基于RT-Thread的lwip网卡优化笔记

news2024/10/1 1:30:06

基于RT-Thread的lwip网卡优化笔记

一、RT-Thread的lwip框架

RT-Thread的网络框架主要是实现eth_device，并通过eth_device_init注册，下面是eth_device的定义。

struct eth_device
{
    /* inherit from rt_device */
    struct rt_device parent;

    /* network interface for lwip */
    struct netif *netif;
    struct rt_semaphore tx_ack;

    rt_uint16_t flags;
    rt_uint8_t  link_changed;
    rt_uint8_t  link_status;

    /* eth device interface */
    struct pbuf* (*eth_rx)(rt_device_t dev);
    rt_err_t (*eth_tx)(rt_device_t dev, struct pbuf* p);
};

网卡移植主要是要在驱动层实现eth_rx和eth_tx。eth_rx即网卡接收，eth_tx即网卡发送。一般来说，网卡驱动需要结合dma来使用，例如当需要发送数据时，lwip最终会调用到eth_tx函数指针进行发送，lwip将要发送的数据放到了pbuf中，我们需要从pbuf从读取数据放入网卡发送DMA中，启动发送；当网卡收到数据时，emac将产生中断，在中断里会唤醒接收线程，这个接收线程会调用eth_rx函数指针接收数据，我们需要申请pbuf，并将网卡DMA中的数据拷贝到pbuf中，最后给lwip返回这个pbuf。

lwip的ethernetif.c是一个供移植的文件，在RT-Thread上，RT-Thread已经全都定义好了，从下面的代码可以看出，eth_system_device_init_private函数创建了两个线程：erx和etx。一般来说，LWIP_NO_RX_THREAD宏都是没定义的，也就是erxmb信号量和erx线程会被创建，当emac接收数据并产生中断时，会调用eth_device_ready函数发送erxmb信号量唤醒erx接收线程，这个线程再去调用eth_rx接收函数。LWIP_NO_TX_THREAD宏可以定义也可以不定义，当定义这个宏时，发送数据时将会直接在lwip的tcpip线程调用eth_tx发送函数，当未定义这个宏时，发送的数据将会由tcpip线程通过邮箱的形式传给etx线程，由etx线程发出。

int eth_system_device_init_private(void)
{
    rt_err_t result = RT_EOK;

    /* initialize Rx thread. */
#ifndef LWIP_NO_RX_THREAD
    /* initialize mailbox and create Ethernet Rx thread */
    result = rt_mb_init(&eth_rx_thread_mb, "erxmb",
                        &eth_rx_thread_mb_pool[0], sizeof(eth_rx_thread_mb_pool)/4,
                        RT_IPC_FLAG_FIFO);
    RT_ASSERT(result == RT_EOK);

    result = rt_thread_init(&eth_rx_thread, "erx", eth_rx_thread_entry, RT_NULL,
                            &eth_rx_thread_stack[0], sizeof(eth_rx_thread_stack),
                            RT_ETHERNETIF_THREAD_PREORITY, 16);
    RT_ASSERT(result == RT_EOK);
    result = rt_thread_startup(&eth_rx_thread);
    RT_ASSERT(result == RT_EOK);
#endif

    /* initialize Tx thread */
#ifndef LWIP_NO_TX_THREAD
    /* initialize mailbox and create Ethernet Tx thread */
    result = rt_mb_init(&eth_tx_thread_mb, "etxmb",
                        &eth_tx_thread_mb_pool[0], sizeof(eth_tx_thread_mb_pool)/4,
                        RT_IPC_FLAG_FIFO);
    RT_ASSERT(result == RT_EOK);

    result = rt_thread_init(&eth_tx_thread, "etx", eth_tx_thread_entry, RT_NULL,
                            &eth_tx_thread_stack[0], sizeof(eth_tx_thread_stack),
                            RT_ETHERNETIF_THREAD_PREORITY, 16);
    RT_ASSERT(result == RT_EOK);

    result = rt_thread_startup(&eth_tx_thread);
    RT_ASSERT(result == RT_EOK);
#endif

