在RP2040/RP2350上用软件实现100Mbps以太网MAC与UDP帧封装：比特操作时序与DMA协同优化
在嵌入式系统实现100Mbps以太网传输，长期以来被认为需要专用的以太网控制器或外部PHY芯片。然而，Steve Markgraf的pico-100base-tx项目打破了这个认知局限，在RP2040和RP2350微控制器上通过纯软件方式成功实现了100Mbps Fast Ethernet的bit-bang传输，吞吐率达到约11MB/s。这是一个具有重要意义的工程突破，为成本敏感和空间受限的应用提供了全新的网络连接方案。
项目概述与技术突破
pico-100base-tx项目的核心创新在于利用RP2040/RP2350的PIO（可编程输入输出）单元，通过bit-bang方式实现了100BASE-TX物理层的全部功能。这包括复杂的MLT-3编码、4B5B线路编码、LFSR加扰处理，以及完整的MAC层和UDP帧封装。
与传统的10BASE-T实现不同，100BASE-TX采用了更加复杂的物理层编码技术。它使用MLT-3（多电平传输3）编码，在125MHz符号率下传输数据，这远高于10BASE-T的曼彻斯特编码复杂度。pico-100base-tx成功地将这些复杂的编码算法映射到PIO状态机的指令序列中，展现了软件无线电技术在嵌入式系统中的强大潜力。
从性能角度分析，该项目实现了约11MB/s的数据传输速率，这接近于100Mbps以太网的理论最大吞吐量（12.5MB/s），显示出极高的编码效率。这种性能表现对于许多嵌入式应用来说已经完全够用，包括数据采集、音频流传输、实时监控等场景。
PIO与MLT-3编码的深度实现
PIO side-set机制的技术细节
pico-100base-tx项目中，MLT-3编码的实现是技术难点之一。MLT-3使用三个电压电平（-1、0、+1）来表示数据，编码规则相对复杂：当前数据为"0"时电平保持不变，为"1"时电平发生跳变，遵循-1→0→+1或+1→0→-1的序列。
项目巧妙地利用了RP2040 PIO的side-set功能。Side-set是PIO的一个特性，允许状态机在不影响数据操作的情况下控制额外的引脚。在MLT-3实现中，使用两个GPIO引脚分别输出不同的逻辑电平组合（0b01、0b00、0b10），在双绞线两端形成差分信号，从而获得-1、0、+1三个等效的电平状态。
这种实现方式的优势在于：1）PIO状态机可以同时处理数据编码和电平输出，保持严格的时序关系；2）side-set机制保证了在不同编码步骤间引脚状态的精确控制；3）软件定义的方式提供了极大的灵活性，可以根据不同的应用需求调整编码参数。
查找表优化的计算架构
在100BASE-TX实现中，数据编码的计算复杂度是一个重大挑战。4B5B编码需要将每个4位字节转换为5位代码，同时还要处理控制符号（J、K、T、R）和IDLE符号。为了避免复杂的实时计算，pico-100base-tx采用了查找表（LUT）优化策略。
项目实现了两级查找表架构：
第一级是4B5B编码查找表，包含256个条目，每个条目包含两个5位4B5B符号（对应原始数据的两个字节）。这种设计允许每次查表操作处理一个完整字节的数据，显著减少了内存访问次数和计算延迟。查找表的大小为256×10位=2560位（320字节），在RP2040的264KB SRAM中占据极小的空间。
第二级是LFSR加扰器的查找表，包含2047个条目，每个条目预存30位加扰序列。加扰器使用11位LFSR，生成多项式为x^11 + x^9 + 1，周期为2047位。预计算的方式消除了实时LFSR计算的开销，代价是约10KB的RAM空间。
这种查找表优化策略的核心思想是"空间换时间"。在资源受限的嵌入式系统中，预先消耗一定的存储空间来消除实时计算，可以显著提升系统的整体性能和确定性。对于100Mbps的高速数据流而言，这种优化是必不可少的。
比特操作时序与数据路径设计
数据流的分段处理策略
pico-100base-tx采用了分段处理的数据流架构，将高速数据流分解为多个可管理的处理阶段。完整的UDP数据帧处理流程包括：MAC头部构建、IP地址和端口号填充、UDP头部生成、载荷数据插入、CRC32校验计算、4B5B编码、加扰处理、MLT-3符号生成。
项目通过DMA环形缓冲区将这些处理阶段连接起来。数据首先从应用层写入环形缓冲区，然后依次经过MAC层处理、编码处理，最终通过PIO发送到物理层。这种设计确保了数据流的连续性，避免了缓冲器溢出和数据丢失的风险。
关键在于时序同步。每个处理阶段都必须与125MHz的符号时钟保持精确同步。项目通过精心设计的DMA传输时序和PIO状态机调度，确保各个处理阶段的延迟可预测且稳定。任何一个阶段的时序偏差都可能导致整个链路的传输错误。
DMA与CRC32计算的高效协同
以太网帧的完整性检验是网络通信的关键环节。pico-100base-tx使用RP2040的DMA CRC32模块来计算FCS（Frame Check Sequence），同时可选地计算UDP校验和。这种硬件加速的CRC计算方式大大减轻了CPU的负担。
