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

微控制器连网应用看涨

    因应远程监控应用及通讯需求逐渐攀升之发展趋势,具备以太连网功能的嵌入式系统,未来行情将持续看涨。针对Machine to Machine(M2M)需求的嵌入式网络解决方案将成为未来的市场趋势,本文将探讨微控制器在通讯应用的技术解决方案,并提出满足嵌入式系统小型化的具体建议。

   n 王暑卫

    嵌入式系统一般指非PC系统,具有PC的基本功能,但又不能把它称之为计算机设备,主要由微控制器、相关客制化硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成,其应用领域极广,其架构大到如工厂自动化控制系统,小至掌上型消费性产品,并以各式各样应用形式隐藏在我们生活中。不论是制造业或通讯产业都获得广泛使用,使得嵌入式产品渐渐地在市场中成为瞩目的焦点,造就嵌入式产品市场需求逐步提高的情况。
    长久以来,微控制器一直都是嵌入式系统的主要组件,芯片设计业者纷纷积极抢入。2006年全球微控制器市场的营业额达美金$12 Billions,目前仍以8位微控制器的市场最大,2006年的市场占有率达39%,较2004年的42%微幅缩小。2006年16位微控制器的市场占有率居次,与2004年同为31%,算是持平。至于32位微控制器的市场占有率则从2004年之27%成长至2006年的30%。由于8位微控制器的单价较低,若以出货量来看,仍然囊括过半的比率。
    针对嵌入式系统应用而设计的微控制器着重控制功能,并以整合度为第一优先考量,芯片设计业者会根据应用需求将运算、内存、输出入接口及通讯接口做不同程度的整合。为了扩大市场占有率,不论是8位、16位或32位微控制器的芯片设计业者,无不使出浑身解数以取得客户的青睐,微控制器的功能及整合度也就越来越高,比如加强模拟的支持、整合新的周边、提供更高的工作频率、更好的规格、更小的芯片封装以及更完善的技术支持。
    关于连网技术,基于容易使用、低价、高频宽、高稳定性、安全性佳以及兼容性佳等优点,以太网络已成为无所不在的连网方式,成为最具吸引力之嵌入式系统连网技术。因应远程监控应用需求逐渐攀升之发展趋势,具备以太连网功能的嵌入式系统,未来行情将持续看涨。

嵌入式以太网络解决方案有多种选择

    嵌入式以太网络装置大致可分为八种不同的方案(图1),嵌入式系统设计人员必须视微控制器本身所具备的输出入接口来选用合适的连网解决方案。第一至第三种方案则是针对微控制器已内建以太网络控制器(即网络微控制器)来选择,其中第一种为整合度最高之单芯片解决方案。第四至第八种方案乃针对微控制器未内建以太网络控制器,可根据微控制器本身具备之串行接口(如USB Host)或并列接口(如Non-PCI Local Bus或PCI Bus),来选择合适之外接式以太网络控制器。



图1根据微控制器所具备的条件来选用合适的连网解决方案


    若以微控制器的位数来看,图1之第一种以太网络微控制器单芯片,过去仅有16位或32位微控制器率先切入,值得一提的是,近来为了满足嵌入式系统小型化及高整合度需求,高速8位网络MCU兴起,亚信电子(ASIX Electronics)新推出一款世界上最小的8位单芯片以太网络MCU AX11005BF (如图7右下所示),新组件为全球首款采用8x8mm 80引脚TFBGA封装,将10/100Mbps高速以太网络实体层(PHY)、媒体存取控制器(MAC)、TCP/IP加速器及内建512KB闪存的高效能8位微控制器整合成单芯片。AX11005BF是针对目前应用最广泛的嵌入式以太网络应用提供业界最小外观的单芯片解决方案,工程师将可利用此款单芯片设计开发高效能、低功耗、且精简的嵌入式系统,并可有效缩小板材面积以满足降低成本及小型化的市场需求。


    第二种不论8位、16位或32位微控制器皆有业者切入,第三种则以16位或32位微控制器居多。不论是第四、五种之PCI Bus或第八种之USB Host皆仅有32位之高阶微控制器支持,至于第六、七种之Non-PCI Bus则获得8位、16位或32位微控制器的广泛支持。

Non-PCI微控制器的连网方式

    兹举图1当中三种常见的方案(第一、六、八种),就其应用领域进一步详述,图2所示之方案是针对嵌入式系统之微控器本身尚未具有PCI总线,但具备Non-PCI总线或SRAM-like接口,则该系统可选用内建网络实体层及媒体存取控制器的Non-PCI以太网络控制器来提供连网功能,此即图1之第六种嵌入式以太网络解决方案。由于大部分的微控器皆提供Non-PCI local bus,可选择本方案提供单端口的连网功能。


图2 利用Non-PCI Ethernet,透过因特网进行远程监控或存取远程装置


本方案适用于家电、工厂/大楼自动化、工业控制、保全系统、远程监控管理、串流媒体、多媒体网络、高频宽传输等领域的应用,如图3所示包括POS终端机、无线局域网络基地台、宽频分享器、IP语音、影音内容分发、IP机上盒、网络摄影机、网络储存、数字录放机、DVD录放机、高画质数字电视、数字媒体转接器、游戏机、家用网关器及IP电视。


