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2006-09-11   高速8位网络MCU满足了嵌入系统小型化及高整合度需求
 
  王暑卫 [2006-09-11]
报导内容:
目前已有许多嵌入式系统将网络功能视为主要内建系统的发展趋势,根据 Forrester Research的研究显示,到2010年,将有95%的连网设备将不再是计算机,而是带有网络功能的嵌入式系统,亦即具备M2M功能的嵌入式网络解决方案将成为未来的走向。本文将针对此趋势,探讨未来网络微控制器的效能发展及新兴应用领域的功能演进。

回顾因特网的发展历史,最初美国国防部为国防需要而将各种不同网络连接起来,从70年代初期开始ARPANET因特网计划;到80年代中期,学术界加入研究,主要应用为透过局域网络(LAN)将多台计算机连结起来,达成档案及数据分享的目的;至90年代中期,企业界亦加入经营,全球信息网(World Wide Web;WWW)纷纷出炉,进而刮起一阵因特网旋风,网络使用者的人数急遽增加,主要的应用为电子商务及电子邮件。未来因特网的发展,将有别于80年代计算机连结及90年代网络使用者连结,而是将许多装置或机器设备连结起来,朝向机器对机器(Machine to Machine, M2M)的发展或无所不在的网络社会(Ubiquitous Networks Society)迈进。

网络微控制器行情看涨

嵌入式系统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、内存及输出入接口做不同程度的整合。

一般而言,微控制器会整合多元的通讯串行、并列外围及一般输出入接口(GPIO)等功能。串行接口包括UART、SPI、I2C、四线串行接口(Microwire)及1-wire等。

并列接口是以外部内存接口(External Memory Interface, EMI)、局部总线接口(Local Bus Interface, LBI)或PCI Bus与其它芯片连接,微控制器可当成受控(Slave)的周边芯片来运用,其它欲操控微控制器的主控(Master)芯片只需使用最传统的8/16位并列接口,便可让主控芯片、受控芯片进行传输、操控。时序功能则包括看门狗定时器、定时器/计数器、可编程计数器/定时器数组(PCA)与即时钟(RTC)。

至于其它界面则会根据应用需求来决定整合的程度,举例而言,语音音频应用会内建I2S、AC\\\'97、SP/DIF、语音编译码器等,消费电子会内建USB、USB OTG、LCD控制/驱动及MMC、SD记忆卡接口,电池管理或组态管理则会内建SMBus,工业自动化会内建CAN控制器,车用电子通讯会内建CAN/LIN 控制器,针对局域网络应用的网络微控制器则会内建10/100Mbit/s 以太网络媒体存取控制器 (MAC)/实体层(PHY)。本文所探讨的高速8位网络微控制器的I/O接口及应用方式请参见图1。

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,并逐渐超越原有SOHO及企业网络之应用范围,进入消费性电子领域,成为最具吸引力之嵌入式系统连网技术,如随着家庭网络的崛起,使用者更需要在不同的影音设备间传递,或共享高品质影音内容,而以太网络正满足多媒体网络对于高宽频的需求。此外,以太网络也进一步扩展至工厂,满足工业应用对高稳定性及安全性之连网要求。

因应上述所提及的机器对机器之发展趋势,具备嵌入式装置连网特性的以太网络微控制器未来行情将持续看涨。

以太网络的应用领域极广,举凡家电、工厂/大楼自动化、工业控制、保全系统、远程监控管理、环境监控、远程数据采集等领域都是其用武之地。

国内微控制器厂商在产品布局是以8位微控制器为主力,其次为16位,主要锁定消费性应用市场。目前仍以8位微控制器的市场最大,单就最典型的8位8051架构微控制器而言,全球一年的出货量就高达33亿颗。

近年来,微控制器市场重心似乎有从消费性电子转往通讯市场移动的现象,因此未来通讯应用对于32位高阶微控制器的产品需求将会随之激增。

但值得注意的是,在8位微控制器的平均销售单价持续下滑之后,其低单价的优势,也使得8位网络微控制器瞄准符合机器对机器,及网络趋势的通讯产品全力挺进。但是该如何增进8位微控制器的效能?如何提升网络频宽?如何进行高整合度的单芯片设计,以满足降低成本及小型化的市场需求在在考验着国内微控制器厂商的智能及设计功力。