DMA CRC32 sniffer的工作原理是：在DMA传输数据到目标缓冲区的同时，硬件CRC32单元并行计算CRC值。这种"旁路"计算方式不会增加额外的数据传输延迟，同时提供了硬件级的CRC计算可靠性。计算结果在DMA传输完成后即可获得，无需额外的软件处理步骤。
对于UDP校验和，项目采用了DMA sniffer的sum模式。这种模式专门用于计算累加和，硬件会自动将数据字节累加并处理进位问题。UDP校验和需要计算伪头部（包括源IP、目的IP、协议号和数据长度），项目通过在软件中构建伪头部，然后让硬件计算累加和来完成这个任务。
UDP帧封装的工程实现
MAC层处理的简化策略
pico-100base-tx在MAC层处理上采用了简化策略，专注于UDP数据报的可靠传输。项目实现了基本的以太网头部构建，包括目的MAC地址、源MAC地址和EtherType字段。对于源MAC地址，项目使用一个固定的本地管理地址，这种方式虽然牺牲了唯一性，但在实验和测试环境中是完全可接受的。
为了简化协议栈的复杂性，项目跳过了ARP协议的处理。这意味着发送方必须预先知道接收方的MAC地址，或者接收方不会对收到的数据包进行回应。在实际应用中，这通常意味着需要手动配置网络参数或者使用其他方式建立通信双方的MAC地址映射关系。
这种简化设计反映了嵌入式系统的实用性原则。在许多专用应用中，通信双方的地址关系是预先确定的，完整的ARP处理可能显得过于复杂。通过这种方式，项目将更多的系统资源投入到物理层和数据链路层的优化中。
环形缓冲区的设计模式
数据缓存和管理是网络系统性能的关键因素。pico-100base-tx使用了环形缓冲区（ring buffer）来管理发送队列，这种数据结构在嵌入式系统中被广泛采用。环形缓冲区的优势在于：1）可以高效地管理固定大小的内存空间；2）支持连续的数据流操作；3）可以避免内存碎片的产生。
缓冲区的大小选择需要考虑系统的内存限制和实时性要求。较大的缓冲区可以容忍更大的突发流量，但会消耗更多的RAM资源。较小的缓冲区可以节省内存，但可能导致在高负载情况下的数据丢失。项目在性能测试中平衡了这些因素，选择了合适的缓冲区大小来支持11MB/s的数据传输速率。
DMA传输与环形缓冲区的结合使用是该项目的一个亮点。DMA控制器可以直接从环形缓冲区读取数据并传输到PIO，无需CPU的介入。这种设计最大化了数据传输的效率，同时最小化了CPU的负载。
性能优化与实际应用场景
系统瓶颈分析
尽管pico-100base-tx在技术上取得了重要突破，但系统的性能仍受到多个因素的限制。首先是PIO状态机的执行速度。虽然RP2040的PIO运行在125MHz，但每个MLT-3符号的生成需要多个PIO指令周期，这限制了最终的数据传输速率。
其次是内存访问延迟。查找表访问、环形缓冲区读写操作都需要访问SRAM，而SRAM的访问速度相对较慢。在高速数据流处理中，这些内存访问可能成为性能瓶颈。
第三是DMA传输带宽。虽然RP2040的DMA控制器支持高速数据传输，但在多个DMA通道同时工作时，总带宽可能受到限制。项目在设计时需要仔细平衡各个DMA通道的优先级和传输时间。
这些瓶颈因素共同决定了系统的11MB/s吞吐量。虽然这个数值在理论值12.5MB/s以下，但对于许多嵌入式应用来说已经足够。实际应用中需要根据具体的性能需求来评估是否采用这种软件实现方案。
应用场景与实践建议
pico-100base-tx在多个实际应用场景中展现出巨大潜力：
数据采集与传输：项目提供了将内部ADC数据流直接通过以太网传输的示例应用。这种能力对于远程监控系统、环境监测设备等应用非常有价值。11MB/s的传输速率支持高采样率的数据采集，同时保持实时性。
音频流传输：PCM1802音频ADC的75kHz采样率音频流传输应用展示了项目在高保真音频传输方面的能力。这为专业音频设备、语音通信系统等应用提供了新的技术路径。
通用数据流：项目的计数器应用展示了处理任意数据流的能力。这使得项目可以应用到文件传输、数据同步、状态监控等广泛的应用场景。
在实际部署中，需要注意以下安全事项：项目明确警告不要连接到支持PoE的设备，因为直接GPIO连接可能会损坏设备。建议使用脉冲变压器或47+470欧姆电阻的保护电路。某些主板（如ASUS LANGuard）可能需要特定的电阻配置才能正常工作。
技术意义与未来展望
pico-100base-tx项目代表了嵌入式系统网络技术的一个重要发展方向。它证明了在现代微控制器强大的处理能力和丰富的外设支持下，传统的网络功能可以完全通过软件实现，而无需依赖专用的硬件控制器。
这种软件定义网络的方式具有多个显著优势：1）降低了系统成本和复杂度；2）提供了极大的设计灵活性；3）可以通过软件更新来改进功能或修复缺陷；4）便于快速原型开发和产品迭代。
从技术发展趋势来看，随着微控制器性能的不断提升，软件实现高速网络协议的能力会越来越强。这为物联网、边缘计算、工业4.0等新兴应用领域提供了更多的技术选择。pico-100base-tx项目为这一发展趋势提供了重要的技术参考和实现案例。
参考资料