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2007-08-14   MCU實現嵌入式乙太網路設計之考量
 
  王暑衛 [2007-08-14]
报导内容:
目前已有許多嵌入式系統將網路功能視為主要內建系統的發展趨勢,根據Forrester Research的研究顯示,到2010年,將有95%的連網設備將不再是電腦,而是帶有網路功能的嵌入式系統,亦即具備M2M功能的嵌入式網路解決方案將成為未來的走向。本文將針對此趨勢,探討未來網路微控制器的效能發展及新興應用領域的功能演進。

回顧網際網路的發展歷史,最初美國國防部為國防需要而將各種不同網路連接起來,從70年代初期開始ARPANET網際網路計劃;到80年代中期,學術界加入研究,主要應用為透過區域網路(LAN)將多台電腦連結起來,達成檔案及資料分享的目的;至90年代中期,企業界亦加入經營,全球資訊網(World Wide Web;WWW)紛紛出爐,進而刮起一陣網際網路旋風,網路使用者的人數急遽增加,主要的應用為電子商務及電子郵件。未來網際網路的發展,將有別於80年代電腦連結及90年代網路使用者連結,而是將許多裝置或機器設備連結起來,朝向機器對機器(Machine to Machine, M2M)的發展或無所不在的網路社會(Ubiquitous Networks Society)邁進。

網路微控制器行情看漲

嵌入式系統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、記憶體及輸出入介面做不同程度的整合。

一般而言,微控制器會整合多元的通訊串列、並列週邊及一般輸出入介面(GPIO)等功能。串列介面包括UART、SPI、I2C、四線串列介面(Microwire)及1-wire等。

並列介面是以外部記憶體介面(External Memory Interface, EMI)、區域匯流排介面(Local Bus Interface, LBI)或PCI Bus與其他晶片連接,微控制器可當成受控(Slave)的周邊晶片來運用,其他欲操控微控制器的主控(Master)晶片只需使用最傳統的8/16位元並列介面,便可讓主控晶片、受控晶片進行傳輸、操控。時序功能則包括看門狗計時器、計時器/計數器、可編程計數器/計時器陣列(PCA)與即時鐘(RTC)。

至於其他介面則會根據應用需求來決定整合的程度,舉例而言,語音音頻應用會內建I2S、AC’97、SP/DIF、語音編解碼器等,消費性電子會內建USB、USB OTG、LCD控制/驅動及MMC、SD記憶卡介面,電池管理或組態管理則會內建SMBus,工業自動化會內建CAN控制器,車用電子通訊會內建CAN/LIN 控制器,針對區域網路應用的網路微控制器則會內建10/100Mbit/s 乙太網路媒體存取控制器 (MAC)/實體層(PHY)。本文所探討的高速8位元網路微控制器的I/O介面及應用方式請參見圖1。

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,並逐漸超越原有SOHO及企業網路之應用範圍,進入消費性電子領域,成為最具吸引力之嵌入式系統連網技術,如隨著家庭網路的崛起,使用者更需要在不同的影音設備間傳遞,或共用高品質影音內容,而乙太網路正滿足多媒體網路對於高寬頻的需求。此外,乙太網路也進一步擴展至工廠,滿足工業應用對高穩定性及安全性之連網要求。

因應上述所提及的機器對機器之發展趨勢,具備嵌入式裝置連網特性的乙太網路微控制器未來行情將持續看漲。乙太網路的應用領域極廣,舉凡家電、工廠/大樓自動化、工業控制、保全系統、遠端監控管理、環境監控、遠端資料採集等領域都是其用武之地。

國內微控制器廠商在產品佈局是以8位元微控制器為主力,其次為16位元,主要鎖定消費性應用市場。目前仍以8位元微控制器的市場最大,單就最典型的8位元8051架構微控制器而言,全球一年的出貨量就高達33億顆。近年來,微控制器市場重心似乎有從消費性電子轉往通訊市場移動的現象,因此未來通訊應用對於32位元高階微控制器的產品需求將會隨之激增。

但值得注意的是,在8位元微控制器的平均銷售單價持續下滑之後,其低單價的優勢,也使得8位元網路微控制器瞄準符合機器對機器,及網路趨勢的通訊產品全力挺進。但是該如何增進8位元微控制器的效能?如何提升網路頻寬?如何進行高整合度的單晶片設計,以滿足降低成本及小型化的市場需求?在在考驗著國內微控制器廠商的智慧及設計功力。

