本文刊載於新電子科技雜誌第256期2007年七月號
Machine-to-Machine需求帶動

微控制器連網應用看漲

    因應遠端監控應用及通訊需求逐漸攀升之發展趨勢,具備乙太連網功能的嵌入式系統,未來行情將持續看漲。針對Machine to Machine(M2M)需求的嵌入式網路解決方案將成為未來的市場趨勢,本文將探討微控制器在通訊應用的技術解決方案,並提出滿足嵌入式系統小型化的具體建議。

   王暑衛

    嵌入式系統一般指非PC系統,具有PC的基本功能,但又不能把它稱之為電腦設備,主要由微控制器、相關客製化硬體、嵌入式作業系統及應用軟體系統等組成,其應用領域極廣,其架構大到如工廠自動化控制系統,小至手持式消費性產品,並以各式各樣應用形式隱藏在我們生活中。不論是製造業或通訊產業都獲得廣泛使用,使得嵌入式產品漸漸地在市場中成為矚目的焦點,造就嵌入式產品市場需求逐步提高的情況。
    長久以來,微控制器一直都是嵌入式系統的主要元件,晶片設計業者紛紛積極搶入。2006年全球微控制器市場的營業額達美金$12 Billions,目前仍以8位元微控制器的市場最大,2006年的市場佔有率達39%,較2004年的42%微幅縮小。2006年16位元微控制器的市場佔有率居次,與2004年同為31%,算是持平。至於32位元微控制器的市場佔有率則從2004年之27%成長至2006年的30%。由於8位元微控制器的單價較低,若以出貨量來看,仍然囊括過半的比率。
    針對嵌入式系統應用而設計的微控制器著重控制功能,並以整合度為第一優先考量,晶片設計業者會根據應用需求將運算、記憶體、輸出入介面及通訊介面做不同程度的整合。為了擴大市場佔有率,不論是8位元、16位元或32位元微控制器的晶片設計業者,無不使出渾身解數以取得客戶的青睞,微控制器的功能及整合度也就越來越高,比如加強類比的支援、整合新的周邊、提供更高的工作頻率、更好的規格、更小的晶片封裝以及更完善的技術支援。
    關於連網技術,基於容易使用、低價、高頻寬、高穩定性、安全性佳以及相容性佳等優點,乙太網路已成為無所不在的連網方式,成為最具吸引力之嵌入式系統連網技術。因應遠端監控應用需求逐漸攀升之發展趨勢,具備乙太連網功能的嵌入式系統,未來行情將持續看漲。

嵌入式乙太網路解決方案有多種選擇

    嵌入式乙太網路裝置大致可分為八種不同的方案(圖1),嵌入式系統設計人員必須視微控制器本身所具備的輸出入介面來選用合適的連網解決方案。第一至第三種方案則是針對微控制器已內建乙太網路控制器(即網路微控制器)來選擇,其中第一種為整合度最高之單晶片解決方案。第四至第八種方案乃針對微控制器未內建乙太網路控制器,可根據微控制器本身具備之串列介面(如USB Host)或並列介面(如Non-PCI Local Bus或PCI Bus),來選擇合適之外接式乙太網路控制器。



圖1 根據微控制器所具備的條件來選用合適的連網解決方案


    若以微控制器的位元數來看,圖1之第一種乙太網路微控制器單晶片,過去僅有16位元或32位元微控制器率先切入,值得一提的是,近來為了滿足嵌入式系統小型化及高整合度需求,高速8位元網路MCU興起,亞信電子(ASIX Electronics)新推出一款世界上最小的8位元單晶片乙太網路MCU AX11005BF (如圖7右下所示),新元件為全球首款採用8x8mm 80引腳TFBGA封裝,將10/100Mbps高速乙太網路實體層(PHY)、媒體存取控制器(MAC)、TCP/IP加速器及內建512KB快閃記憶體的高效能8位元微控制器整合成單晶片。AX11005BF是針對目前應用最廣泛的嵌入式乙太網路應用提供業界最小外觀的單晶片解決方案,工程師將可利用此款單晶片設計開發高效能、低功耗、且精簡的嵌入式系統,並可有效縮小板材面積以滿足降低成本及小型化的市場需求。


    第二種不論8位元、16位元或32位元微控制器皆有業者切入,第三種則以16位元或32位元微控制器居多。不論是第四、五種之PCI Bus或第八種之USB Host皆僅有32位元之高階微控制器支援,至於第六、七種之Non-PCI Bus則獲得8位元、16位元或32位元微控制器的廣泛支援。

Non-PCI微控制器的連網方式

    茲舉圖1當中三種常見的方案(第一、六、八種),就其應用領域進一步詳述,圖2所示之方案是針對嵌入式系統之微控器本身尚未具有PCI匯流排,但具備Non-PCI匯流排或SRAM-like介面,則該系統可選用內建網路實體層及媒體存取控制器的Non-PCI乙太網路控制器來提供連網功能,此即圖1之第六種嵌入式乙太網路解決方案。由於大部分的微控器皆提供Non-PCI local bus,可選擇本方案提供單埠的連網功能。


圖2 利用Non-PCI Ethernet,透過網際網路進行遠端監控或存取遠端裝置


本方案適用於家電、工廠/大樓自動化、工業控制、保全系統、遠端監控管理、串流媒體、多媒體網路、高頻寬傳輸等領域的應用,如圖3所示包括POS終端機、無線區域網路基地台、寬頻分享器、IP語音、影音內容分發、IP機上盒、網路攝影機、網路儲存、數位錄放影機、DVD錄放影機、高畫質數位電視、數位媒體轉接器、遊戲機、家用閘道器及IP電視。


