互連嵌入式系統(tǒng)的演變

　　過去嵌入式系統(tǒng)通常是深嵌于最終產品之中，以系統(tǒng)控制為基礎，一般不與外界連接。其微控制器在一個相當封閉的系統(tǒng)中工作，定時查詢外設、收集數(shù)據(jù)、完成簡單的處理工作，以及控制開關和LED指示燈。此外，微控制器也進行少量的數(shù)據(jù)操作或數(shù)據(jù)傳輸。由于它們不會與局域網(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、甚至上百個控制器連接在一起。舉例說，汽車制造和工業(yè)控制領域中的CAN有上百個微控制器在相互作用；ZigBee 無線控制網(wǎng)絡也有若多數(shù)量的微控制器互連在一起。而且，隨著嵌入式網(wǎng)絡越來越復雜(因此需要更大的網(wǎng)絡帶寬和更遠的傳輸距離)，嵌入式以太網(wǎng)也開始涉足于工業(yè)控制、建筑物自動化、醫(yī)療和保安產品市場。

　　目前市場的發(fā)展趨勢是將這些局域網(wǎng)需要通過企業(yè)內聯(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，導致微控制器必須具備更多性能：更強的互連性，增加程序和數(shù)據(jù)內存空間來支持相應的通信協(xié)議，提高性能和處理帶寬以進行系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)、執(zhí)行通信協(xié)議和提供嚴密的保安能力。在需要通過內聯(lián)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控CAN或ZigBee 網(wǎng)絡的應用環(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)絡以及其他網(wǎng)絡協(xié)議，更必須具有先進的安全加密算法。

　　另一個影響嵌入式系統(tǒng)的因素是通用串行總線 (USB) 的快速普及，尤其是在 PC 及其外設領域。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是一種內置豐富驅動程序的即插即用式總線接口，能縮短開發(fā)周期和設備安裝時間。不但設計人員喜歡這種接口，終端用戶也因為不必為新購的外設安裝加載新的設備驅動程序而樂于使用。再考慮到采用筆記本電腦對復印機、自助售貨機、ATM機，工廠自動化設備、家用安全系統(tǒng)等完成系統(tǒng)設置和現(xiàn)場服務，可以預計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，隨著嵌入式系統(tǒng)越來越多地通過使用外部網(wǎng)絡來監(jiān)控，尤其是該系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)或無線網(wǎng)絡來訪問時，對保安的要求必然會更高。沒有人能容忍局外人惡意破壞系統(tǒng)、關斷防火報警系統(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)。

　　對微控制器結構的意義：高帶寬、高互連性、高可預見性

　　嵌入式系統(tǒng)朝著嵌入式網(wǎng)絡的趨勢發(fā)展從根本上改變了其結構，而結構卻是人們在選擇一個微控制器時必須考慮的。微控制器必須具有多種網(wǎng)絡協(xié)議接口，能傳輸并驗證大量數(shù)據(jù)，足夠的安全性以及內存和處理能力，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。8位和16位處理器顯然在內存資源和處理能力上達不到這些要求，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32位處理器來說卻很罕有。此外，對成本敏感的系統(tǒng)還得與8位和16位微控制器的價格相若，而且配套開發(fā)工具的價格也必須容易接受。

　　要適應嵌入式市場不斷增長的互連需求和支持這類應用的實時性要求，這種處理器還是不夠的。要滿足現(xiàn)今的互連應用環(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時處理。Atmel公司的SAM7 微控制器系列基于ARM技術，并具有USB接口，其最新的SAM7X 微控制器正朝著上述的領域發(fā)展。這種微控制器的工作頻率達50 MIPS，配備片上以太網(wǎng)和CAN通信協(xié)議，采用硬件實現(xiàn)的AES/3DES加密技術，安全鍵存儲技術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外設DMA控制器獨立實現(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 位處理器常備的實時系統(tǒng)控制功能 (32 位系統(tǒng)很少有這些功能)，包括欠壓檢測器、上電復位電路、實時時鐘和監(jiān)控定時器。SAM7X 微控制器還包括一些外設：一個 10位模數(shù)轉換器、脈沖寬度調制以及功率管理控制器。SAM7X 的存儲密度從 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)絡環(huán)境的需求。

　　嵌入式互連的發(fā)展趨勢

　　隨著越來越多設備互連在一起，連接電纜的長度和網(wǎng)絡帶寬均大幅增長。最大帶寬為1Mbps的CAN網(wǎng)絡逐漸達到極限，開始被100Mbps以太網(wǎng)取代。事實上，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。由于在將一個遠程傳感器通過互聯(lián)網(wǎng)連接到某一臺PC時無需轉換協(xié)議，因此整個網(wǎng)絡便會簡化，設備的互操作性得以增強。采用互聯(lián)網(wǎng)這類公共通信網(wǎng)絡對安全性的要求也大為提高。不過，CAN 也不會在一夜之間消失，而是繼續(xù)存在于嵌入式網(wǎng)絡世界內一段時間。ZigBee 很可能在低數(shù)據(jù)傳輸率控制應用中占一重要席位；而與PC 連接方面， USB 勢將成為標準。

　　通用串行接口 (USB) 是一種用于將外設作為即插即用設備連接到PC上的接口標準。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12Mbps。

　　隨著以太網(wǎng)協(xié)議滲透到嵌入式領域，嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡必須能與以太網(wǎng)絡接口。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)標記幀以及自動暫停幀的生成及終止功能。雙模式接口能讓SAM7X通過媒體獨立接口或簡化的媒體獨立接口 (RMII) ，無縫地接入高速以太網(wǎng)應用中的各種物理層 (PHY) 。MII 能擴大系統(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 兼容的設備連接，包括與標準網(wǎng)絡處理器連接。通過片上系統(tǒng)緩沖器進行的無損失流量控制，可省去外部存儲器或流量控制裝置。此外，還支持高達10240字節(jié)的巨型幀。SAM7X 的地址檢查器能識別4個特定的48位地址，并包含一個64位散列寄存器，用于匹配多點廣播和單點廣播地址。它能識別所有廣播地址，復制所有數(shù)據(jù)幀，并可用于匹配外部地址。其統(tǒng)計寄存器模塊包含各種寄存器，用于記錄與收發(fā)操作相關的各種事件。這些寄存器與存儲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 標準的網(wǎng)絡管理統(tǒng)計數(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，處理器本身在外設和內外存間傳輸數(shù)據(jù)時每次只傳輸一個字節(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，數(shù)據(jù)傳輸占用 50% 以上的處理器資源；而速率達到 4Mbps 時，處