嵌入式乙太網路裝置解決方案
滿足小型化市場需求

嵌入式乙太網路裝置大致可分為四種不同的方案(圖2)。第一、二種方案是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;第三、四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,其中第四種為整合度最高之單晶片解決方案。而值得一提的是,嵌入式乙太網路裝置有逐漸往小型化的發展趨勢,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)及供耗。圖2右側則指出兩種滿足小型化需求的方法,其一為選擇小尺吋晶片封裝,如圖右上所示Non-PCI乙太網路控制器之64接腳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。

嵌入式乙太網路微控制器技術演進

若換個角度歸納,則可清楚看出網路微控制器朝向系統單晶片(SoC)發展的脈絡。嵌入式乙太網路微控制器之技術演進大致可分為四個階段(圖3)。

第一階段的微控制器整合度較低,須搭配外接式快閃記憶體及透過Non-PCI Local Bus連接乙太網路控制晶片,成為3晶片方案。第二階段的微控制器先整合快閃記憶體,但仍需搭配Non-PCI乙太網路控制晶片,而進展為雙晶片方案。第三階段的微控制器本身已內建媒體存取控制器及快閃記憶體,只要外接網路實體層,而同為雙晶片方案。第四階段的微控制器,除了媒體存取控制器及快閃記憶體之外,還進一步整合網路實體層,形成單晶片(Single-chip)解決方案,可針對目前應用最為廣泛的區域網路技術提供單晶片,縮小嵌入式系統體積,為乙太網路環境提供業界最小外觀的解決方案。

高速的運作時脈及機器週期

隨著先進半導體製程的進步,現今網路微控制器對於運作時脈及機器週期(Machine Cycle)的效能需求愈來愈高。
微控制器執行一個指令的整個過程稱為機器週期,縮短機器週期即可提升程式執行速度。80年代英特爾首次發表的8051是以12MHz為標準運作時脈,每12個時脈週期(Clock Cycle)為一個機器週期,亦即所謂的12T,多數的8051指令會在1或2個機器週期內執行完畢。後來與8051相容的微控制器運作時脈已陸續提昇至16/24/33/40/60MHz,機器週期亦縮短為4T/2T。今日之晶片設計技術早已突破上述限制而達到100MHz的運作時脈,機器週期為1T,亦即每個機器週期僅一個時脈,稱為單一週期(Single Cycle),如此兩種加速方式產生加乘效益,效能可成倍速提升,最終執行效能可達100MIPS,如圖1中央所示之網路微控制器即為此類高速單晶片之代表。

內建高容量快閃記憶體及資料記憶體 傳統8051的程式記憶體(Program Memory)為4kB,後來陸續增加至8/16/32kB並抵達上限64kB,甚至利用Bank Select的方式在兩組64kB間切換而突破限制並達到128kB。另外傳統8051的資料記憶體(Data Memory)為128Bytes,後來陸續增加至256/512/1k/2k/8kB。由於網路微控制器必須處理TCP/IP通訊協定及嵌入式網路伺服器,這些控制應用程式需要高容量的程式記憶體及資料記憶體資源。過去一般會選擇無定址限制之32位元高階網路微控制器,因為這類晶片可內建的程式記憶體及資料記憶體可分別達到256kB及32kB,若仍不敷使用,則可透過外部記憶體介面進一步擴充外接式記憶體。不過現今設計者增加低價8位元網路微控制器的選擇,與8051相容之80390則無記憶體的定址限制,可定址達16MB,滿足TCP/IP通訊協定及嵌入式網路伺服器的應用需求。

因應此技術趨勢,圖1中央所示之網路微控制器不但設計了8051/80390相容之核心,還內建容量高達512KB之快閃記憶體(Flash Memory)及32KB之資料記憶體,亦可透過外部記憶體介面擴充外接式記憶體至2MB。 另一方面,有別於Mask ROM及一次式編程(One Time Programmable, OTP) ROM無法於出廠後更新程式的缺點,快閃記憶體能透過乙太網路或UART埠,為終端應用進行內建程式的現場升級(Field Upgrade),如此不僅加快開發時程,且產品出貨後仍可在應用現場修補、更新程式。

利用硬體線路增進網路效能

除了透過上述方式增加中央處理器核心在執行軟體應用程式的效能外,還可搭配特定的硬體資源進行加速,降低軟體對於中央處理器計算能力的需求,如TCP/IP加速器及直接記憶體存取(DMA)控制器。IP或TCP Header各有一欄位為Header或Packet Data Checksum,Checksum是能夠驗證網路資料封包的正確性的數學計算法,確保封包被正確無誤的接收到(圖4)。網路微控制器通常以軟體處理TCP/IP通訊協定,但是Checksum若以軟體計算會耗費中央處理器之運算資源,導致網路封包流量的下降。如果以硬體線路加速運算,則可卸載(Offload)微控制器的運算資源,提昇網路整體效能。

