MCU網(wǎng)絡接口方案的自由選擇
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摘要：單片機（微控制器，MCU）的連通性正成為帶一個或多個網(wǎng)絡接口MCU的附加標準。本文介紹國外帶一個或多個網(wǎng)絡接口MCU的發(fā)展、網(wǎng)絡構成、芯片選擇、嵌入式無線網(wǎng)絡及其應用情況。
關鍵詞：MCU網(wǎng)絡 網(wǎng)絡接口 嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡 嵌入式無線網(wǎng)絡
微控制器不再工作于隔離狀態(tài)，從工廠樓層到汽車內(nèi)部，到處都有分布計算駐留。帶雙以太網(wǎng)或CAN（控制局域網(wǎng)）總線接口的MCU是很有用的，而這還只是冰山一角。
當今，有各種形式和大小的網(wǎng)絡。許多嵌入式系統(tǒng)已有多種網(wǎng)絡。隨著TCA（電信計算架構）的新進展，其開關結構網(wǎng)絡（switch-fabric network）引人注意。它可以是以太網(wǎng)，使用了一對I2C(內(nèi)部集成電路)總線來支持IPM（綜合功率管理）控制器（IPMC），這是架構管理支持的一部分。
今天，雖然獲得通信軟件相當復雜，但是選擇一種與網(wǎng)絡匹配的MCU是相當容易的。在多節(jié)點或多網(wǎng)絡中采用分區(qū)（或分塊）應用，可以解決耐用性方面的問題。與分布處理器相比，聯(lián)網(wǎng)還能減少電纜需求，并允許系統(tǒng)由廉價的MCU陣列組成，從而代替一對高性能的處理器。
MCU網(wǎng)絡覆蓋了廣泛的嵌入式環(huán)境。以太網(wǎng)是最流行的網(wǎng)絡，特別是對因特網(wǎng)與局域網(wǎng)的連通。RS-232接口很流行，但它的速度慢，主要用來控制的裝置；而應用于網(wǎng)絡的網(wǎng)關，則對接口的要求更高。對許多嵌入式設計問題。研發(fā)者可選一個或多個合適的網(wǎng)絡接口來解決。
1 網(wǎng)絡與外設
很多流行的網(wǎng)絡接口都是裝在MCU上的（見表1和表2所列）。串行接口很流行，它主要用于串行接口設備，但并不支持網(wǎng)絡。有些接口執(zhí)行SLIP（串行鏈路接口協(xié)議）或PPP（點對點協(xié)議），通過調(diào)制解調(diào)器（MODEM）與因特網(wǎng)連接。
表1 連接總線用在MCU網(wǎng)絡的情況
| 總線名稱 | 所占百分比/（%） |
| RS-232 | 57.5 |
| 以太網(wǎng) | 39.3 |
| USB（通用串行總線） | 20.0 |
| CAN（控制域網(wǎng)絡） | 17.8 |
| 802.11（無線） | 7.9 |
| 藍牙（短距離無線） | 8.6 |
| 火線/1394（高速串行總線） | 5.7 |
| 專門的 | 15.8 |
| 其它 | 20.4 |
| 無名 | 4.7 |
表2 網(wǎng)絡接口
| 接 口 | 性能說明 | 傳輸速度/距離 | 架 構 | 協(xié) 議 | 連線數(shù) |
| 以太 | 10/100/1000BaseT局域網(wǎng)（LAN） | 10、100、1000Mb/s 100以上 |
多主機，CSMA/CD | IPv4,IPv6, TPP/IP |
4(Cat5) 光 |
| 1394b | 火線LAN/外設網(wǎng)絡 | 8002400Mb/s 100mUTP（未屏蔽雙絞線） |
多主機 | 1394 TCP/IP |
6 光 |
| USB | 通用串行總線外設網(wǎng)絡 | 12Mb/s sv1.1 480Mb/s sv2,0 25m |
主/從 星形 127個設備 |
USB | 4 |
| SPI | 串行外設接口設備網(wǎng)絡 | 1Mb/s 5m |
主/從 | - | 3加線地和片選 |
