網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)將是嵌入式系統的發(fā)展趨勢

互連嵌入式系統的演變 過(guò)去嵌入式系統通常是深嵌于最終產(chǎn)品之中，以系統控制為基礎，一般不與外界連接。其微控制器在一個(gè)相當封閉的系統中工作，定時(shí)查詢(xún)外設、收集數據、完成簡(jiǎn)單的處理工作，以及控制開(kāi)關(guān)和LED指示燈。此外，微控制器也進(jìn)行少量的數據操作或數據傳輸。

互連嵌入式系統的演變

過(guò)去嵌入式系統通常深嵌于最終產(chǎn)品之中，以系統控制為基礎，一般不與外界連接。其微控制器在一個(gè)相當封閉的系統中工作，定時(shí)查詢(xún)外設、收集數據、完成簡(jiǎn)單的處理工作，以及控制開(kāi)關(guān)和LED指示燈。此外，微控制器也進(jìn)行少量的數據操作或數據傳輸。由于它們不會(huì )與局域網(wǎng) (LAN)或互聯(lián)網(wǎng)(Internet)連接，所以不存在保安的問(wèn)題。然而，一切現在都改變了?，F今的嵌入式系統一般都要連接到局域網(wǎng)，這樣就有數十、甚至上百個(gè)控制器連接在一起。舉例說(shuō)，汽車(chē)制造和工業(yè)控制領(lǐng)域中的CAN有上百個(gè)微控制器在相互作用;ZigBee 無(wú)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )也有若多數量的微控制器互連在一起。而且，隨著(zhù)嵌入式網(wǎng)絡(luò )越來(lái)越復雜(因此需要更大的網(wǎng)絡(luò )帶寬和更遠的傳輸距離)，嵌入式以太網(wǎng)也開(kāi)始涉足于工業(yè)控制、建筑物自動(dòng)化、醫療和保安產(chǎn)品市場(chǎng)。

目前市場(chǎng)的發(fā)展趨勢是將這些局域網(wǎng)需要通過(guò)企業(yè)內聯(lián)網(wǎng)或外聯(lián)網(wǎng)特別是互聯(lián)網(wǎng)與外界連接。嵌入式系統聯(lián)網(wǎng)要求的不斷增加，導致微控制器必須具備更多性能：更強的互連性，增加程序和數據內存空間來(lái)支持相應的通信協(xié)議，提高性能和處理帶寬以進(jìn)行系統傳輸數據、執行通信協(xié)議和提供嚴密的保安能力。在需要通過(guò)內聯(lián)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)監控CAN或ZigBee 網(wǎng)絡(luò )的應用環(huán)境中，嵌入式微控制器必須能支持10/100M以太網(wǎng)、CAN、ZigBee 網(wǎng)絡(luò )以及其他網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，更必須具有先進(jìn)的安全加密算法。

另一個(gè)影響嵌入式系統的因素是通用串行總線(xiàn) (USB) 的快速普及，尤其是在 PC 及其外設領(lǐng)域。與提供基本通信鏈路的傳統通用異步收發(fā)器 (UART) 接口不同，USB是一種內置豐富驅動(dòng)程序的即插即用式總線(xiàn)接口，能縮短開(kāi)發(fā)周期和設備安裝時(shí)間。不但設計員喜歡這種接口，終端用戶(hù)也因為不必為新購的外設安裝加載新的設備驅動(dòng)程序而樂(lè )于使用。再考慮到采用筆記本電腦對復印機、自助售貨機、ATM機，工廠(chǎng)自動(dòng)化設備、家用安全系統等完成系統設置和現場(chǎng)服務(wù)，可以預計USB在嵌入式系統將占一重要席位。新款的筆記本電腦都只配備了USB接口，所以由它們服務(wù)的系統也必須有USB接口，否則這些系統便得采用舊款 PC或USB適配器。

還有一點(diǎn)，隨著(zhù)嵌入式系統越來(lái)越多地通過(guò)使用外部網(wǎng)絡(luò )來(lái)監控，尤其是該系統可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，對保安的要求必然會(huì )更高。沒(méi)有人能容忍局外人惡意破壞系統、關(guān)斷防火報警系統，或隨便打開(kāi)輸油管的閥門(mén)，所以保安就成為了嵌入式系統非常重要的一環(huán)。

對微控制器結構的意義：高帶寬、高互連性、高可預見(jiàn)性

嵌入式系統朝著(zhù)嵌入式網(wǎng)絡(luò )的趨勢發(fā)展從根本上改變了其結構，而結構卻是人們在選擇一個(gè)微控制器時(shí)必須考慮的。微控制器必須具有多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議接口，能傳輸并驗證大量數據，足夠的安全性以及內存和處理能力，以容納眾多的協(xié)議堆棧;而且，在許多情況下，還必須在能耗很少的前提下完成這些任務(wù)。8位和16位處理器顯然在內存資源和處理能力上達不到這些要求，許然需要 8 位和 16 位處理器具備的“確定過(guò)程式性能” (deterministic performance) 和監管功能，而這些對32位處理器來(lái)說(shuō)卻很罕有。此外，對成本敏感的系統還得與8位和16位微控制器的價(jià)格相若，而且配套開(kāi)發(fā)工具的價(jià)格也必須容易接受。

