互連嵌入式系統(tǒng)(Networked Embedded Systems)的演變

　　過去嵌入式系統(tǒng)通常是深嵌于最終產(chǎn)品之中，以系統(tǒng)控制為基礎(chǔ)，一般不與外界連接。其微控制器在一個(gè)相當(dāng)封閉的系統(tǒng)中工作，定時(shí)查詢外設(shè)、收集數(shù)據(jù)、完成簡(jiǎn)單的處理工作，以及控制開關(guān)和LED指示燈。此外，微控制器也進(jìn)行少量的數(shù)據(jù)操作或數(shù)據(jù)傳輸。由于它們不會(huì)與局域網(wǎng) (LAN)或互聯(lián)網(wǎng)(Internet)連接，所以不存在保安的問題。然而，這一切現(xiàn)在都改變了。現(xiàn)今的嵌入式系統(tǒng)一般都要連接到局域網(wǎng)，這樣就有數(shù)十、甚至上百個(gè)控制器連接在一起。舉例說，汽車制造和工業(yè)控制領(lǐng)域中的CAN有上百個(gè)微控制器在相互作用；ZigBee 無線控制網(wǎng)絡(luò)也有若多數(shù)量的微控制器互連在一起。而且，隨著嵌入式網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜(因此需要更大的網(wǎng)絡(luò)帶寬和更遠(yuǎn)的傳輸距離)，嵌入式以太網(wǎng)也開始涉足于工業(yè)控制、建筑物自動(dòng)化、醫(yī)療和保安產(chǎn)品市場(chǎng)。

　　目前市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是將這些局域網(wǎng)需要通過企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或外聯(lián)網(wǎng)特別是互聯(lián)網(wǎng)與外界連接。嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)要求的不斷增加，導(dǎo)致微控制器必須具備更多性能：更強(qiáng)的互連性，增加程序和數(shù)據(jù)內(nèi)存空間來支持相應(yīng)的通信協(xié)議，提高性能和處理帶寬以進(jìn)行系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)、執(zhí)行通信協(xié)議和提供嚴(yán)密的保安能力。在需要通過內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控CAN或ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境中，嵌入式微控制器必須能支持10/100M以太網(wǎng)、CAN、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)以及其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，更必須具有先進(jìn)的安全加密算法。

　　另一個(gè)影響嵌入式系統(tǒng)的因素是通用串行總線 (USB) 的快速普及，尤其是在 PC 及其外設(shè)領(lǐng)域。與提供基本通信鏈路的傳統(tǒng)通用異步收發(fā)器 (UART) 接口不同，USB是一種內(nèi)置豐富驅(qū)動(dòng)程序的即插即用式總線接口，能縮短開發(fā)周期和設(shè)備安裝時(shí)間。不但設(shè)計(jì)人員喜歡這種接口，終端用戶也因?yàn)椴槐貫樾沦?gòu)的外設(shè)安裝加載新的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序而樂于使用。再考慮到采用筆記本電腦對(duì)復(fù)印機(jī)、自助售貨機(jī)、ATM機(jī)，工廠自動(dòng)化設(shè)備、家用安全系統(tǒng)等完成系統(tǒng)設(shè)置和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)，可以預(yù)計(jì)USB在嵌入式系統(tǒng)將占一重要席位。新款的筆記本電腦都只配備了USB接口，所以由它們服務(wù)的系統(tǒng)也必須有USB接口，否則這些系統(tǒng)便得采用舊款PC或USB適配器。

　　還有一點(diǎn)，隨著嵌入式系統(tǒng)越來越多地通過使用外部網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控，尤其是該系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)來訪問時(shí)，對(duì)保安的要求必然會(huì)更高。沒有人能容忍局外人惡意破壞系統(tǒng)、關(guān)斷防火報(bào)警系統(tǒng)，或隨便打開輸油管的閥門，所以保安就成為了嵌入式系統(tǒng)非常重要的一環(huán)。