    return (int)result;
}

下面的代码是注册lwip网卡驱动的过程。

	struct emac_device *edev = &g_emac_device[EMAC0_100M];	

	lwip_sys_init();

    edev->module = EMAC0_100M;
    edev->irq = VC0768_IRQ_EMAC0_DMA;
    edev->mac_base = VC0768_EMAC0_BASE;
    edev->dma_base = VC0768_EMAC0_BASE + REG_EMAC_DMA_OFFSET;
    edev->phy_type = PHY_TYPE_INT;
    edev->phy_addr = DEFAULT_INT_PHY_ADDR;
    edev->speed = SPEED100M;
    edev->duplex = FULLDUPLEX;
    edev->auto_nego = true;
    sprintf(edev->name, "%s", EMAC0_NAME);

    rt_memcpy(edev->dev_addr, mac_addr, sizeof(mac_addr));

    edev->tx_buf = (u32 *)rt_malloc_align(EMAC_TX_BUF_SIZE * TRANSMIT_DESC_SIZE, RT_CPU_CACHE_LINE_SZ);
    edev->rx_buf = (u32 *)rt_malloc_align(EMAC_RX_BUF_SIZE * RECEIVE_DESC_SIZE, RT_CPU_CACHE_LINE_SZ);

    memset(edev->tx_buf, 0, EMAC_TX_BUF_SIZE);
    memset(edev->rx_buf, 0, EMAC_RX_BUF_SIZE);

    emac_clk_init(edev);
    emac_phy_init(edev);
    emac_dma_init(edev);
    emac_mac_init(edev);

    emac_tx_sem = rt_sem_create("emac rx on sem", 0, RT_IPC_FLAG_FIFO);

    edev->parent.eth_rx = emac_rx;
    edev->parent.eth_tx = emac_tx;

	edev->parent.parent.init = emac_ops.init;
	edev->parent.parent.control = emac_ops.control;
	rt_kprintf("%s %d\n", __func__, __LINE__);
    eth_device_init(&(edev->parent), edev->name);

	request_irq(edev->irq, vmc_interrupt, 0, edev->name, edev);
	enable_irq(edev->irq);
	
    netif_set_link_up(edev->parent.netif);

二、网卡驱动

VC0768有两个EMAC，分别是EMAC0和EMAC1，其中EMAC0最高支持到100Mbps，EMAC1最高支持到1000Mbps，EMAC0内部自带PHY，外部只需加上网络变压器即可通信，EMAC1则需要外接千兆PHY，例如开发板上接的就是Realtek的RTL8211F。在软件配置上，EMAC0和EMAC1的配置是差不多的，但EMAC1需要额外配置相应的引脚。

网卡驱动移植最重要的就是配置网卡DMA，VC0768的网卡DMA分为发送DMA和接收DMA，以接收DMA举例。DMA的缓存的个数以及每个块的大小都是可以配置的，例如uboot中配置的DMA单个接收块有256个，每个块大小为2048字节（实际大于1518字节即可），DMA有链式（chain）模式和环形（ring）模式，以环形模式来说，在逻辑上，这就像是个环形的队列，队列的每个块大小是固定的。当EMAC接收到数据时，会自动放入到DMA的某块缓存中，下一次接收时，将自动放入下一块缓存中，即其本身具备地址自增功能。这就是一个最经典的生产者和消费者模型，需要确保DMA的数据及时读取，否则所有的DMA数据块被写满后，将会丢包。代码中可以判断对应块的status来判断这个块当前时属于CPU还是属于DMA，属于CPU即代码可以访问，属于DMA即这个块DMA正在使用。

三、网卡吞吐速率测试

网卡吞吐速率测试一般使用iperf工具，iperf有很多版本，最新的是iperf3，iperf3的功能比较齐全。但iperf和iperf3并不通用，有些设备只支持iperf，那么对端也只能使用iperf。最简单的就是服务器端执行iperf -s，客户端执行iperf -c xx:xx:xx:xx，xx为服务端的ip地址。iperf还可以设置发包数量、tcp窗口大小等参数。iperf是个命令行工具，Jperf则是基于iperf的图形化工具，可以简单轻松的对iperf进行配置，如下所示。
在这里插入图片描述