要適應嵌入式市場(chǎng)不斷增的互連需求和支持這類(lèi)應用的實(shí)時(shí)性要求，這種處理器還是不夠的。要滿(mǎn)足現今的互連應用環(huán)境，嵌入式微控制器需要能夠支持多種通信協(xié)議、高速數據傳輸，系統安全和確定過(guò)程式實(shí)時(shí)處理。Atmel公司的SAM7 微控制器系列基于A(yíng)RM技術(shù)，并具有USB接口，其最新的SAM7X 微控制器正朝著(zhù)上述的領(lǐng)域發(fā)展。這種微控制器的工作頻率達50 MIPS，配備片上以太網(wǎng)和CAN通信協(xié)議，采用硬件實(shí)現的AES/3DES加密技術(shù)，安全鍵存儲技術(shù)以及各種外部接口包括USB、USART、串行外圍接口 (SPI)、同步串行接口 (SSC)、雙線(xiàn)接口SSC/I2S和雙線(xiàn)接口 (TWI)。該微控制器采用一個(gè)外設DMA控制器獨立實(shí)現高速數據的傳輸，無(wú)需占用 ARM7 處理器資源，并具有 8 位和 16 位處理器常備的實(shí)時(shí)系統控制功能 (32 位系統很少有這些功能)，包括欠壓檢測器、上電復位電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和監控定時(shí)器。SAM7X 微控制器還包括一些外設：一個(gè) 10位模數轉換器、脈沖寬度調制以及功率管理控制器。SAM7X 的存儲密度從 128 到 256Kbit 閃存和 32到 64Kbit SRAM 不等。這些功能才可真正滿(mǎn)足嵌入式網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的需求。

嵌入式互連的發(fā)展趨勢

隨著(zhù)越來(lái)越多設備互連在一起，連接電纜的長(cháng)度和網(wǎng)絡(luò )帶寬均大幅增長(cháng)。最大帶寬為1Mbps的CAN網(wǎng)絡(luò )逐漸達到極限，開(kāi)始被100Mbps以太網(wǎng)取代。事實(shí)上，以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)使用的都是相同的通信協(xié)議，即TCP/IP。由于在將一個(gè)遠程傳感器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到某一臺PC時(shí)無(wú)需轉換協(xié)議，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò )便會(huì )簡(jiǎn)化，設備的互操作性得以增強。采用互聯(lián)網(wǎng)這類(lèi)公共通信網(wǎng)絡(luò )對安全性的要求也大為提高。不過(guò)，CAN 也不會(huì )在一夜之間消失，而是繼續存在于嵌入式網(wǎng)絡(luò )世界內一段時(shí)間。ZigBee 很可能在低數據傳輸率控制應用中占一重要席位;而與PC 連接方面， USB 勢將成為標準。

通用串行接口 (USB) 是一種用于將外設作為即插即用設備連接到PC上的接口標準。因此，USB替代了PC上的串行接口 (UART)，而且比后者的傳輸速率更大，在全速模式下可達12Mbps。

隨著(zhù)以太網(wǎng)協(xié)議滲透到嵌入式領(lǐng)域，嵌入式系統網(wǎng)絡(luò )必須能與以太網(wǎng)絡(luò )接口。SAM7X采用10/100-Mbps IEEE 802.3兼容的以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器，該控制器可配置為全雙工或半雙工模式，并有一個(gè)能確保提供100Mbps數據吞吐速率的專(zhuān)用 DMA控制器;可編程的數據包收發(fā)間隔，并支持虛擬局域網(wǎng)標記幀以及自動(dòng)暫停幀的生成及終止功能。雙模式接口能讓SAM7X通過(guò)媒體獨立接口或簡(jiǎn)化的媒體獨立接口 (RMII) ，無(wú)縫地接入高速以太網(wǎng)應用中的各種物理層 (PHY) 。MII 能擴大系統在物理層的選擇，而RMII 則可節省微控制器上的一些 I/O。SAM7X MCU 可直接與 POS-PHY 第2層/SPI-3 兼容的設備連接，包括與標準網(wǎng)絡(luò )處理器連接。通過(guò)片上系統緩沖器進(jìn)行的無(wú)損失流量控制，可省去外部存儲器或流量控制裝置。此外，還支持高達10240字節的巨型幀。SAM7X 的地址檢查器能識別4個(gè)特定的48位地址，并包含一個(gè)64位散列寄存器，用于匹配多點(diǎn)廣播和單點(diǎn)廣播地址。它能識別所有廣播地址，復制所有數據幀，并可用于匹配外部地址。其統計寄存器模塊包含各種寄存器，用于記錄與收發(fā)操作相關(guān)的各種事件。這些寄存器與存儲在接收緩沖列表中的狀態(tài)字可通過(guò)軟件讀取，生成符合 IEEE 802.3 標準的網(wǎng)絡(luò )管理統計數據。