　　對(duì)微控制器結(jié)構(gòu)的意義：高帶寬、高互連性、高可預(yù)見性

　　嵌入式系統(tǒng)朝著嵌入式網(wǎng)絡(luò)的趨勢(shì)發(fā)展從根本上改變了其結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)卻是人們?cè)谶x擇一個(gè)微控制器時(shí)必須考慮的。微控制器必須具有多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口，能傳輸并驗(yàn)證大量數(shù)據(jù)，足夠的安全性以及內(nèi)存和處理能力，以容納眾多的協(xié)議堆棧；而且，在許多情況下，還必須在能耗很少的前提下完成這些任務(wù)。8位和16位處理器顯然在內(nèi)存資源和處理能力上達(dá)不到這些要求，許然需要 8 位和 16 位處理器具備的“確定過程式性能” (deterministic performance) 和監(jiān)管功能，而這些對(duì)32位處理器來說卻很罕有。此外，對(duì)成本敏感的系統(tǒng)還得與8位和16位微控制器的價(jià)格相若，而且配套開發(fā)工具的價(jià)格也必須容易接受。

　　要適應(yīng)嵌入式市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)的互連需求和支持這類應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求，這種處理器還是不夠的。要滿足現(xiàn)今的互連應(yīng)用環(huán)境，嵌入式微控制器需要能夠支持多種通信協(xié)議、高速數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)安全和確定過程式實(shí)時(shí)處理。Atmel公司的SAM7 微控制器系列基于ARM技術(shù)，并具有USB接口，其最新的SAM7X 微控制器正朝著上述的領(lǐng)域發(fā)展。這種微控制器的工作頻率達(dá)50 MIPS，配備片上以太網(wǎng)和CAN通信協(xié)議，采用硬件實(shí)現(xiàn)的AES/3DES加密技術(shù)，安全鍵存儲(chǔ)技術(shù)以及各種外部接口包括USB、USART、串行外圍接口 (SPI)、同步串行接口 (SSC)、雙線接口SSC/I2S和雙線接口 (TWI)。該微控制器采用一個(gè)外設(shè)DMA控制器獨(dú)立實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的傳輸，無需占用 ARM7 處理器資源，并具有 8 位和 16 位處理器常備的實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制功能 (32 位系統(tǒng)很少有這些功能)，包括欠壓檢測(cè)器、上電復(fù)位電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和監(jiān)控定時(shí)器。SAM7X 微控制器還包括一些外設(shè)：一個(gè) 10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、脈沖寬度調(diào)制以及功率管理控制器。SAM7X 的存儲(chǔ)密度從 128 到 256Kbit 閃存和 32 到 64Kbit SRAM 不等。這些功能才可真正滿足嵌入式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的需求。

　　嵌入式互連的發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著越來越多設(shè)備互連在一起，連接電纜的長(zhǎng)度和網(wǎng)絡(luò)帶寬均大幅增長(zhǎng)。最大帶寬為1Mbps的CAN網(wǎng)絡(luò)逐漸達(dá)到極限，開始被100Mbps以太網(wǎng)取代。事實(shí)上，以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)使用的都是相同的通信協(xié)議，即TCP/IP。由于在將一個(gè)遠(yuǎn)程傳感器通過互聯(lián)網(wǎng)連接到某一臺(tái)PC時(shí)無需轉(zhuǎn)換協(xié)議，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)便會(huì)簡(jiǎn)化，設(shè)備的互操作性得以增強(qiáng)。采用互聯(lián)網(wǎng)這類公共通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全性的要求也大為提高。不過，CAN 也不會(huì)在一夜之間消失，而是繼續(xù)存在于嵌入式網(wǎng)絡(luò)世界內(nèi)一段時(shí)間。ZigBee 很可能在低數(shù)據(jù)傳輸率控制應(yīng)用中占一重要席位；而與PC 連接方面， USB 勢(shì)將成為標(biāo)準(zhǔn)。

