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FreeRTOS Plus TCP
已更新 2025年7月
网络缓冲区分配方案
及其对 CPU 负载和吞吐量性能的影响
自 FreeRTOS V10.1.0 开始，FreeRTOS+UDP 已从 FreeRTOS 内核下载包中移除。请参阅
FreeRTOS+TCP 堆栈，此堆栈可配置为仅使用 UDP，作为
替代方案。
要点总结
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FreeRTOS-Plus-UDP 具有非常高效的零拷贝架构。根据 嵌入式以太网外围设备驱动程序的实现 以及用户选择的 API 调用语义，以太网数据包可以通过引用 从接收 DMA 缓冲区传递，通过堆栈，一路回传至传输 DMA 缓冲区。
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影响性能的因素：
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可重入性
FreeRTOS-Plus-UDP 具有完全可重入性和线程感知特征，这意味着 所有 RTOS 任务可同时安全使用 IP 堆栈。然而，这种灵活性是以牺牲一些时间效率为代价的， 这是因必须进行消息传递和上下文切换 以确保序列化访问 IP 堆栈（以受控方式进行，防止数据损坏）所致。
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缓冲区分配
嵌入式以太网（或其他嵌入式网络）外围设备接收的数据放置在 IP 堆栈预分配的缓冲区中。用户发送消息时，消息内容 放置在 IP 堆栈分配的缓冲区中。不同的缓冲区分配方案适用于 不同的嵌入式应用程序。FreeRTOS-Plus-UDP 目前包含两种缓冲区分配方案， 每种方案在简单性、RAM 使用效率和性能之间有着不同的权衡取舍。本页 描述了这两种方案。
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缓冲区分配方案
实现缓冲区分配方案的 C 源文件位于 FreeRTOS-Plus/FreeRTOS-Plus-UDP/portable/BufferManagement 目录中。一次只能使用一种方案。
方案 1：由 BufferAllocation_1.c 实现
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描述
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以太网缓冲区描述符 由 IP 堆栈（在编译时）静态分配。
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以太网缓冲区由嵌入式以太网外围设备驱动程序（在编译时）静态分配。 这可确保缓冲区根据特定以太网硬件的要求进行对齐。
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属性
- 运行时性能高。
- 可以从中断中分配和释放以太网缓冲区， 从而提高嵌入式以太网外围设备驱动程序的效率。
- RAM 使用效率低：所有缓冲区大小相同，因此 BufferAllocation_1.c 不适合 某些 RAM 受限的嵌入式系统。
- 与由 BufferAllocation_2 实现的方案相比，此方案在配置和调整上更复杂。
- 更容易实现嵌入式以太网 外围设备 DMA 提出的特殊缓冲区对齐要求。
- 需要网络接口驱动程序的支持（请参阅上文的要点描述部分）。
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用法
- 利用 ipconfigNUM_NETWORK_BUFFERS 常量（在 FreeRTOSIPConfig.h 中定义） 定义可用缓冲区的总数。
- 利用 ipconfigNETWORK_MTU 常量（在 FreeRTOSIPConfig.h 中定义） 定义每个以太网帧的大小（总大小为定义的 MTU 大小加上 以太网标头所需的字节数）。
方案 2：由 BufferAllocation_2.c 实现
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描述
- 以太网缓冲区描述符 由 IP 堆栈（在编译时）静态分配。如此一来，用户可以限制 任意时间的以太网帧总数，以防止内存耗尽。
- 根据需要动态分配和释放所需大小的以太网缓冲区。
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属性
- 与 BufferAllocation_1.c 实现的方案相比， 动态分配会导致运行时性能降低。
- 无法从中断中分配和释放以太网缓冲区，因此需要在嵌入式以太网外围设备驱动程序中使用 延迟中断处理任务。
- RAM 使用效率很高：精确分配所需大小的 RAM，因此 BufferAllocation_2.c 特别适合 RAM 受限的小型嵌入式系统。
- 与由 BufferAllocation_1 实现的方案相比，此方案在配置和调整上更简单。
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用法
- 利用 ipconfigNUM_NETWORK_BUFFERS 常量（在 FreeRTOSIPConfig.h 中定义） 定义可用网络缓冲区描述符的总数。这些描述符包含指向 以太网缓冲区的指针，但实际上并不包含缓冲区本身。缓冲区是按需分配的。
- 从 FreeRTOS 堆中分配以太网缓冲区。为避免内存碎片问题， BufferAllocation_2.c 只有与合并了 堆内存空闲块的内存分配方案（合并算法）一起使用时才可靠。heap_4.c 中实现的 FreeRTOS 内存分配方案 是合适的。
- 由于堆内存不足而导致分配网络缓冲区的尝试失败时， IP 堆栈将能够恢复正常。但是，这种失败会导致 malloc 失败钩子函数被调用 （如果 configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK 在 FreeRTOSConfig.h 中设置为 1）。