四、网卡吞吐速率优化

网卡吞吐速率优化是一个比较繁琐的性能优化过程，里面涉及到很多，包括TCP参数、lwip参数、内存拷贝效率、网卡收发逻辑等，下面是几个比较重要的优化点。

4.1 TCP参数优化

  1. TCP_MSS：即Maxitum Segment Size，TCP单次传输最大的有效字节数，这个值最大可以为1460字节，因此需要改成1460字节。
  2. TCP_WND：即TCP的滑动窗口大小，不过实测这个值对吞吐速率影响不大，窗口大小是会双方自动调节的。

4.2 lwip参数优化

lwip的opt.h文件有很多lwip的默认配置，如果想修改配置，修改lwipopt.h文件即可。lwip的参数优化主要就是修改lwipopt.h这个文件。

  1. 内存申请方式优化：lwip共有三种内存分配方式，第一种是使用C库的malloc，第二种是lwip自己实现的动态内存堆分配，第三种是使用lwip自己实现的动态内存池分配。C库的malloc是最不推荐使用的，内存大的情况下，推荐使用内存池分配。内存池相比于内存堆，优点是分配和释放速度快且不会产生内存碎片，缺点是容易浪费空间，因为内存池里的块大小是不变的。具体的改动如下。各种类型的pbuf的个数、大小也需要合理设置，不至于在吞吐速率高时，pbuf不够用。

    #define MEM_LIBC_MALLOC             0
#define MEM_USE_POOLS               1
#define MEMP_USE_CUSTOM_POOLS       1

  2. LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF宏需要改为0，虽然官方说这个宏是为了让多个pbuf尽可能合成一个，有利于DMA发送，但实际上这个宏定义了之后会有拷贝的操作，影响效率，需要斟酌是否需要改为0。

  3. LWIP_STATS宏设置为0，这个是lwip内部统计功能，关闭可以提高代码执行效率。

4.3 内存拷贝优化

4.3.1 rt_memcpy优化

系统主频为1.2GHz，但实测拷贝12.5MB（100Mbit）数据，使用原生的rt_memcpy需要600ms，这会验证影响网卡的收发效率，因为lwip里面有不少pbuf拷贝的操作，例如网卡发送时，需要将pbuf中的payload拷贝到网卡DMA中发送。看rt_memcpy的源码可以发现，4字节对齐时，以long为字长进行拷贝，当内存非4字节对齐时，直接使用单字节方式进行拷贝，没有考虑2字节对齐的情况。且4字节拷贝时，可以使用neon指令进行拷贝，速度会更快。因此可以对rt_memcpy做如下优化：

void *rt_memcpy(void *dst, const void *src, rt_ubase_t count)
{
#define UNALIGNED(X, Y) \
    (((long)X & (sizeof (long) - 1)) | ((long)Y & (sizeof (long) - 1)))
#define BIGBLOCKSIZE    (sizeof (long) << 2)
#define LITTLEBLOCKSIZE (sizeof (long))
#define TOO_SMALL(LEN)  ((LEN) < BIGBLOCKSIZE)

    char *dst_ptr = (char *)dst;
    char *src_ptr = (char *)src;
    long *aligned_dst;
    long *aligned_src;
    int len = count;

	unsigned short *test_dst;
	unsigned short *test_src;

    /* 增加neon拷贝 */
	if((len > 63) && (!((long)dst_ptr & 3)) && !((long)src_ptr & 3))
	{
        /* 此处只做演示，可能会溢出 */
		if (len & 63)
			len = (len & -64) + 64;
        
		asm volatile (
		"NEONCopyPLD: \n"
				" VLDM %[src]!,{d0-d7} \n"
				" VSTM %[dst]!,{d0-d7} \n"
				" SUBS %[len],%[len],#0x40 \n"
				" BGT NEONCopyPLD \n"
		: [dst]"+r"(dst), [src]"+r"(src), [len]"+r"(len) : : "d0", "d1", "d2", "d3", "d4", "d5", "d6", "d7", "cc", "memory");
		
