网络互联将是嵌入式系统的发展趋势

网络互联将是嵌入式系统的发展趋势

互连嵌入式系统的演变 过去嵌入式系统通常是深嵌于最终产品之中，以系统控制为基础，一般不与外界连接。其微控制器在一个相当封闭的系统中工作，定时查询外设、收集数据、完成简单的处理工作，以及控制开关和LED指示灯。此外，微控制器也进行少量的数据操作或数据传输。

互连嵌入式系统的演变

      过去嵌入式系统通常深嵌于最终产品之中，以系统控制为基础，一般不与外界连接。其微控制器在一个相当封闭的系统中工作，定时查询外设、收集数据、完成简单的处理工作，以及控制开关和LED指示灯。此外，微控制器也进行少量的数据操作或数据传输。由于它们不会与局域网 （LAN）或互联网（Internet）连接，所以不存在保安的问题。然而，一切现在都改变了。现今的嵌入式系统一般都要连接到局域网，这样就有数十、甚至上百个控制器连接在一起。举例说，汽车制造和工业控制领域中的CAN有上百个微控制器在相互作用；ZigBee 无线控制网络也有若多数量的微控制器互连在一起。而且，随着嵌入式网络越来越复杂（因此需要更大的网络带宽和更远的传输距离），嵌入式以太网也开始涉足于工业控制、建筑物自动化、医疗和保安产品市场。

      目前市场的发展趋势是将这些局域网需要通过企业内联网或外联网特别是互联网与外界连接。嵌入式系统联网要求的不断增加，导致微控制器必须具备更多性能：更强的互连性，增加程序和数据内存空间来支持相应的通信协议，提高性能和处理带宽以进行系统传输数据、执行通信协议和提供严密的保安能力。在需要通过内联网或互联网监控CAN或ZigBee 网络的应用环境中，嵌入式微控制器必须能支持10/100M以太网、CAN、ZigBee 网络以及其他网络协议，更必须具有先进的安全加密算法。

      另一个影响嵌入式系统的因素是通用串行总线 （USB） 的快速普及，尤其是在 PC 及其外设领域。与提供基本通信链路的传统通用异步收发器 （UART） 接口不同，USB是一种内置丰富驱动程序的即插即用式总线接口，能缩短开发周期和设备安装时间。不但设计员喜欢这种接口，终端用户也因为不必为新购的外设安装加载新的设备驱动程序而乐于使用。再考虑到采用笔记本电脑对复印机、自助售货机、ATM机，工厂自动化设备、家用安全系统等完成系统设置和现场服务，可以预计USB在嵌入式系统将占一重要席位。新款的笔记本电脑都只配备了USB接口，所以由它们服务的系统也必须有USB接口，否则这些系统便得采用旧款PC或USB适配器。

      还有一点，随着嵌入式系统越来越多地通过使用外部网络来监控，尤其是该系统可以通过互联网或无线网络来访问时，对保安的要求必然会更高。没有人能容忍局外人恶意破坏系统、关断防火报警系统，或随便打开输油管的阀门，所以保安就成为了嵌入式系统非常重要的一环。

对微控制器结构的意义：高带宽、高互连性、高可预见性

      嵌入式系统朝着嵌入式网络的趋势发展从根本上改变了其结构，而结构却是人们在选择一个微控制器时必须考虑的。微控制器必须具有多种网络协议接口，能传输并验证大量数据，足够的安全性以及内存和处理能力，以容纳众多的协议堆栈；而且，在许多情况下，还必须在能耗很少的前提下完成这些任务。8位和16位处理器显然在内存资源和处理能力上达不到这些要求，许然需要 8 位和 16 位处理器具备的“确定过程式性能” （deterministic performance） 和监管功能，而这些对32位处理器来说却很罕有。此外，对成本敏感的系统还得与8位和16位微控制器的价格相若，而且配套开发工具的价格也必须容易接受。

      要适应嵌入式市场不断增的互连需求和支持这类应用的实时性要求，这种处理器还是不够的。要满足现今的互连应用环境，嵌入式微控制器需要能够支持多种通信协议、高速数据传输，系统安全和确定过程式实时处理。Atmel公司的SAM7 微控制器系列基于ARM技术，并具有USB接口，其最新的SAM7X 微控制器正朝着上述的领域发展。这种微控制器的工作频率达50 MIPS，配备片上以太网和CAN通信协议，采用硬件实现的AES/3DES加密技术，安全键存储技术以及各种外部接口包括USB、USART、串行外围接口 （SPI）、同步串行接口 （SSC）、双线接口SSC/I2S和双线接口 （TWI）。该微控制器采用一个外设DMA控制器独立实现高速数据的传输，无需占用 ARM7 处理器资源，并具有 8 位和 16 位处理器常备的实时系统控制功能 （32 位系统很少有这些功能），包括欠压检测器、上电复位电路、实时时钟和监控定时器。SAM7X 微控制器还包括一些外设：一个 10位模数转换器、脉冲宽度调制以及功率管理控制器。SAM7X 的存储密度从 128 到 256Kbit 闪存和 32到 64Kbit SRAM 不等。这些功能才可真正满足嵌入式网络环境的需求。

嵌入式互连的发展趋势

      随着越来越多设备互连在一起，连接电缆的长度和网络带宽均大幅增长。最大带宽为1Mbps的CAN网络逐渐达到极限，开始被100Mbps以太网取代。事实上，以太网和互联网使用的都是相同的通信协议，即TCP/IP。由于在将一个远程传感器通过互联网连接到某一台PC时无需转换协议，因此整个网络便会简化，设备的互操作性得以增强。采用互联网这类公共通信网络对安全性的要求也大为提高。不过，CAN 也不会在一夜之间消失，而是继续存在于嵌入式网络世界内一段时间。ZigBee 很可能在低数据传输率控制应用中占一重要席位；而与PC 连接方面， USB 势将成为标准。

      通用串行接口 （USB） 是一种用于将外设作为即插即用设备连接到PC上的接口标准。因此，USB替代了PC上的串行接口 （UART），而且比后者的传输速率更大，在全速模式下可达12Mbps。

      随着以太网协议渗透到嵌入式领域，嵌入式系统网络必须能与以太网络接口。SAM7X采用10/100-Mbps IEEE 802.3兼容的以太网媒体访问控制器，该控制器可配置为全双工或半双工模式，并有一个能确保提供100Mbps数据吞吐速率的专用 DMA控制器；可编程的数据包收发间隔，并支持虚拟局域网标记帧以及自动暂停帧的生成及终止功能。双模式接口能让SAM7X通过媒体独立接口或简化的媒体独立接口 （RMII） ，无缝地接入高速以太网应用中的各种物理层 （PHY） 。MII 能扩大系统在物理层的选择，而RMII 则可节省微控制器上的一些 I/O。SAM7X MCU 可直接与 POS-PHY 第2层／SPI-3 兼容的设备连接，包括与标准网络处理器连接。通过片上系统缓冲器进行的无损失流量控制，可省去外部存储器或流量控制装置。此外，还支持高达10240字节的巨型帧。SAM7X 的地址检查器能识别4个特定的48位地址，并包含一个64位散列寄存器，用于匹配多点广播和单点广播地址。它能识别所有广播地址，复制所有数据帧，并可用于匹配外部地址。其统计寄存器模块包含各种寄存器，用于记录与收发操作相关的各种事件。这些寄存器与存储在接收缓冲列表中的状态字可通过软件读取，生成符合 IEEE 802.3 标准的网络管理统计数据。