另外,因為網路微控制器在處理TCP/IP封包時,常需進行大量資料的搬移,全用軟體處理會曠日費時。若利用直接記憶體存取控制器負責記憶體區塊內容的搬移,則因不需要中央處理器的讀寫過程,資量轉移(Data Transfer)均由硬體處理而可達成資料高速傳輸的效能。

網路MCU應用包羅萬象

了解8位元網路微控制器的效能發展趨勢之後,應不難體認原本32位元網路微控制器擅長的應用領域,將被低價格、高整合度、高性能及多功能的8位元網路微控制器逐步侵蝕,一路前進家電、工廠/大樓自動化、工業控制、保全系統、遠端監控管理、環境監控、串流媒體等領域的應用,如POS終端機、自動販賣機、燈光控制、LCD/LED廣告機、交通號誌控制、打卡機、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、串列設備連網伺服器及乙太網路轉ZigBee橋接器。

茲舉以下三種應用進一步說明,包括網路攝影機、串列設備連網伺服器及乙太網路轉ZigBee橋接器。 網路攝影機為當今熱門的數位家庭產品之一,使用者可在任何時間、任何地點,直接透過網際網路,使用標準瀏覽器進行遠端監控與管理工作。目前影像記錄方式主流為M-JPEG(Motion JPEG)以及MPEG4等壓縮格式,若採行遠端監控,因為網路頻寬的限制,必須在解析度與影像傳輸速率兩者間求妥協。M-JPEG的優點在於影像的壓縮率較低、硬體需求較低,由於低價的特性,非常適合電信業者將網路攝影機列為促銷方案,只要消費者註冊寬頻上網或手機門號,即可免費獲得網路攝影機的贈品。消費者就可將家裡老人或小孩的起居活動、幼稚園裡的小寶貝、門市的來客人潮、無人機房或倉庫、員工,經由內部網路或網際網路,將影像傳輸在遠端的電腦上。只要利用高速8位元網路微控制器搭配M-JPEG編碼晶片,即可組成具備影像及聲音同時監控及鏡頭可左右及上下移動(Pan/Tilt)功能之低價網路攝影機(圖5)。

隨著資訊產業的蓬勃發展,工廠內設備的自動化也已興起網路連線的潮流。串列設備連網伺服器(Serial Server)的功能為轉換任何一種串列埠(RS-232/485/422)與乙太網路間的資料,讓使用者不論身在世界上的任何一個角落,都能夠透過網際網路存取、管理及設定遠端具備串列介面的各種裝置及設備。主要應用領域為工業及商務的應用,包括醫療應用、電子看板、可程式控制器(PLC)、人機介面(HMI)、電腦機房管理、條碼掃描器(Barcode Scanner)、資料終端及遠端監控等設備。只要利用高速8位元網路微控制器單晶片,即可做成串列設備連網伺服器(圖6),可替代市場上之3晶片方案(MCU+快閃記憶體+乙太網路實體層),縮小許多嵌入式系統之體積,為串列設備連網伺服器提供業界最小外觀及低價的解決方案,可大幅簡化設計系統,並提高可靠性。

近年來,新興技術802.15.4/ZigBee崛起迅速,國內外業者積極推出各種無線感測網路(Wireless Sensor Network)解決方案及相關產品,主要應用於數位家庭控制、安全監控、高耗能設備管理、物流追蹤與居家照護等工業及家庭自動化控制領域。當ZigBee廣泛應用之後,如何透過網際網路進行遠端管理,及控制無線感測網路中的各種裝置,即成為重要的課題。只要利用高速8位元網路微控制器透過SPI介面搭配802.15.4/ZigBee晶片即可組成小型化的乙太網路轉ZigBee橋接器(圖7)。此方案僅需將小型化之乙太網路轉ZigBee橋接器連接到家庭網路閘道器(Home Gateway),即可輕鬆讓既有的網路閘道器升級為ZigBee閘道器。不但可保有原來的設備投資,還可以透過ZigBee閘道器控制家庭內所有的ZigBee裝置,達到遠端管理及控制,或蒐集無線感測網路中ZigBee感應器的資訊,提供後端伺服器進行分析。

8位元網路MCU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乙太網路微控制器行情看漲。藉著增進微控制器的效能、內建高容量記憶體與利用硬體線路等增進網路效能方式多管齊下,8位元網路微控制器全力佈局符合網路趨勢的通訊產品,推出高整合度的單晶片設計,以滿足降低成本及小型化的市場需求,可預見的是,8位元網路微控制器在未來的嵌入式網路市場中,將會佔有重要的一席之地。

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

 
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