		return dst_ptr+len;
	}

	/* 原生的4字节拷贝 */
    if (!TOO_SMALL(len) && !UNALIGNED(src_ptr, dst_ptr))
    {
        aligned_dst = (long *)dst_ptr;
        aligned_src = (long *)src_ptr;

        while (len >= BIGBLOCKSIZE)
        {
            *aligned_dst++ = *aligned_src++;
            *aligned_dst++ = *aligned_src++;
            *aligned_dst++ = *aligned_src++;
            *aligned_dst++ = *aligned_src++;
            len -= BIGBLOCKSIZE;
        }

        while (len >= LITTLEBLOCKSIZE)
        {
            *aligned_dst++ = *aligned_src++;
            len -= LITTLEBLOCKSIZE;
        }

        dst_ptr = (char *)aligned_dst;
        src_ptr = (char *)aligned_src;
    }


    /* 增加2字节对齐时的拷贝 */
	if( !((long)src_ptr & 0x01)  && !((long)dst_ptr & 0x01))
	{
		test_dst = (unsigned short*)dst_ptr;
		test_src = (unsigned short*)src_ptr;
		while (len > 1)
		{
			*test_dst++ = *test_src++;
			len -= 2;
		}	

		dst_ptr = (char *)test_dst;
        src_ptr = (char *)test_src;
	}
	
    /* 原生的单字节拷贝 */
    while (len--)
    {
        *dst_ptr++ = *src_ptr++;
    }

    return dst;
#undef UNALIGNED
#undef BIGBLOCKSIZE
#undef LITTLEBLOCKSIZE
#undef TOO_SMALL
#endif
}

优化的效果如下：

  • rt_memcpy优化2字节拷贝后udp发送速率从30Mbps提升到48Mbps，TCP发送速率从22Mbps提升到30Mbps，tcp接收仍然是6Mbps。
  • rt_memcpy4字节对齐时加入neon指令进行拷贝，udp发送仍然是48Mbps，TCP发送速率从30Mbps提升到36Mbps，TCP接收仍然是6Mbps。

优化2字节对齐的拷贝，性能有较明显的提升，原因是Ethernet II头部是6字节目的地址+6字节源地址+2字节长度，共14字节，后面紧跟着payload，如下图所示。当payload是4字节对齐时，目的地址所在的内存是2字节对齐的。lwip发送数据时，传下来的pbuf->payload就是这样的情况，pbuf->payload是一个2字节对齐的地址，而不是4字节对齐的，因此优化2字节对齐时，对lwip整体性能也有提升。

在这里插入图片描述

网上有一个开源的rt_memcpy加强版，使用汇编指令，实测效果比neon指令略差一些，但比原生的rt_memcpy要强得多。地址如下：https://github.com/mysterywolf/rt_memcpy_cm

4.3.2 使用uboot下的memcpy.S

实测同一段内存拷贝测试程序，在uboot下执行只需要8ms，而在melis下执行需要102ms，差了整整10倍多。因此将uboot下arch/arm/lib/memcpy.S直接拿来用，实测仍然是102ms，没有提升。可能是跳转到melis系统后，哪里没有设置对，待排查，TCP接收速率也明显不行，也需要排查。

4.4 网卡收发优化

4.3.1 lwip发送优化

前文提到了lwip在发送报文时，如果没有定义LWIP_NO_TX_THREAD宏，那么发送的数据会通过邮箱传递给etx线程，由etx线程代发，缺点是这里引入了一次操作系统的调度，这是需要时间上的开销的，优点是tcpip线程只需要专心处理数据，隔离性比较好。如果追求性能，可以考虑定义LWIP_NO_TX_THREAD这个宏。

4.4.2 网卡发送优化

前文提到，DMA有多个块，在中断里会判断发送是否完成，并释放发送完成的信号量。实际上网卡发送时，不必每次都等待这个信号量，因为当前发送可能正在进行，但是可以把数据装载到下一个DMA块里。所以发送时应直接取下一块DMA块，判断当前是否属于CPU，如果是属于CPU就直接使用，无需等待信号量；如果是属于DMA，说明所有的DMA发送块都写满了，这时候才需要等待发送完成。所以将DMA发送块的个数设置的稍大一些，在一定程度上也是可以提升性能的。

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