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引言 在无线通信与数据网络的性能评估中， 吞吐量 （Throughput）常常被视为最直观、最核心的指标之一。随着蜂窝通信和车联网、物联网等应用的不断发展，工程师们不仅关注最终用户感受到的业务速率，也需要深入理解协议栈不同层级的 数据传输效率 。 无论是在基站、终端，还是网络设备的测试中，吞吐量都可以直接反映数据传输效率指标。然而，需要注意的是，吞吐量并不是单一维度的概念，它 在MAC层与IP层存在差异 ：前者更接近底层的物理与链路特性，体现了无线接入链路的最大承载能力；后者则贴近用户实际体验，受到协议栈处理、业务类型及应用场景的综合影响。 在实际测试中，MAC层与IP层吞吐量往往会出现差异，这种差异来源于多方面的因素。首先，测试层级的不同决定了统计口径的差别：MAC层吞吐量更侧重于 无线链路物理层与链路层的效率 ，例如调制解调方式、信道带宽、MCS等级等都会直接影响结果；而IP层吞吐量则受制于上层协议栈的处理开销和应用层数据特性，例如TCP拥塞控制、UDP传输效率，以及业务流量模型等。其次，测试工具与方法的差异也会带来偏差，例如采用基站模拟器、流量发生器或其他应用软件时，得到的数值可能会有显著不同。 最后，网络环境与测试场景的不同，例如弱网条件、干扰情况等也会进一步放大MAC层与IP层吞吐量之间的差距。因此，有效理解这两个吞吐量的定义和差异，不仅有助于我们准确评估网络性能，也为优化系统设计、提升用户体验提供了关键参考。 MAC层吞吐量 1. 定义 MAC层吞吐量是指在无线接入网中，从基站侧测量的、在特定时间窗口内通过空口 成功传输的用户面数据总量 对应的速率。它统计的是 物理层完成调制解调后 ，由MAC层调度并 成功传输的有效数据 。该指标直接反映了基站调度器为终端分配无线资源块（RB）的效率与能力，是衡量 空口数据传输性能 和小区的 系统处理能力 的关键指标。 2 特点 **接近链路层极限**：MAC吞吐量受调制编码方式（MCS）、调度策略、无线信道条件等因素影响，通常能够反映设备在理想情况下可达到的最大速率。 敏感于无线环境：信噪比（SNR）、干扰水平、多径衰落等会直接影响MAC层速率。例如，在弱网测试中随着衰减器引入的信号强度下降，MAC层吞吐量会明显降低。 反映基站调度策略：不同调度算法（如轮询、按优先级、按信道质量分配）会导致MAC层吞吐量差异。 3 场景分析 **基站与终端性能验证：**在实验室中，测试工程师可以通过基站模拟器观测MAC层吞吐量，验证设备在特定信道条件下的调制解调能力和最大承载能力。 **弱网环境测试**：在模拟弱信号场景时MAC层吞吐量能揭示链路受损程度，为优化算法或硬件设计提供依据。 **协议栈问题定位**：当发现IP层吞吐量异常时，可通过对比MAC层吞吐量来判断问题出在MAC层还是IP层。 IP层吞吐量 1 . 定义 IP层吞吐量是指在终端或核心网侧测量的、在特定时间窗口内 成功传输的IP数据包的速率 ，即实际能够传输到应用侧的数据速率。不同于MAC层吞吐量主要聚焦于链路承载能力，IP层吞吐量更多关注的是数据在协议处理、封装、网络转发和传输中的效率。 2 . 特点 **更贴近用户体验**：IP层吞吐量直接关系到上层应用的速率表现，例如网页加载、视频播放、下载速率等。 **敏感于网络状态**：如丢包、时延、重传等问题，会直接导致IP层吞吐量下降，因此它比MAC层更能体现端到端性能差异。 **跨层依赖性强：**IP层吞吐量受到物理层、MAC层调度策略，以及核心网、传输网等多方面的综合影响。 3 . 场景分析 **用户体验验证**：通过IP层吞吐量观测，可以判断用户是否能够获得运营商承诺的下载/上传速率。 **弱网仿真与业务测试**：在弱网条件下，IP层吞吐量往往能够更真实地反映业务质量，从而为视频流媒体、在线游戏、车联网等应用提供测试参考。 **端到端性能评估**：IP吞吐量是贯穿整个网络路径（从终端应用、经过空口、基站、核心网到互联网服务器）的最终有效数据速率。 