　　通用串行接口 (USB) 是一種用于將外設(shè)作為即插即用設(shè)備連接到PC上的接口標(biāo)準(zhǔn)。因此，USB替代了PC上的串行接口 (UART)，而且比后者的傳輸速率更大，在全速模式下可達(dá)12Mbps。

　　隨著以太網(wǎng)協(xié)議滲透到嵌入式領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)必須能與以太網(wǎng)絡(luò)接口。SAM7X采用10/100-Mbps IEEE 802.3兼容的以太網(wǎng)媒體訪問控制器，該控制器可配置為全雙工或半雙工模式，并有一個(gè)能確保提供100Mbps數(shù)據(jù)吞吐速率的專用 DMA控制器；可編程的數(shù)據(jù)包收發(fā)間隔，并支持虛擬局域網(wǎng)標(biāo)記幀以及自動(dòng)暫停幀的生成及終止功能。雙模式接口能讓SAM7X通過媒體獨(dú)立接口或簡(jiǎn)化的媒體獨(dú)立接口 (RMII) ，無縫地接入高速以太網(wǎng)應(yīng)用中的各種物理層 (PHY) 。MII 能擴(kuò)大系統(tǒng)在物理層的選擇，而RMII 則可節(jié)省微控制器上的一些 I/O。SAM7X MCU 可直接與 POS-PHY 第2層／SPI-3 兼容的設(shè)備連接，包括與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)處理器連接。通過片上系統(tǒng)緩沖器進(jìn)行的無損失流量控制，可省去外部存儲(chǔ)器或流量控制裝置。此外，還支持高達(dá)10240字節(jié)的巨型幀。SAM7X 的地址檢查器能識(shí)別4個(gè)特定的48位地址，并包含一個(gè)64位散列寄存器，用于匹配多點(diǎn)廣播和單點(diǎn)廣播地址。它能識(shí)別所有廣播地址，復(fù)制所有數(shù)據(jù)幀，并可用于匹配外部地址。其統(tǒng)計(jì)寄存器模塊包含各種寄存器，用于記錄與收發(fā)操作相關(guān)的各種事件。這些寄存器與存儲(chǔ)在接收緩沖列表中的狀態(tài)字可通過軟件讀取，生成符合 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)管理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

　　能否高速傳輸數(shù)據(jù)？如何快速傳輸數(shù)據(jù)？

　　在絕大多數(shù)32位控制器中，處理器本身在外設(shè)和內(nèi)外存間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)每次只傳輸一個(gè)字節(jié)。如果要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，這沒什么問題。但若數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到1Mbps，即使是快速處理器也要癱瘓。在1Mbps速率下，數(shù)據(jù)傳輸占用 28% 的處理器資源；速率到 2Mbps 時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸占用 50% 以上的處理器資源；而速率達(dá)到 4Mbps 時(shí)，處理器就不能處理其他事務(wù)了。如果考慮到全速 USB2.0 的數(shù)據(jù)速率為 12Mbps，CAN 的數(shù)據(jù)速率為 1Mbps，以太網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率為 100 Mbps，SAM7 SPI 和 USART 外設(shè)的數(shù)據(jù)速率也能達(dá)到 25Mbps，那么很明顯任何一個(gè)需要在大范圍互連的嵌入式控制系統(tǒng)都必須解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。在一個(gè)涉及大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用中，微控制器能否既是網(wǎng)關(guān)又是控制器？

