从USB-to-LAN之解决方案看嵌入式网络装置之技术发展趋势

问题：如何为手持式装置在家中提供宽频连网功能

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，使用者可以从网络选择成千上百种高画质的节目。未来使用者还需要进一步将大容量的影音档案透过宽频家庭网络下载至手持式装置，以便随时随地观看高品质的内容。例如卫星电视营运商已推出行动播放服务，让收视户将卫星电视节目，传送到由卫星电视营运商所提供的手持装置上。据报导，全球最大在线零售商亚马逊(Amazon)已备妥完整音乐下载服务及配套MP3商品，将采取行动通讯业者所惯用的搭售手法，让客户签订长期使用服务合约，并免费赠送MP3随身听，消费者可在有限的1GB、2GB储存容量的MP3播放器，每月毫无限制或提供优惠次数下载MP3音乐，提供类似有线电视台随意看一个月的服务。

随着手持式装置硬件效能持续进步，手持式装置设计人员经常面对的难题就是一方面要不断压低系统成本、降低功耗和缩小体积，另一方面又必须在不断增加的产品功能上持续提升产品的效能及连网频宽。

针对宽频连网这个问题，传统的解决方法是利用手持式装置的USB2.0端口连接高速传输线或插入Cradle来进行充电及连网动作，这种做法的缺点是手持式装置无法独立运作连网，使用者需要先将计算机开机，且透过计算机才能上网去下载大容量的影音档案。

另一种传统的做法是在手持式装置内建Wi-Fi无线上网模块，无线局域网络之数据传输率会依下列情况而异：装置之间的障碍物(例如：墙壁)、装置之间的距离、墙壁使用的材料、接近微波和无线电话、无线设频干扰及其它环境限制、装置的配置、在同一时间使用装置上的无线局域网络和蓝芽功能。这种做法的缺点是碍于目前无线频宽尚有限，无法高速传输，下载大容量的影音档案会费时甚久，且稳定性欠佳。

还有一种方案是利用家中或办公室内既有的以太骨干网络来高速连网，若直接内建宽频Non-PCI或PCI以太网络芯片及有线接头会增加手持式装置的体积。若要在不增加手持式装置体积的前提下，亦可选择将以太网络芯片及有线接头移至手持式装置所搭配的Cradle或Docking Station，如此即可在家中或办公室透过Cradle进行充电及宽频连网。这种做法的缺点是Non-PCI或PCI以太网络芯片是采用并行总线(Parallel Bus)，将其内建至Cradle会增加连接两个装置之接头的成本、电磁波干扰及体积。

解决方案：USB-to-LAN

基于前段所述各种针对手持式装置嵌入式网络的传统作法，无法有效地提升网络效能或者独立运作，USB-to-LAN技术自然而然成了提升系统效能的新推手。

USB-to-LAN方案，是将USB 2.0转Fast Ethernet/Gigabit Ethernet网络通讯芯片内建至手持式装置所搭配的Cradle或Docking Station，由于USB2.0埠仅需四根接脚，可较上述并行总线方案减少许多手持式装置与Cradle或Docking Station之间的接脚数。另一种方法是利用手持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，同时也避免了前述解决方案所带来的缺点。

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。同时，USB仅利用串行的四根讯号即提供高达480Mbps的传输速度，非常适合小体积之手持式装置用来连接外围设备。

六种嵌入式以太网络解决方案

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，小至手持式消费性产品(手机、PDA、PMP、MP3...)，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。

目前已有许多嵌入式系统将网络功能纳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，亦即针对Machine to Machine(亚信电子展翅欲飞\\\">M2M)需求的嵌入式网络解决方案将成为未来的市场趋势。

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，而成为最具吸引力之嵌入式系统连网技术。例如随着家庭网络的崛起，使用者愈来愈需要在不同的影音设备间传递或共享高品质之影音内容，以太网络正满足了多媒体网络需要宽频的需求。此外，以太网络也进一步扩展至工厂并满足工业应用对与高稳定性及安全性佳之连网需求。

根据上图，嵌入式以太网络装置大致可分为六种不同的方案。第一种方案是针对嵌入式系统之微控器本身已具有PCI总线，该系统多半会选用内建网络实体层(PHY)及媒体存取控制器(MAC)的PCI以太网络控制器来提供连网功能。不过目前仅为数不到2成的高阶32位微控器内建PCI总线，比例尚低。至于8或16位微控器则基于成本考量尚未内建PCI总线。一般而言，微控器本身必须具备SRAM-like接口以扩充内存及连接外围组件，若要另外内建PCI总线则需要增加许多接脚，进而增加系统成本。另外，进阶的PCI功能是针对个人计算机的需求所制定的，对于嵌入式系统而言是多余的，比如Plug-and-Play。

第二种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。藉由本方案可将以太网络的连接性加入嵌入式系统中，微控制器不仅可经由网络发送数据，也可达成远程控制的功能，工程师将可创造高效能、低成本且精简的嵌入式网络应用。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一端口的连网功能。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。

第三种方案则是针对同时需要两个以太网络端口之嵌入式系统，可让系统沿用既有的微控器及相关开发环境，仅透过局部总线即可外接具有两端口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，其中一埠可连接局域网络，另外一埠则连至广域网络。

第四种方案是针对嵌入式系统之微控器本身已内建单一端口或两端口的媒体存取控制器，只要外接网络实体层，就可提供单一埠或两端口的连网功能。

第五种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。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。

第六种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，此即本文前段针对手持式装置之宽频连网所提出之USB-to-LAN解决方案。本方案适用于计算机外设、手持式装置、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USB以太网卡、USB WiMAX网卡、Docking station、Cradle及USB KVM Ethernet switch。

总而言之，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，它将会为嵌入式系统市场带来重大的影响，并推动新一波的成长。

About the Authors

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

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