两者对比 德思特ALifecom基站模拟器 的吞吐量观测 在无线网络测试中，单独观察IP层吞吐量或MAC层吞吐量都无法全面反映系统性能。IP层吞吐量虽然贴近用户体验，但可能掩盖底层链路存在的性能问题；MAC层吞吐量则能直接反映空口调度与无线链路效率，但无法体现协议栈和应用层对业务速率的影响。因此， 同时观测这两种吞吐量可形成从链路能力到最终用户体验的完整视图。 德思特ALifecom基站模拟器可同时监测MAC层和IP层的吞吐量，因此建立了“理论能力—协议损耗—实际体验”的映射关系。若MAC层吞吐量与IP层吞吐量差距过大，说明问题出现在协议栈或网络传输环节；若两者接近，说明链路传输与上层协议匹配良好。这样的多维度对比，不仅能够提高问题定位效率，也为弱网环境仿真、终端性能评测以及运营商网络优化提供了有力工具。 上位机软件读取的MAC Throughput iPerf软件读取的IP Throughput 【注：此处展示的是单台电脑直连时的IP吞吐量，故速率较高】 相关产品 德思特ALifecom基站模拟器是从4G LTE 到5G NR/NTN的全方位测试平台，高度集成gNB/eNB与5GC/EPC核心网，专为移动终端、物联网和非地面网络通信提供精准验证。 **全协议覆盖**：兼容4G LTE 到5G NR（FR1,FR2）及NR-NTN **高效率测试**：单台设备支持DL 4×4 MIMO与多达16台DUT的并发连接 **高度集成：**内建gNB、eNB与AMF/SMF/UPF等核心网络功能，模拟真实商用网络

摘要：针对现场采集设备需要扩展网络功能以实现远程控制和数据传输，应用硬件协议栈芯片W5300设计并实现了以太网数据传输系统，该系统由FPGA控制硬件协议栈芯片W5300，给出了系统总体硬件电路和软件工作流程，并最终完成了对系统的功能验证。经验证，系统稳定实现了与上位机之间的数据传输。 关键词：以太网；W5300；TCP／IP；FPGA；数据传输     现代数据采集领域中，越来越多的现场采集设备需要扩展网络功能以实现远程控制和数据传输。以太网以其成本低、易于集成和传输距离较远的优势得到了广泛应用。传统的以太网解决方案是利用主控芯片连接物理层接口，在主控芯片内编写以太网协议来实现的，这种方法开发周期较长，难度较大，且由于以太网协议程序比较繁琐，运行起来不太稳定。而利用硬件协议栈芯片，只需要通过简单的配置和外部线路连接就可以实现以太网的数据传输功能，这种方法开发难度小、集成度高且运行稳定，已成为实现以太网数据传输的首选方案。     鉴于此，文中设计了一个利用可编程逻辑器件控制W5300以TCP／IP为协议进行以太网数据传输的系统。其中，TCP／IP协议栈的处理交由硬件协议栈芯片W5300来完成，FPGA只需控制W5300即可。 1 芯片介绍     W5300是WIZnet公司的一款单芯片器件，采用0．18μmCMOS工艺，内部集成10／100M以太网控制器、MAC层协议和TCP／IP协议栈，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。其主要性能特点如下：     1)支持硬件TCP／IP协议栈：TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP，IGMP、PPPoE；     2)支持8路独立的网络连接端口SOCKETs同时工作；     3)内部拥有128 k字节TX／RX存储器用于数据通信，并可根据端口数据吞吐量灵活分配TX／RX存储器空间大小；     4)支持2种主机接口模式(直接寻址模式和间接寻址模式)；     5)支持16／8 bit数据总线，传输速率高达50 Mbps；     6)支持第三方物理(PHY)接口。 2 系统硬件设计     在硬件设计时选择利用FPGA做为主控芯片，实现对W5300寄存器的读写及功能配置，其系统硬件结构如图1所示。         W5300与FPGA的接口信号有数据总线、地址总线以及一些控制信号线(如／RESET、／CS、／RD、／WR、／INT)。