TOE技術

　　所謂卸載是指將CPU上的計算或處理轉移到專門的硬件單元上進行。在目前的以太網環境中，TCP/IP的處理都是通過軟件在中心處理器上實現的，導致系統在協議處理、中斷處理、數據拷貝方面面臨困難。利用TOE技術對TCP/IP卸載則簡化了數據包的處理，如圖1所示，TOE將TCP/IP協議從CPU中移到硬件中處理。在主機中安裝和TOE通信的驅動后，內核和用戶的應用都可以直接和TOE通信，這樣就可以使主機CPU來處理別的工作。TOE在接收到網絡上的數據后，進行一系列的協議處理，將數據放在指定地址，交給上層應用。發送方向則相反，將需要處理的數據包裝后通過硬件緩沖發送出去。TOE的處理簡化了流程，主機只需要直接處理數據而不用對數據拆包重組，因而對協議處理，中斷和數據拷貝都大大減少，降低了主機CPU的負擔。

　　TOE硬件結構

　　● 硬件設計方案

　　從器件的實現上，TOE實現方案可以采用兩種結構：一種是分離元件結構，另外一種是ASIC芯片。分離元件采用電路板構建，具有修改靈活性，方便升級改進。采用ASIC芯片實現的方案是將協議處理集成到定制的芯片中，在性能上比分離元件的方式有所提高，但它在可編程性、擴展性和靈活性方面比較差。為了提高靈活性又保證處理速度，可以采用FPGA來實現TOE。

　　在設計中采用了Altera公司的FPGA來實現TOE，并配合NIOS II實現嵌入式處理器的功能。圖2為TOE的框架結構，它由一個嵌入式CPU、接收部分、發送部分和物理硬件接口構成。在這個結構中，所有的發送模塊在一邊，接收模塊在另一邊，是為了能直接訪問一個共享的存儲器，從而減少數據拷貝。為了支持眾多的協議模塊訪問，通過一條內部總線來連接協議模塊和共享存儲器。由嵌入式CPU協調模塊間的通信，狀態管理以及和上層CPU的通信。

　　當網絡上送來一個數據包時，物理接口開始啟動，進行簡單的包頭處理后，發送中斷給嵌入式CPU，CPU移動數據到接收緩沖器(BUFFER)，將消息隊列置為有效。協議接收模塊檢測到有數據需要處理，啟動協議分析處理。當所有的處理完成后，嵌入式CPU發送一個中斷給主CPU，并將數據放入指定的地址。發送過程和接收過程相反，CPU把需要處理的數據放入發送緩沖器，協議模塊檢測到有消息后開始啟動處理。完成后將數據移到物理層的發送緩沖中發送出去。在這個設計中，共享存儲器的訪問控制和協議模塊的設計是難點，下邊將詳細介紹。

　　● 共享存儲器的訪問

　　在FPGA中，所有的協議模塊將對輸入與輸出緩沖器有控制權。這里使用總線的方式來訪問緩沖器，并加上一個總線仲裁器來處理模塊對緩沖器的訪問。協議模塊在這個總線上作為訪問發起者。當某一模塊需要訪問緩沖器的時候，它需要向總線仲裁發起一個中斷，等待其響應。總線仲裁使用輪詢的方式來處理每個模塊的響應。協議模塊獲得訪問權限后，就可以對緩沖器進行操作了，操作結束后，釋放訪問權限。使用總線仲裁器輪詢的方式只是目前設計的一種方式，在不同的應用中，可能會有更好的方式來處理共享存儲器的訪問，需要后續的研究進一步驗證。