與因特網的連接需求正在向所有的市場領域滲透,從電冰箱到各種儀表的設計開發都已留意到這一市場呼喚:嵌入因特網。一個設計人員一生中最激動的時刻之一莫過于聽到市場喊出這樣幾個字:“我們要求在產品中增加因特網接入功能。”

Rodger Richey

產品應用部經理

Microchip Technology Inc.

令設計人員興奮不已的是,他們終于有機會涉足與因特網連接這一設計領域,但經過幾周的研究后,他們的得意逐漸被失落代替,因為擺在他們面前的是這樣的現實:在實現連接功能之后,幾乎沒有多少資源留給實際的應用。

與因特網的連接給任一處理器或微控制器的關鍵核心資源增加了沉重的負擔,它要求更大的程序存儲器、更大的數據存儲器和更高的工作主頻。這曾經一度是32位微控制器的領域,但新開發的具有更大存儲空間、更快的8位微控制器正在推動大眾化因特網接入設備的發展。微控制器制造商一直在關注這一因特網連接市場,并已著手設計具有更大內存和更高主頻的8位產品,以進一步推動這一應用市場的發展。

傳輸媒介和協議

與因特網的連接設計包含兩個方面。一個是信息傳輸的媒介,有線連接包括以太網、電話線和電力線,無線連接包括標準射頻傳輸、擴頻和蜂窩電話網。增長最快的嵌入式因特網連接市場是家庭應用,目前大多數家庭都沒有鋪設以太網,因而只能依靠兩線式的連接媒介(電話線或電力線)或以某種形式的短距射頻作為傳輸媒介。雖然在某些情況下,微控制器不直接控制在媒介上發送和接收信息的硬件,但它必須要能和這種應用合拍。當數據傳輸率超過千兆時,微控制器的主頻必須快到足以處理這些信息。

嵌入式因特網連接設計的另一個方面涉及到所使用的協議。這里,不僅控制和路由是重要信息,而且有些信息傳輸還要求認證、安全和加密。這些協議要求有更快的處理能力來配合傳輸率,需要更大的內存來存儲處理這些協議的軟件及應用程序代碼,短距射頻系統可能需要可以傳送信息的基本協議,以及一些個體設備互相進行認證的方法。

如何認證

以住宅無線安全報警系統為例。房屋的每個窗子都有一個傳感器,窗子一開就會觸發,系統需要為主控制系統認證這些窗上的傳感器,這樣才不會使采用同一報警系統的相鄰窗戶都報警。另一個例子是監測車胎空氣壓力的系統。車子的每個輪子都有一個傳感器,它們不斷地向接收裝置發送壓力信息。如果某輛車上的這種系統讀取的是旁邊一輛車的車胎壓力信息,車主會大為惱火。

為說明內存需求,我們舉一個使用Microchip Technology公司PIC18F452閃存微控制器的典型應用實例。該系統要使用認證技術、加密技術和TCP/IP堆棧來傳輸信息,認證采用Keeloq跳碼算法,占用3KB內存,加密采用AES/Rijndael算法,占3KB內存,Iosoft公司的TCP/IP堆棧則占8KB內存。這3個協議本身就占14KB的程序存儲空間,幾乎是PIC18F452程序存儲容量的一半。若微控制器工作主頻為40MHz,它就能迅速地鑒別設備身份、用TCP/IP堆棧處理輸入數據,并在下一條信息到來前,處理通訊握手、信息路由及數據解密。

更大、更強、更快

考慮到這些因素,8位微控制器不得不設計得像個仿生人那樣才能處理這些任務,它必須更大、更強及更快。30年前,阿波羅登月計劃中控制整個太空飛船的程序存儲器比現在計算機普通鼠標的存儲器大不了多少。10年前,一個典型8位微控制器也很少有超過4KB的程序存儲器。而現在,擁有128KB以上內存的8位微控制器已經很常見了。

另外,對數據存儲器的需求也越來越大,因為發送的以太網數據包可能相當大,達到1,500個字節以上。而一個早期的典型微控制器的RAM則少于100個字節。集成了RAM的以太網控制器通常只有8到20KB的RAM來存儲幾個進出數據包,如果沒有擴展存儲器,認證、加密和消息傳輸協議將占用所有的空間,實際應用程序所能得到的只是一些零碎空間。

另一個同樣重要的性能是微控制器的工作頻率。為了能夠處理信息和滿足大數據傳輸率需要,微控制器必須運行得更快。提高主頻以及改造指令集以提供更精簡和更強大的指令,都將提高處理能力。基于RISC技術的微控制器就有一套非常小卻非常強大的指令集。

通過主頻和指令集來提高器件處理能力的一個例子是PIC16Fxxx到PIC18Fxxx的升級。PIC16Fxxx系列最大主頻為20MHz,配一套含35條指令的指令集。PIC18Fxxx是PIC16Fxxx的一個升級產品,主頻40MHz,包含77條指令。 在倍增頻率的同時,PIC18Fxxx添加了些額外的指令,如條件轉移指令、比較指令等。這些指令有助于使為認證、加密或TCP/IP協議編寫的代碼變得明晰。