W5300工作在直接寻址模式下，FPGA通过地址总线可直接访问W5300内部的各个寄存器或存储器，直接寻址模式比间接寻址模式具有更高的访问速度。BIT16EN引脚决定数据总线模式：BIT16EN拉高时为16位宽数据总线模式，BIT16EN拉低时为8位宽数据总线模式。本设计将BIT16EN悬空，即拉高，使其工作在16位宽数据总线模式下。TEST_MODE 4个引脚用于配置PHY模式和厂商测试模式，这里将其都接地，设置成使用内部集成的PHY模式。在内部PHY运行控制模式的多种选择中，将OP_MODE 3个引脚接地，固定地选择了一种模式；自动握手模式。这样W5300是通过媒体接口的两路差分信号(RXIP／RXIN和TXOP／TXON)与网络隔离变压器连接。这些差分信号引脚都必须接一个50 Ω(±1％)的电阻和一个0．1μF的电容，以达到良好的阻抗匹配效果。匹配电阻和匹配电容应该尽可能靠近W5300，以减少传输线上的阻抗和容抗。同时为了有良好的传输效果，两路差分信号的走线长度应相等且尽量靠近。     图中的网络隔离变压器采用的是CYL公司PH16系列的PH163539集成芯片，它的作用有3点：1)传输数据，它把PHY送出来的差分信号用差模耦合线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端；2)隔离网络上不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备：3)能够滤除空间的电磁干扰，能对设备起到一定的防雷保护作用。     本系统工作在内部PHY模式下，只能用25M的无源晶振来提供W5300的工作时钟。在工作过程中，W5300需要2种电源：3．3 V和1．8 V，其中1．8 V的内核工作电压由W5300自己产生，不需要外部提供，需要注意的是这种电压不能提供给W5300以外的其它器件。 3 系统软件设计     系统软件设计的主要任务是在Quartus II环境下用硬件描述语言VHDL实现FPGA对硬件协议栈芯片W5300的控制，以实现W5300与上位机的数据传输。在本系统的软件设计中，仅选用W5300的8个SOCKET中的SOCKET0进行通讯。W5300软件流程图如图2所示，首先复位W5300，再依次对W5300、SOCKET0进行初始化，然后进入数据通信状态。 3．1 W5300复位     W5300在工作之前需要进行上电复位，且复位信号／RESET至少要保持2μs的低电平，然后变为高电平，等待至少10 ms使得W5300内部锁相环稳定后，再进行W5300初始化等操作。     软件设计时，系统设置复位信号的低电平时间为6μs，通过对30 MHz的时钟进行计数来实现，当计数值达到30x6=180时，便将复位信号拉至高电平；然后接着计数，当计数值达到30x20x103=600 000时，便实现等待20 ms的要求；最后给出W5300复位完成信号，启动下一步工作。 3．2 W5300初始化     初始化W5300就是将相应的参数按照写时序要求写入寄存器即可，初始化分3个步骤：主机接口设置、网络信息设置和内部TX／RX存储器的分配。     在设置主机接口时，模式寄存器MR保持默认值0xB800，这样W5300便工作在16位总线宽度的直接访问模式；中断屏蔽寄存器IMR写入0xFF FF，不屏蔽任何中断。     在设置网络信息时，重复发送超时寄存器RTR与重复发送计数寄存器RCR采用默认值，默认值分别为0x07D0和0x0008，即重复发送超时时间为200 ms，重复发送次数为9次；本机硬件地址寄存器SHAR、网关IP地址寄存器GAR、子网掩码寄存器SUBR和本机IP地址寄存器SIPR配置参数如表1所示。       在分配存储空间时，存储器单元类型寄存器MTYPER采用默认值0x00FF，即将前8个8k字节存储单元分配为TX存储器，后8个8k字节存储单元分配为RX存储器；通过TX存储器大小配置寄存器TMSR和RX存储器大小配置寄存器RMSR将SOCKET0的发送和接收存储器大小都配置为32kB。 