| I2C | 內(nèi)部集成電路設備網(wǎng)絡 | 1000kb/s 標準 400kb/s 快速 3.4Mb/s 高速 10m |
主/從 多個主機 |
- | 2加地線 |
| CAN | 控制域網(wǎng)絡設備網(wǎng)絡 | 1Mb/s 40m 10kb/s 5000m |
主/從 多個主機 |
CANopen | 1加地線 差分 光 |
| LIN | 局部互連網(wǎng)絡設備網(wǎng)絡 | 20kb/s 80m |
主/從 16個設備 |
LIN 觸發(fā)時間 |
1加地線 |
| 1Wire | Maxim(專用) | 16kb/s 140kb/s 600m |
主/從 | 1Wire | 1加地線 |
以太網(wǎng)是現(xiàn)在最通用的，其高速硬件很容易插入片上系統(tǒng)（SoC）。為把多種設備與因特網(wǎng)連接起來，增加以太網(wǎng)已變得很重要。
后來，USB（通用串行總線）在MCU中更多地出現(xiàn)。最初，是把MCU當成一個USB外設來處理。支持USB的主機總是有用的，MCU被用作像鍵盤一樣帶有PC風格的設備，而且與存儲設備和其它USB外設一起工作得非常好。USB在那些靠近主機的外部嵌入式網(wǎng)絡中變得更加重要。
正在慢慢嵌入MCU的接口有1394（高速總線接口）。這種情況可能隨著1394b的出現(xiàn)而變化，它強調(diào)是作為多媒體網(wǎng)絡的基礎設施。
CAN總線是一種網(wǎng)絡接口，其流行的程序與以太網(wǎng)相同，尤其是當它進入汽車和過程控制環(huán)境后，就更是這樣了。
2 設備網(wǎng)絡
MCU更通用的是與CAN、LIN（局部互連網(wǎng)絡）、SPI（串行外設接口）、I2C和單線（1Wire）總線相連接。雖然這些接口的運行速度比以太網(wǎng)慢，但它們更容易實現(xiàn)。有些設備的主裝置，像單線協(xié)議，能完全用軟件實現(xiàn)，而以太網(wǎng)則很少有能這樣做的設備。
CAN已在汽車和過程控制工業(yè)中找到了自己的位置。它受到廣泛支持，并適合嵌入式應用范圍，常用于LIN的分級網(wǎng)絡。
速度為20kb/s的LIN適合低性能網(wǎng)絡。雖然瞄準的是汽車工業(yè)，但LIN可作為傳感器，方便地進入其它嵌入式應用網(wǎng)絡。CAN和LIN都有單線設計的優(yōu)點。作為大多數(shù)單線設計，對設備采取共地是有效的。
國家半導體和摩托羅拉公司開發(fā)了SPI，它使用主/從架構方式，與從機的數(shù)據(jù)收集、整理系統(tǒng)鏈接在一起（daisy-chain together），如力所示。要實現(xiàn)串行外設接口是相當簡單的，為保持靠近主機的SPI從機，使用單獨的芯片選擇。
I2C使用雙線時鐘總線，支持主/從和多架構。從先進的TCA到電池的監(jiān)視。I2C已在廣泛的嵌入式應用范圍內(nèi)找到了自己的位置。一個運行在3.4Mb/s下的高速能版本工作在100kb/s范圍內(nèi)時也同樣的好。飛利浦是I2C的支持者之一。
I2C的同步特性及其每個字節(jié)的證實（per-byteacknowledgement），使它能相當容易地用硬件實現(xiàn)。如沒有大量的軟件開銷，它本身對UART（通用異步收發(fā)器）的執(zhí)行是沒有幫助的。與以太網(wǎng)、CAN和LIN比較、I2C有廣泛的零售商支持。
單線架構是專用的只有一條連線的主/從網(wǎng)絡。主網(wǎng)絡可由任何人開發(fā)，但從網(wǎng)絡必注冊。有各種消息來源（source）提供給單線從設備。此架構對簡單、低功耗設備是很有用的。
在MCU上，單獨的網(wǎng)絡接口已成功一段時間了。后來，更多出現(xiàn)的是多于一個接口的MCU。這允許MCU作網(wǎng)絡之間連接的網(wǎng)關。
3 網(wǎng)關芯片
