电子时报
 
2006-04-10   從USB-to-LAN解決方案看嵌入式網路裝置之技術發展趨勢
 
  王暑衛 [2006-04-10]
报导内容:
(作者王暑衛/亞信電子市場處協理)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,使用者可以從網路選擇成千上百種高畫質的節目。未來使用者還需要進一步將大容量的影音檔案透過寬頻家庭網路下載至手持式裝置,以便隨時隨地觀看高品質的內容。例如衛星電視營運商已推出行動播放服務,讓收視戶將衛星電視節目,傳送到由衛星電視營運商所提供的手持裝置上。

據報導,全球最大線上零售商亞馬遜(Amazon)已備妥完整音樂下載服務及配套MP3商品,將採取行動通訊業者所慣用的搭售手法,讓客戶簽訂長期使用服務合約,並免費贈送MP3隨身聽,消費者可在有限的1GB、2GB儲存容量的MP3播放器,每月毫無限制或提供優惠次數下載MP3音樂,提供類似有線電視台隨意看一個月的服務。

隨著手持式裝置硬體效能持續進步,手持式裝置設計人員經常面對的難題就是一方面要不斷壓低系統成本、降低功耗和縮小體積,另一方面又必須在不斷增加的產品功能上持續提昇產品的效能及連網頻寬。

針對寬頻連網這個問題,傳統的解決方法是利用手持式裝置的USB2.0埠連接高速傳輸線或插入Cradle來進行充電及連網動作,這種做法的缺點是手持式裝置無法獨立運作連網,使用者需要先將電腦開機,且透過電腦才能上網去下載大容量的影音檔案。

另一種傳統的做法是在手持式裝置內建Wi-Fi無線上網模組,無線區域網路之資料傳輸率會依下列情況而異:裝置之間的障礙物(例如:牆壁)、裝置之間的距離、牆壁使用的材料、接近微波和無線電話、無線設頻干擾及其他環境限制、裝置的配置、在同一時間使用裝置上的無線區域網路和藍芽功能。這種做法的缺點是礙於目前無線頻寬尚有限,無法高速傳輸,下載大容量的影音檔案會費時甚久,且穩定性欠佳。

還有一種方案是利用家中或辦公室內既有的乙太骨幹網路來高速連網,若直接內建寬頻Non-PCI或PCI乙太網路晶片及有線接頭會增加手持式裝置的體積。若要在不增加手持式裝置體積的前提下,亦可選擇將乙太網路晶片及有線接頭移至手持式裝置所搭配的Cradle或Docking Station,如此即可在家中或辦公室透過Cradle進行充電及寬頻連網。這種做法的缺點是Non-PCI或PCI乙太網路晶片是採用平行匯流排(Parallel Bus),將其內建至Cradle會增加連接兩個裝置之接頭的成本、電磁波干擾及體積。

解決方案:USB-to-LAN

基於前段所述各種針對手持式裝置嵌入式網路的傳統作法,無法有效地提昇網路效能或者獨立運作,USB-to-LAN技術自然而然成了提昇系統效能的新推手。

USB-to-LAN方案,是將USB2.0轉Fast Ethernet/Gigabit Ethernet網路通訊晶片內建至手持式裝置所搭配的Cradle或Docking Station,由於USB2.0埠僅需四根接腳,可較上述平行匯流排方案減少許多手持式裝置與Cradle或Docking Station之間的接腳數。

另一種方法是利用手持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,同時也避免了前述解決方案所帶來的缺點。

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。同時,USB僅利用串列的四根訊號即提供高達480Mbps的傳輸速度,非常適合小體積之手持式裝置用來連接週邊設備。

六種嵌入式乙太網路解決方案

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(手機、PDA、PMP、MP3…),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。

目前已有許多嵌入式系統將網路功能納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。

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,而成為最具吸引力之嵌入式系統連網技術。例如隨著家庭網路的崛起,使用者愈來愈需要在不同的影音設備間傳遞或共享高品質之影音內容,乙太網路正滿足了多媒體網路需要寬頻的需求。此外,乙太網路也進一步擴展至工廠並滿足工業應用對與高穩定性及安全性佳之連網需求。

根據上圖,嵌入式乙太網路裝置大致可分為六種不同的方案。第一種方案是針對嵌入式系統之微控器本身已具有PCI匯流排,該系統多半會選用內建網路實體層(PHY)及媒體存取控制器(MAC)的PCI乙太網路控制器來提供連網功能。不過目前僅為數不到2成的高階32位元微控器內建PCI匯流排,比例尚低。

至於8或16位元微控器則基於成本考量尚未內建PCI匯流排。一般而言,微控器本身必須具備SRAM-like介面以擴充記憶體及連接週邊元件,若要另外內建PCI匯流排則需要增加許多接腳,進而增加系統成本。另外,進階的PCI功能是針對個人電腦的需求所制定的,對於嵌入式系統而言是多餘的,比如Plug-and-Play。

第二種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。

藉由本方案可將乙太網路的連接性加入嵌入式系統中,微控制器不僅可經由網路發送資料,也可達成遠端控制的功能,工程師將可創造高效能、低成本且精簡的嵌入式網路應用。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一埠的連網功能。

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。

第三種方案則是針對同時需要兩個乙太網路埠之嵌入式系統,可讓系統沿用既有的微控器及相關開發環境,僅透過區域匯流排即可外接具有兩埠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,其中一埠可連接區域網路,另外一埠則連至廣域網路。

第四種方案是針對嵌入式系統之微控器本身已內建單一埠或兩埠的媒體存取控制器,只要外接網路實體層,就可提供單一埠或兩埠的連網功能。

第五種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。

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。

第六種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,此即本文前段針對手持式裝置之寬頻連網所提出之USB-to-LAN解決方案。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USB乙太網卡、USB WiMAX網卡、Docking station、Cradle及USB KVM Ethernet switch。

總而言之,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,它將會為嵌入式系統市場帶來重大的影響,並推動新一波的成長。(本文由亞信電子公司ASIX Electronics Corporation提供,作者現任該公司市場處協理)

 
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