3．3 SOCKET0建立连接     完成W5300初始化以后，W5300可以以TCP、UDP、IPRAW或MACRAW的方式打开SOCKET发送或接收数据。在本设计中，W5300工作在TCP服务器模式下。     为了实现TCP通信，需要对SOCKET0进行初始化设置，然后进行侦听设置，完成TCP服务器建立，最后等待建立连接。通过SOCKET0模式寄存器S0_MR(P3：P0)和SOCKET0端口寄存器S0_PORTR分别设置通信协议和本机端口号(在TCP服务器模式，称之为侦听端口号)，然后向SOCKET0控制寄存器S0_CR中写入0x0001执行OPEN命令，执行完OPEN命令后，如果SOCKET0状态寄存器S0_SSR改变为SOCK_INIT，则SOCKET0的初始化设置完成；再向S0_CR中写入0x0002执行侦听命令，若S0_SSR改变为SOCK_LISTEN，则侦听完成，W5300设置为TCP服务器；最后等待S0_SSR改变为SOCK_ESTABLISHED，若S0_SSR变为预期值，则建立了SOCKTEO连接，可以进行数据通信。 3．4 W5300接收数据     当W5300控制器收到接收数据控制命令时，进入接收数据状态。W5300接收数据的程序流程如图3所示。首先要判断SOCKET0的RX存储器中是否有接收到的数据，即读取SOCKETO接收数据报长度寄存器S0_RX_RSR的值，并判断该值是否等于零。如果S0_RX_RSR的值等于零，则继续判断，否则说明SOCKET0的RX存储器接收到数据，则进入下一步接收数据操作。当存储器中接收到数据时，要进一步判读SOCKET0模式寄存器S0_MR的对齐控制位，若S0_MR(ALIGN)=0，则从SOCKET0的RX FIFO寄存器S0_RX_FIFOR读取需要接收的数据字节长度(这样做是由TCP模式数据格式来确定的)，否则从S0_RX_RSR中读取数据字节长度。得到数据字节长度信息后要将其转换为数据字长度，作为读取S0_RX_FIFOR中接收内容的循环控制量。最后，要在向S0_CR写入0x0040，执行REVC命令，告知主机W5300已经完成数据的读取。 3．5 W5300发送数据     当W5300控制器收到发送数据控制命令时，进入发送数据状态。W5300发送数据程序流程如图4所示。首先要将需要发送数据字通过S0_TX _FIFOR复制到SOCKET0的TX存储器中，然后再将发送数据字节长度值写入SOCKET0的写长度寄存器S0_TX_WRSR，告知W5300需要向上位机发送数据的字节数。最后向S0_CR写入0x0020执行SEND命令，W5300收到此命令后对接收到的数据进行协议处理，并发送到网络中。数据发送完成后，SOCKET0的中断寄存器S0_IR会产生发送完成(SENDOK)中断，中断值为0x0010，软件清除该中断后表示完成一次发送。 4 系统功能验证     为了测试网络的连通性，最直接的方式就是使用ping命令，向目标端发送ICMP回送请求报文，看目标端是否可达。在主机端的DOS命令环境下输入命令：ping192．168．0．3(主机IP地址为192．168．0．2)，从图5可以看出主机端收到了ICMP回送应答，证明目标端的IP层以下已经连通。 在测试了连通性后，就可以进行通信测试了，可通过TCPUDP测试工具向W5300发送网络控制指令，并接收W5300回传的数据数据。如图6所示TCPUDP测试工具与W5300通信结果，通过上位机的TCPUDP测试工具向系统网络接口发送一组数据，系统网络接口将收到的数据载回传给上位机，从图中可以看出，通信测试成功。 5 结论     经实验验证，系统运行稳定，实现了以太网的数据传输功能。系统结构简单、可靠性强、成本低廉，在无需引入操作系统的条件下，实现单芯片与Internet的连接，有很高的实用价值，可应用于现场采集设备的远程控制和数据传输等领域。     转自： 21IC电子网 感谢关注！   更多与我们交流： WIZnet邮箱： wiznetbj@wiznet.co.kr WIZnet中文主页： http://www.iwiznet.cn WIZnet企业微博： http://e.weibo.com/wiznet2012      