帶有一對網(wǎng)絡接口的MCU，在從Ubicom公司的低價IP3023網(wǎng)絡處理器（它能支持6種網(wǎng)絡）到NEC公司的400MHz、64位Vr7701處理器（它帶有一對10/100Mb/s的以太網(wǎng)接口）上都能運行。這些MCU能輕松地支持常駐的網(wǎng)關和機頂盒應用。許多MCU零售商正推動在此范圍應用的解決方法。以太網(wǎng)的網(wǎng)關保持了在SOHO（小型辦公和家庭辦公）環(huán)境的流行。借助于裝運（shipment），CAN到CAN的網(wǎng)關卻領選于以太網(wǎng)，這是因為它位于大多數(shù)汽車內(nèi)。
網(wǎng)橋應用構成了另一領域，在那里MCU已應用于娛樂、玩耍和表演。在這些應用中，不同的網(wǎng)絡連接在一起。CAN到LIN的網(wǎng)橋，比如三菱電子公司的M16C產(chǎn)品，就用在了汽車環(huán)境。在該環(huán)境中，可能要支持多個網(wǎng)橋來隔離汽車電子設備的不同部分。CAN到LIN網(wǎng)橋能接入廉價的LIN從處理器進行存取。雖然CAN是相當便宜的網(wǎng)絡，但LIN設備更加便宜。二者都采用了單線連接，使得關鍵選擇因素的成本變得較低，如圖2所示。
今天，以太網(wǎng)到I2C和以太網(wǎng)到SPI，實際上是在計算機系統(tǒng)管理下完成的。類似的，CAN設備都在過程控制環(huán)境中流行。有幾個例子，包括Microchip公司的PIC MCU和日本日六公司的H8產(chǎn)品都帶有CAN 2.0b，并支持SPI或I2C網(wǎng)絡。甚至有單個的設備，像Lan-tronix Xport，它使用了X186（基于DSTNI LX）的MCU，帶內(nèi)置橋接串行設備的以太網(wǎng)，整個系統(tǒng)內(nèi)部裝配置有擴展的RJ45插座（即水晶頭）。
至今，無線網(wǎng)絡可以肯定會流行，但事例了MCU的流行無線解決方案尚未出現(xiàn)，如802.11、藍牙和ZigBee(802.15)全都需要在MCU外有大量的硬件電路塊。支持的網(wǎng)絡協(xié)議和以太網(wǎng)是相同級別的，要把協(xié)議集成到小的網(wǎng)絡內(nèi)困難更多。ZigBee要整合到MCU內(nèi)，看起來是最容易的，因為它的工作速度更慢，所需的功耗更低，協(xié)議更簡單。
駐留的網(wǎng)關，特別是那些無線網(wǎng)關，在嵌入式網(wǎng)絡中對安全的要求比對隔離的要求更高一些。這就是為什么像IDT公司的RC32365芯片整合了加密硬件的原理。為支持VPN（Virtual Person Network，虛擬個人網(wǎng)絡）設計提供的MCU，還需要包括一對以太網(wǎng)MAC（媒體存取控制）和SPI。
分布嵌入式系統(tǒng)的解決方法，容易用這樣的MCU來構成，這些MCU內(nèi)整合了大部分（如果說不是全部的話）一個或多個網(wǎng)絡所需的硬件。選擇正確的網(wǎng)絡可能是一個更困難的任務，但至少有相當大的范圍可自由選擇，這是有益的。
5 單線網(wǎng)絡
單線是Maxim公司集成產(chǎn)品專用網(wǎng)絡架構。其獲益來自廉價的主/從架構，包括給通信所用的小線路上提供小功率的能力。
單線主機在MCU上僅使用單根I/O線，通過軟件很容易實現(xiàn)。許多MCU已有單線主機路由。USB-單線和串行-單線的網(wǎng)橋芯片也都已出現(xiàn)。
主機沒有注冊限制，注冊隨從機進入運行，每個從機有一個唯一的64位串行號。初始握手協(xié)議允許主機單獨地識別每臺從機。
在戴爾半導體/Maxim公司工作的自動化信息產(chǎn)品經(jīng)理Hal Kurkowski指出：單線方法能給從設備供電（如圖3所示）。當數(shù)據(jù)傳輸時，電容器維持設備上的電壓。
在必要時，結構主機有可能通過總線提供更大的功率。在此情況，主機必須能編程，這樣在請求送到從設備后，22Ω電源電阻被交替切換。有一個基于快閃存儲器設備的例子，對存儲器編程時需要更多的功率。此時主機將對設備發(fā)送請求，切入電源，等待規(guī)定的時間到后，再切回到1.2kΩ電阻。
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