嵌入式以太网络装置解决方案满足小型化市场需求

嵌入式以太网络装置大致可分为四种不同的方案(图2)。第一、二种方案是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;第三、四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,其中第四种为整合度最高之单芯片解决方案。而值得一提的是,嵌入式以太网络装置有逐渐往小型化的发展趋势,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)及供耗。图2右侧则指出两种满足小型化需求的方法,其一为选择小尺吋芯片封装,如图右上所示Non-PCI以太网络控制器之64接脚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。

嵌入式以太网络微控制器技术演进

若换个角度归纳,则可清楚看出网络微控制器朝向系统单芯片(SoC)发展的脉络。嵌入式以太网络微控制器之技术演进大致可分为四个阶段(图3)。

第一阶段的微控制器整合度较低,须搭配外接式闪存及透过Non-PCI Local Bus连接以太网络控制芯片,成为3芯片方案。第二阶段的微控制器先整合闪存,但仍需搭配Non-PCI以太网络控制芯片,而进展为双芯片方案。第三阶段的微控制器本身已内建媒体存取控制器及闪存,只要外接网络实体层,而同为双芯片方案。第四阶段的微控制器,除了媒体存取控制器及闪存之外,还进一步整合网络实体层,形成单芯片(Single-chip)解决方案,可针对目前应用最为广泛的局域网络技术提供单芯片,缩小嵌入式系统体积,为以太网络环境提供业界最小外观的解决方案。

高速的运作时脉及机器周期

随着先进半导体制程的进步,现今网络微控制器对于运作时脉及机器周期(Machine Cycle)的效能需求愈来愈高。

微控制器执行一个指令的整个过程称为机器周期,缩短机器周期即可提升程序执行速度。80年代英特尔首次发表的8051是以12MHz为标准运作时脉,每12个时脉周期(Clock Cycle)为一个机器周期,亦即所谓的12T,多数的8051指令会在1或2个机器周期内执行完毕。后来与8051兼容的微控制器运作时脉已陆续提升至16/24/33/40/60MHz,机器周期亦缩短为4T/2T。今日之芯片设计技术早已突破上述限制而达到100MHz的运作时脉,机器周期为1T,亦即每个机器周期仅一个时脉,称为单一周期(Single Cycle),如此两种加速方式产生加乘效益,效能可成倍速提升,最终执行效能可达100MIPS,如图1中央所示之网络微控制器即为此类高速单芯片之代表。

内建高容量闪存及数据存储器

传统8051的程序内存(Program Memory)为4kB,后来陆续增加至8/16/32kB并抵达上限64kB,甚至利用Bank Select的方式在两组64kB间切换而突破限制并达到128kB。另外传统8051的数据存储器(Data Memory)为128Bytes,后来陆续增加至256/512/1k/2k/8kB。由于网络微控制器必须处理TCP/IP通讯协议及嵌入式网络服务器,这些控制应用程序需要高容量的程序内存及数据存储器资源。过去一般会选择无寻址限制之32位高阶网络微控制器,因为这类芯片可内建的程序内存及数据存储器可分别达到256kB及32kB,若仍不敷使用,则可透过外部内存接口进一步扩充外接式内存。不过现今设计者增加低价8位网络微控制器的选择,与8051兼容之80390则无内存的寻址限制,可寻址达16MB,满足TCP/IP通讯协议及嵌入式网络服务器的应用需求。

因应此技术趋势,图1中央所示之网络微控制器不但设计了8051/80390兼容之核心,还内建容量高达512KB之闪存(Flash Memory)及32KB之数据存储器,亦可透过外部内存接口扩充外接式内存至2MB。

另一方面,有别于Mask ROM及一次式编程(One Time Programmable, OTP) ROM无法于出厂后更新程序的缺点,闪存能透过以太网络或UART端口,为终端应用进行内建程序的现场升级(Field Upgrade),如此不仅加快开发时程,且产品出货后仍可在应用现场修补、更新程序。

利用硬件线路增进网络效能

除了透过上述方式增加中央处理器核心在执行软件应用程序的效能外,还可搭配特定的硬件资源进行加速,降低软件对于中央处理器计算能力的需求,如TCP/IP加速器及直接内存存取(DMA)控制器。IP或TCP Header各有一字段为Header或Packet Data Checksum,Checksum是能够验证网络数据封包的正确性的数学计算法,确保封包被正确无误的接收到(图4)。网络微控制器通常以软件处理TCP/IP通讯协议,但是Checksum若以软件计算会耗费中央处理器之运算资源,导致网络封包流量的下降。如果以硬件线路加速运算,则可卸载(Offload)微控制器的运算资源,提升网络整体效能。