这个部分将会给出如何测试WizFi630的例子，供大家参考。 WizFi630 是WIZnet开发的一款 高性能 802.11b/g/n 嵌入式 WiFi 模块。   在测试WizFi630时，使用的工作模式将是 AP模式 和 客户端（工作站）模式 。       1. 首先给大家讲述串口转Wifi测试的第一部分 ， AP模式 。 1.1 串口转Wifi的测试环境 这一部分将会讲解如何在AP模式下设置Wizfi630和测试串口转以太网。 用RS-232和LAN网线连接WizFi630和，如下图所示；设置工作模式为AP模式，启动TCP服务器将与WizFi630连接并且使用TCP客户端程序进行通信。 通信中的数据可以在串行终端中查看。 1.2 设置WizFi630 连接和WizFi630。 在网络浏览器中输入192.168.16.254并连接到管理员网页。(我们建议直接连接 和WizFi630，而不是通过hub)。 检查WizFi630的工作模式；选择AP模式如果其他模式均正被使用。 4. WizFi630 到TCP服务器的串行设置如下所示 (检查服务器端口、波特率、数据位、奇偶校验、停止位、流量控制) 1.3 设置 1. 连接WizFi630 的网络 默认SSID : WLAN-AP 2. 获取WizFi630的IP地址，并进行ping测试。如果ping测试成功，网络即已连接。   1.4 WizFi630的通信测试 1. 打开的串行程序，输入串行配置值，单击‘打开’ 串行程序:设备终端版本1.0 2. 打开的TCP/IP程序，输入TCP服务器的IP地址 (192.168.16.254)，单击‘连接.’ TCP/IP 程序 : 设备终端版本1.0 3. 使用的串行程序和的TCP/IP程序查看数据通信。   2. 其次给大家讲讲串口转Wifi测试的第二部分，客户端模式 。 2.1 串口转Wifi的测试环境 这一部分将会讲解如何在客户端模式中设置WizFi630并且测试串口转以太网。 用RS-232和LAN网线连接WizFi630和，如下图所示；设置工作模式为客户端模式，并启动TCP服务器 连接与WizFi630，并用TCP客户端程序进行通信。 使用的串行程序和的TCP/IP程序查看数据通信。 2.2 设置WizFi630 PC 1 用串口线和LAN 网线连接 与WizFi630 当与WizFi630的串行连接建立后，利用命令检查IP地址 3. 在的网络浏览器中输入192.168.16.254并连接到管理员网页。 (我们建议直接连接与WizFi630，而非通过hub)。 4. 检查WizFi630的工作模式；选择客户端（工作站）模式如果其他模式均正在被使用; 5. 在工作站站点调查菜单中，与周围AP的尝试连接 SSID : belkin54g 6. 下方WAN IP地址就是分配自AP的IP地址。 7. WizFi630 到TCP服务器的串行设置如下所示 (检查服务器端口、波特率、数据位、奇偶校验、停止位和流量控制) 2.3 设置 连接到AP. Ex) belkin54g 2. 获取WizFi630的IP地址并进行ping测试。如果ping测试成功，网络即已连接。( WizFi630的IP地址: 192.168.1.7 ) 2.4 WizFi630的通信测试 1. 打开的串行程序，输入串行配置值，单击‘打开’ 串行程序 : 设备终端版本 1.0 2. 打开的TCP/IP程序，输入TCP服务器的IP地址 (192.168.1.7)，单击‘连接’ TCP/IP 程序 : 设备终端版本 1.0 3. 使用的串行程序和的TCP/IP程序查看数据通信     以上就是嵌入式WiFi模块—WizFi630快速入门指导，谢谢关注！更多无线模块介绍可以登录官网进行查看。            

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