图3微控制器搭配Non-PCI 以太网络控制芯片之应用领域


USB Host微控制器的连网方式

    图4所示之方案是若嵌入式系统之微控器已内建USB Host,可选择内建或外接USB-to-LAN控制器,此即图1之第八种嵌入式以太网络解决方案。本方案是将USB 2.0转Fast Ethernet/Gigabit Ethernet网络通讯芯片内建至嵌入式装置所搭配的Cradle、Port Replicator或Docking Station,由于USB2.0埠仅需四根接脚,可较上述Non-PCI并行总线方案减少许多嵌入式装置与Cradle或Docking Station之间的接脚数。另一种方法是利用嵌入式装置本身所具备之USB Host埠透过外接式USB-to-LAN dongle连至以太网络。也就是利用USB2.0高速及简单的串行接脚特性,来达成网络效能提升的优点。




图4 利用USB-to-LAN高速及简单的串行接脚特性,达成网络效能提升的优点


    其实本解决方案背后的概念相当简单,USB的优势在于其"即插即用"的方便性,用户仅需插入便可立即使用该外接设备,USB仅利用串行的四根讯号即提供高达480Mbps的传输速度。本方案适用于计算机外设、掌上型装置、家电、串流媒体、多媒体网络、高频宽传输及影音消费性电子产品等领域的应用,如图5所示包括USB以太网卡、USB WiMAX网卡、UMPC、计算机基座(Docking Station)、Cradle、数字录放机、DVD录放机、可携式多媒体播放器、网络机顶盒、游戏机、IP电视及USB KVM以太网络交换器。


图5微控制器搭配USB转以太网络控制芯片之应用领域


网络微控制器单芯片的连网方式

    图6所示之方案是嵌入式系统之微控器本身除了内建媒体存取控制器之外,亦进一步整合网络实体层,如此一来即可提供单芯片连网解决方案,缩小嵌入式系统之体积,此即图1之第一种嵌入式以太网络解决方案。本方案适用于家电、工厂/大楼自动化、工业控制、保全系统、远程监控管理、串流媒体等领域的应用,如POS终端机、自动贩卖机、网络摄影机、网络收音机、自动抄表机、环境监控装置、网络传感器、网络不断电系统、串行转以太网络转换器及以太网络转ZigBee桥接器。



图6 直接连至因特网的网络微控制器单芯片


缩小体积以满足小型化市场需求方案

    嵌入式系统设计人员一直都希望能在设计中加入远程监测和通讯功能,但经常面临的难题就是一方面要整合更多的产品功能,另一方面又必须符合不增加装置体积的前提,因为缩小体积可降低系统成本(包括PCB板材、机构及芯片成本)及功耗。为了符合嵌入式以太网络装置逐渐往小型化的发展趋势,芯片供货商提出数种满足小型化需求的方法,其一为选择小尺吋芯片封装,如图7下方所示64接脚封装或TFBGA封装,仅达最小美元硬币的四分之一;其二为选择高整合度的单芯片,如图7右下所示的网络微控制器单芯片即整合了10/100Mbit/s高速以太网络实体层、媒体存取控制器、TCP/IP加速器及闪存,可大幅缩小嵌入式以太网络装置的体积。




圖7 微控制器在通訊應用的技術解決方案


任天堂Wii计划利用具备连网功能微控制器

    Wii自去年11月19日于北美上市后即气势如虹,至今仍持续热卖畅销。Wii主机内的微控制器采用IBM以PowerPC 750CL为基础之Broadway,制程为90nm SOI CMOS。关于Wii的联机功能,Wii仅内建Wi-Fi 802.11b/g无线网络,如果使用者家中不具备无线网络设备,或者使用者希望增进上网的效能与稳定度,则可选购任天堂所推出的USB有线网络转接器(图8),然后连接至Wii主机后面配置的USB 2.0接口,即可享受上网的乐趣。


    目前Wii所提供的网络功能包括:阅览气象预报与新闻、收发电子邮件、浏览网页、分享Mii及下载游戏与软件。另外任天堂亦推出WiiConnect24的新网络服务,利用当Wii处于低噪音、低耗电的待机模式时,可联机至因特网下载来自游戏厂商的各种最新数据,利用使用者休息的时候自动取得最新数据,将数据保存于Flash内存中。


    此外,日本网络公司 DragonField先前还推出网络影片投稿部落格「DOGGA」,增设任天堂Wii主机浏览专用的网页「CGM TV!DOGGAWii」,其功能与时下最流行的YouTube 网站功能类似。玩家透过家里的电视机,可以利用Wii主机搭配亚信电子USB LAN adapter所组成的网络浏览功能,坐在客厅的沙发上即可轻松浏览http://www.dogga.jp/网页上,网友投稿的超人气网络影片。


图8 任天堂Wii采用亚信电子提供的AX88772 USB LAN Adapter上网解决方案


微控制器抢进嵌入式网络市场

    因应机器对机器的发展趋势,具备嵌入式装置连网功能的微控制器行情看涨,以Wii目前热销的状况来看,亦可嗅出此端倪。其它热门的通讯应用还包括,未来网络电视(IPTV)与随选电视(MOD)随着宽频环境与新型态网络商业模式一起逐渐到位,使用者将可以从网络上选择成千上百种高画质的节目。我们相信当愈来愈多的嵌入式系统将网络功能纳为主要内建系统时,它将会为微控制器市场带来重大的影响,并推动新一波的成长。


(作者为亚信电子公司ASIX Electronics Corporation市场处协理)