另外,因为网络微控制器在处理TCP/IP封包时,常需进行大量数据的搬移,全用软件处理会旷日费时。若利用直接内存存取控制器负责内存区块内容的搬移,则因不需要中央处理器的读写过程,资量转移(Data Transfer)均由硬件处理而可达成数据高速传输的效能。

网络MCU应用包罗万象

了解8位网络微控制器的效能发展趋势之后,应不难体认原本32位网络微控制器擅长的应用领域,将被低价格、高整合度、高性能及多功能的8位网络微控制器逐步侵蚀,一路前进家电、工厂/大楼自动化、工业控制、保全系统、远程监控管理、环境监控、串流媒体等领域的应用,如POS终端机、自动贩卖机、灯光控制、LCD/LED广告机、交通号志控制、打卡机、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、串行设备连网服务器及以太网络转ZigBee桥接器。

兹举以下三种应用进一步说明,包括网络摄影机、串行设备连网服务器及以太网络转ZigBee桥接器。

网络摄影机为当今热门的数字家庭产品之一,使用者可在任何时间、任何地点,直接透过因特网,使用标准浏览器进行远程监控与管理工作。目前影像记录方式主流为M-JPEG(Motion JPEG)以及MPEG4等压缩格式,若采行远程监控,因为网络频宽的限制,必须在分辨率与影像传输速率两者间求妥协。M-JPEG的优点在于影像的压缩率较低、硬件需求较低,由于低价的特性,非常适合电信业者将网络摄影机列为促销方案,只要消费者注册宽频上网或手机门号,即可免费获得网络摄影机的赠品。消费者就可将家里老人或小孩的起居活动、幼儿园里的小宝贝、门市的来客人潮、无人机房或仓库、员工,经由内部网络或因特网,将影像传输在远程的计算机上。只要利用高速8位网络微控制器搭配M-JPEG编码芯片,即可组成具备影像及声音同时监控及镜头可左右及上下移动(Pan/Tilt)功能之低价网络摄影机(图5)。

随着信息产业的蓬勃发展,工厂内设备的自动化也已兴起网络联机的潮流。串行设备连网服务器(Serial Server)的功能为转换任何一种串行埠(RS-232/485/422)与以太网络间的数据,让使用者不论身在世界上的任何一个角落,都能够透过因特网存取、管理及设定远程具备串行接口的各种装置及设备。主要应用领域为工业及商务的应用,包括医疗应用、电子看板、可程控器(PLC)、人机接口(HMI)、计算机机房管理、条形码扫描仪(Barcode Scanner)、数据终端及远程监控等设备。只要利用高速8位网络微控制器单芯片,即可做成串行设备连网服务器(图6),可替代市场上之3芯片方案(MCU+闪存+以太网络实体层),缩小许多嵌入式系统之体积,为串行设备连网服务器提供业界最小外观及低价的解决方案,可大幅简化设计系统,并提高可靠性。

近年来,新兴技术802.15.4/ZigBee崛起迅速,国内外业者积极推出各种无线感测网络(Wireless Sensor Network)解决方案及相关产品,主要应用于数字家庭控制、安全监控、高耗能设备管理、物流追踪与居家照护等工业及家庭自动化控制领域。当ZigBee广泛应用之后,如何透过因特网进行远程管理,及控制无线感测网络中的各种装置,即成为重要的课题。只要利用高速8位网络微控制器透过SPI接口搭配802.15.4/ZigBee芯片即可组成小型化的以太网络转ZigBee桥接器(图7)。此方案仅需将小型化之以太网络转ZigBee桥接器连接到家庭网络网关器(Home Gateway),即可轻松让既有的网络网关器升级为ZigBee网关器。不但可保有原来的设备投资,还可以透过ZigBee网关器控制家庭内所有的ZigBee装置,达到远程管理及控制,或搜集无线感测网络中ZigBee感应器的信息,提供后端服务器进行分析。

8位网络MCU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以太网络微控制器行情看涨。借着增进微控制器的效能、内建高容量内存与利用硬件线路等增进网络效能方式多管齐下,8位网络微控制器全力布局符合网络趋势的通讯产品,推出高整合度的单芯片设计,以满足降低成本及小型化的市场需求,可预见的是,8位网络微控制器在未来的嵌入式网络市场中,将会占有重要的一席之地。

王暑卫 亚信电子公司ASIX Electronics Corporation市场处协理

 
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