【ZYNQ MPSoC开发】lwIP TCP发送用于数据缓存的软件FIFO设计

设计背景

任务是在ZYNQ的PS上使用裸机运行lwIP协议栈使用TCP把PL端通过AXI DMA传来的将近100K采样率的ADC数据发送出去，但由于数据带宽很大，有853.3mbps ，所以在每一次AXI DMA简单传输结束后，lwIP未必有足够的发送buffer立即把数据发送走，如果是发送完再进行下一次简单传输的思路，则会很大地限制了整个系统的带宽，一个简单的思路是每次传输完成后判断发送buffer是否足够，如果不够，先把数据放进软件FIFO里，等待有buffer时再发出去，如果足够的话，则进行发送，当然必须优先发送FIFO里的数据，而后马上进行下一次简单传输，下面是软件FIFO的代码部分。

软件FIFO代码

1，FIFO结构体定义如下：

C 复制代码

typedef struct {
    unsigned int *data;
    int head;
    int tail;
    int size;
    int capacity;
    int size_max;
} FIFO;

data存放FIFO数据放置的地址指针，head头用于读，tail尾用于写，size表示了当前FIFO存放的等待发送出去的数据包的组数（我这里的数据包是8次简单传输的数据量，大家可以根据自己需求定，并不是字节数！！！），capacity是整个FIFO的容量，size_max用于记录FIFO的一定时间间隔内的数组组数的最大值（前期调试用）。

2，初始化部分如下：

c 复制代码

// 初始化FIFO
void sending_fifo_init(FIFO *fifo, int capacity)
{
//    fifo->data = (unsigned int *)malloc(capacity * MY_TCP_SEND_BUFSIZE);
//    if (!fifo->data) {
//        perror("Failed to allocate memory for FIFO");
//        exit(EXIT_FAILURE);
//    }


    fifo->data = (unsigned int *)SEND_FIFO_BASE;
    
    fifo->head = 0;		//头部
    fifo->tail = 0;		//尾部
    fifo->size = 0;		//当前数据大小
    fifo->size_max = 0;	//每个时间间隔size最大值
    fifo->capacity = capacity;		//总容量
    
    if(capacity > FIFO_SIZE_MAX)
    {
        fifo->capacity = FIFO_SIZE_MAX;   
    }
    else
    {
        fifo->capacity = capacity;
    }

}

这里需要注意的是没有采用malloc去动态分配内存，这主要是因为在ZYNQ这样的嵌入式设备特别是跑裸机时，这样分配很容易报错。

3，与size相关的函数

一是检查FIFO是否已满,1为满，0为不满。

C 复制代码

bool fifo_is_full(FIFO *fifo)
{
    return fifo->size == fifo->capacity;
}

二是检查FIFO是否为空，1为空，0为不空。

C 复制代码

bool fifo_is_empty(FIFO *fifo)
{
    return fifo->size == 0;
}

更灵活的，也给出直接获取size用于打印以及其他辅助调试。

C 复制代码

int fifo_get_size(FIFO *fifo)
{
	return fifo->size;
}

由于我是每5s打印一次这个时间段的带宽，在调试阶段也想看看FIFO的使用情况，就有了以下的记录fifo最大值的函数，然后在每次打印报告时给最大size清零。

C 复制代码

void fifo_record_max_size(FIFO *fifo)
{
	int size_current = fifo_get_size(fifo);

	if (size_current > fifo->size_max)
	{
		fifo->size_max = size_current;
	}

}

4，整个FIFO部分最重要的部分就是入队与出队的操作，入队代码如下：

C 复制代码

bool fifo_enqueue(FIFO *fifo,char *lwip_array_ptr)
{
    if (fifo_is_full(fifo)) {
        printf("FIFO is full, cannot enqueue\r\n");
        return;
    }

    memcpy((fifo->data + fifo->tail * MY_TCP_SEND_BUFSIZE / 4), lwip_array_ptr, MY_TCP_SEND_BUFSIZE);
    fifo->tail = (fifo->tail + 1) % fifo->capacity;  // 循环队列处理
    fifo->size++;
    
    fifo_record_max_size(fifo);

}

首先入队必须要保证FIFO是不为满的，其次是在使用memcpy函数拷贝数据时，注意第一个参数的结果是个什么类型，从而保证每组数据之间是在内存上连续的，不清楚的话，可以先按自己的理解给一个递进制，直接debug看看再进行修改。整个FIFO的运行逻辑是充分利用开辟出来的内存，做一个循环队列处理，而不是size = x的数据放在固定的位置。

出队同理：

C 复制代码

// 出队操作
bool fifo_dequeue(FIFO *fifo,char *lwip_array_ptr)
{
    if (fifo_is_empty(fifo)) {
        printf("FIFO is empty, cannot dequeue\r\n");
        return false;
    }

    memcpy(lwip_array_ptr, (fifo->data + fifo->head * MY_TCP_SEND_BUFSIZE / 4), MY_TCP_SEND_BUFSIZE);
    fifo->head = (fifo->head + 1) % fifo->capacity;  // 循环队列处理
    fifo->size--;
    return true;

}

5，后面如果FIFO不用了，可以进行销毁：

C 复制代码

// 销毁FIFO
void fifo_destroy(FIFO *fifo)
{
    free(fifo->data);
    fifo->data = NULL;
    fifo->head = fifo->tail = fifo->size = fifo->capacity = 0;
}