圖3 微控制器搭配Non-PCI 乙太網路控制晶片之應用領域


USB Host微控制器的連網方式

    圖4所示之方案是若嵌入式系統之微控器已內建USB Host,可選擇內建或外接USB-to-LAN控制器,此即圖1之第八種嵌入式乙太網路解決方案。本方案是將USB 2.0轉Fast Ethernet/Gigabit Ethernet網路通訊晶片內建至嵌入式裝置所搭配的Cradle、Port Replicator或Docking Station,由於USB2.0埠僅需四根接腳,可較上述Non-PCI平行匯流排方案減少許多嵌入式裝置與Cradle或Docking Station之間的接腳數。另一種方法是利用嵌入式裝置本身所具備之USB Host埠透過外接式USB-to-LAN dongle連至乙太網路。也就是利用USB2.0高速及簡單的串列接腳特性,來達成網路效能提昇的優點。




圖4 利用USB-to-LAN高速及簡單的串列接腳特性,達成網路效能提昇的優點


    其實本解決方案背後的概念相當簡單,USB的優勢在於其"即插即用"的方便性,用戶僅需插入便可立即使用該外接設備,USB僅利用串列的四根訊號即提供高達480Mbps的傳輸速度。本方案適用於電腦週邊、手持式裝置、家電、串流媒體、多媒體網路、高頻寬傳輸及影音消費性電子產品等領域的應用,如圖5所示包括USB乙太網卡、USB WiMAX網卡、UMPC、電腦基座(Docking Station)、Cradle、數位錄放影機、DVD錄放影機、可攜式多媒體播放器、網路機頂盒、遊戲機、IP電視及USB KVM乙太網路交換器。


圖5 微控制器搭配USB轉乙太網路控制晶片之應用領域


網路微控制器單晶片的連網方式

    圖6所示之方案是嵌入式系統之微控器本身除了內建媒體存取控制器之外,亦進一步整合網路實體層,如此一來即可提供單晶片連網解決方案,縮小嵌入式系統之體積,此即圖1之第一種嵌入式乙太網路解決方案。本方案適用於家電、工廠/大樓自動化、工業控制、保全系統、遠端監控管理、串流媒體等領域的應用,如POS終端機、自動販賣機、網路攝影機、網路收音機、自動抄表機、環境監控裝置、網路感測器、網路不斷電系統、串列轉乙太網路轉換器及乙太網路轉ZigBee橋接器。



圖6 直接連至網際網路的網路微控制器單晶片


縮小體積以滿足小型化市場需求方案

    嵌入式系統設計人員一直都希望能在設計中加入遠端監測和通訊功能,但經常面臨的難題就是一方面要整合更多的產品功能,另一方面又必須符合不增加裝置體積的前提,因為縮小體積可降低系統成本(包括PCB板材、機構及晶片成本)及功耗。為了符合嵌入式乙太網路裝置逐漸往小型化的發展趨勢,晶片供應商提出數種滿足小型化需求的方法,其一為選擇小尺吋晶片封裝,如圖7下方所示64接腳封裝或TFBGA封裝,僅達最小美元硬幣的四分之一;其二為選擇高整合度的單晶片,如圖7右下所示的網路微控制器單晶片即整合了10/100Mbit/s高速乙太網路實體層、媒體存取控制器、TCP/IP加速器及快閃記憶體,可大幅縮小嵌入式乙太網路裝置的體積。




圖7 微控制器在通訊應用的技術解決方案


任天堂Wii計畫利用具備連網功能微控制器

    Wii自去年11月19日於北美上市後即氣勢如虹,至今仍持續熱賣暢銷。Wii主機內的微控制器採用IBM以PowerPC 750CL為基礎之Broadway,製程為90nm SOI CMOS。關於Wii的連線功能,Wii僅內建Wi-Fi 802.11b/g無線網路,如果使用者家中不具備無線網路設備,或者使用者希望增進上網的效能與穩定度,則可選購任天堂所推出的USB有線網路轉接器(圖8),然後連接至Wii主機後面配置的USB 2.0介面,即可享受上網的樂趣。


    目前Wii所提供的網路功能包括:閱覽氣象預報與新聞、收發電子郵件、瀏覽網頁、分享Mii及下載遊戲與軟體。另外任天堂亦推出WiiConnect24的新網路服務,利用當Wii處於低噪音、低耗電的待機模式時,可連線至網際網路下載來自遊戲廠商的各種最新資料,利用使用者休息的時候自動取得最新資料,將資料保存於Flash記憶體中。


    此外,日本網路公司 DragonField先前還推出網路影片投稿部落格「DOGGA」,增設任天堂Wii主機瀏覽專用的網頁「CGM TV!DOGGAWii」,其功能與時下最流行的YouTube 網站功能類似。玩家透過家裡的電視機,可以利用Wii主機搭配亞信電子USB LAN adapter所組成的網路瀏覽功能,坐在客廳的沙發上即可輕鬆瀏覽http://www.dogga.jp/網頁上,網友投稿的超人氣網路影片。


圖8 任天堂Wii採用亞信電子提供的AX88772 USB LAN Adapter上網解決方案


微控制器搶進嵌入式網路市場

    因應機器對機器的發展趨勢,具備嵌入式裝置連網功能的微控制器行情看漲,以Wii目前熱銷的狀況來看,亦可嗅出此端倪。其他熱門的通訊應用還包括,未來網路電視(IPTV)與隨選電視(MOD)隨著寬頻環境與新型態網路商業模式一起逐漸到位,使用者將可以從網路上選擇成千上百種高畫質的節目。我們相信當愈來愈多的嵌入式系統將網路功能納為主要內建系統時,它將會為微控制器市場帶來重大的影響,並推動新一波的成長。


(作者為亞信電子公司ASIX Electronics Corporation市場處協理)