevLoad（）加載用戶網絡驅動程序。muxDevLoad（）函數會加載tsi108EndLoad（）函數來初始化網絡設備。tsi108EndLoad（）函數中包括對MAC和PHY的初始化，初始化PHY時設置以太網的速度為自協商，然后MAC的速度通過以太網PHY自協商的結果進行配置。自協商是指本端設備在連接初期自動向對端設備發送信息通知自己的通信容量， 同時檢測對方端口的通信容量，協商一種雙方可以接收的最大通信容量進行通信。自協商機制對于以太網端口的連接有很大的規范作用。自協商功能允許一個網絡設備能夠將自己所支持的工作模式信息傳達給網絡上的對端，并接收對方可能傳遞過來的相應信息。自協商機制使得千兆以太網在使用中更加的靈活和方便，因為在實際的使用中，并不知道連接的設備或者傳輸的數據需要多大的通信容量。當然，可以在使用中禁止以太網PHY的自協商，將MAC和以太網PHY的速度同時設置為1 000 Mb/s。

驅動程序中同時還提供以下函數供千兆以太網通信使用：

tsi108EndStart， /*網絡設備開始函數*/

tsi108EndStop， /*網絡設備停止函數*/

tsi108EndUnload， /*卸載網絡驅動函數*/

tsi108EndIoctl， /*網絡驅動控制函數*/

tsi108EndSend， /*網絡驅動發送函數*/

tsi108EndPollSend， /*查詢發送函數*/

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5 千兆以太網性能驗證

為了驗證嵌入式系統中千兆以太網的傳輸性能，采用VxWorks自帶的RamDisk作為服務器，通過FTP從計算機傳輸文件進行測試，并對幾種不同的PowerPC嵌入式系統的千兆以太網性能進行對比。千兆以太網性能比較如表1所示。

表1 千兆以太網性能比較

由于PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器內部集成了橋接器，同時集成有MAC控制器，因此以PowerPC 8640和PowerPC 8548處理器為核心的嵌入式系統沒有采用橋接器的設計，驗證測試中選取大小約為50 MB的文本文件進行以太網傳輸測試，實際測試結果顯示，同樣架構的千兆以太網設計，以PowerPC 8640為核心的嵌入式系統的傳輸速度最快，上行和下行速度可以達到40 MB/s，以PowerPC 7447A為核心的嵌入式系統的傳輸速度較慢，上行和下行速度平均為18.5 MB/s。

幾種架構的千兆以太網傳輸速度差距較大，其中PowerPC 7447A系統的速度只是PowerPC 8640系統速度的46%，分析其原因主要有兩個，一是CPU方面的原因，包括主頻，cache等，這方面造成的差異較小；二是網絡驅動的原因，PowerPC 8640中集成了MAC控制器，網絡驅動優化設計好，因此傳輸效率高，PowerPC 7447A由于外接了橋接器，網絡驅動較前者優化不好，因此傳輸效率相對較低，后續將對該架構的網絡驅動進行優化，爭取將傳輸效率大大提升。

6 結 語

本文介紹了一種嵌入式系統中千兆以太網的設計與實現方案，系統以PowerPC處理器為核心，通過軟件實現了千兆以太網的各種協議，設計方法通用、靈活，能夠滿足嵌入式系統中高速數據傳輸的性能需求，并已成功應用到各復雜環境下嵌入式系統中。實際應用表明， 該設計傳輸距離遠， 通信速率高，為嵌入式設備的高速以太網絡通信提供了一種很好的解決方案， 有著廣泛的應用前景。

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