　　Atmel的DMA方案產(chǎn)品有一個(gè)外設(shè)DMA控制器 (PDC)，能直接將每個(gè)SAM7X 外設(shè)連接到片上內(nèi)存，并配有一個(gè)更高級(jí)的專門DMA，針對(duì)以太網(wǎng)MAC。由于 PDC 完全獨(dú)立于處理器運(yùn)行，因此它沒有任何中斷的成本，并能大幅度降低數(shù)據(jù)傳輸所需的時(shí)鐘周期數(shù)。每個(gè) SAM7X 外設(shè)都有兩條專用 PDC 通道，各用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。每個(gè) PDC 通道的用戶接口都集成在各外設(shè)的內(nèi)存中，并有一個(gè) 32 位內(nèi)存指針寄存器；一個(gè) 16 位傳輸計(jì)數(shù)寄存器；一個(gè)用于下一個(gè)存儲(chǔ)的 32 位內(nèi)存指針寄存器和一個(gè)用于下一個(gè)傳輸?shù)膫鬏斢?jì)數(shù)寄存器。外設(shè)通過收發(fā)信號(hào)觸發(fā) PDC 傳輸。當(dāng)?shù)谝粋�(gè)編程好的數(shù)據(jù)塊被傳輸后，對(duì)應(yīng)的外設(shè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)傳輸結(jié)束中斷，第二個(gè)數(shù)據(jù)塊便會(huì)自動(dòng)開始傳輸，而ARM處理器此時(shí)可并行處理第一個(gè)數(shù)據(jù)塊。這樣，就可以消除為更新處理器上DMA內(nèi)存指針?biāo)鶐�來的�?shí)時(shí)中斷限制，對(duì)于維持外設(shè)上的高速數(shù)據(jù)傳輸來說，這是非常關(guān)鍵的。

　　在這個(gè)方案下，可以隨時(shí)讀取下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鎯?chǔ)位置和剩余要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊。PDC 有一些專用的狀態(tài)寄存器，它們顯示各個(gè)傳輸通道是否激活。通過一些控制位，便可安全地讀取指針和計(jì)數(shù)寄存器，而不會(huì)出現(xiàn)兩次讀數(shù)不同的情況。PDC將狀態(tài)標(biāo)志發(fā)送給在狀態(tài)寄存器中可見的那個(gè)外設(shè)。當(dāng)該外設(shè)接收到一個(gè)外部字符，便會(huì)發(fā)送一個(gè)接收就緒的信號(hào)給PDC，而 PDC 便會(huì)請(qǐng)求訪問系統(tǒng)總線。當(dāng)該請(qǐng)求獲得允許，PDC便開始讀取外設(shè)的接收保持寄存器，然后觸發(fā)一個(gè)內(nèi)存寫操作。每次傳輸后，相關(guān)的PDC內(nèi)存指針地址將增加，剩余的傳輸數(shù)目將減少。當(dāng)內(nèi)存塊滿時(shí)，下一個(gè)內(nèi)存塊的傳輸便會(huì)自動(dòng)開始；或者會(huì)有一個(gè)信號(hào)傳送到外設(shè)，以停止傳輸。至于向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)，傳輸過程正好與此相反。如果在相同的外設(shè)上同時(shí)出現(xiàn)相同類型 (接收或發(fā)送) 的請(qǐng)求，請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)別由外設(shè)的編號(hào)決定；當(dāng)請(qǐng)求不是同時(shí)發(fā)生，則按請(qǐng)求出現(xiàn)的先后而處理。來自接收方的請(qǐng)求先處理，然后處理發(fā)送方的請(qǐng)求。

　　SAM7X 結(jié)構(gòu)中的 DMA 方案使其能同時(shí)充當(dāng)網(wǎng)關(guān)和控制器，甚至在高數(shù)據(jù)速率下也能如此。

　　實(shí)時(shí)應(yīng)用的支持

　　雖然許多 32 位系統(tǒng)廠商都努力在其微控制器上增加連通性，采用USB、以太網(wǎng)或其他協(xié)議，但大部分都不曾解決實(shí)時(shí)應(yīng)用的問題。大多數(shù)的嵌入式控制應(yīng)用是確定過程式的，即指令和數(shù)據(jù)必須在一個(gè)可以準(zhǔn)確預(yù)計(jì)的時(shí)鐘周期內(nèi)到達(dá)正確的地方。這是“實(shí)時(shí)”應(yīng)用的本質(zhì)所在。可惜，