MCU正越来越多地应用于与因特网连接设计

与因特网的连接需求正在向所有的市场领域渗透,从电冰箱到各种仪表的设计开发都已留意到这一市场呼唤:嵌入因特网。一个设计人员一生中最激动的时刻之一莫过于听到市场喊出这样几个字:“我们要求在产品中增加因特网接入功能。”

Rodger Richey

产品应用部经理

Microchip Technology Inc.

令设计人员兴奋不已的是,他们终于有机会涉足与因特网连接这一设计领域,但经过几周的研究后,他们的得意逐渐被失落代替,因为摆在他们面前的是这样的现实:在实现连接功能之后,几乎没有多少资源留给实际的应用。

与因特网的连接给任一处理器或微控制器的关键核心资源增加了沉重的负担,它要求更大的程序存储器、更大的数据存储器和更高的工作主频。这曾经一度是32位微控制器的领域,但新开发的具有更大存储空间、更快的8位微控制器正在推动大众化因特网接入设备的发展。微控制器制造商一直在关注这一因特网连接市场,并已着手设计具有更大内存和更高主频的8位产品,以进一步推动这一应用市场的发展。

传输媒介和协议

与因特网的连接设计包含两个方面。一个是信息传输的媒介,有线连接包括以太网、电话线和电力线,无线连接包括标准射频传输、扩频和蜂窝电话网。增长最快的嵌入式因特网连接市场是家庭应用,目前大多数家庭都没有铺设以太网,因而只能依靠两线式的连接媒介(电话线或电力线)或以某种形式的短距射频作为传输媒介。虽然在某些情况下,微控制器不直接控制在媒介上发送和接收信息的硬件,但它必须要能和这种应用合拍。当数据传输率超过千兆时,微控制器的主频必须快到足以处理这些信息。

嵌入式因特网连接设计的另一个方面涉及到所使用的协议。这里,不仅控制和路由是重要信息,而且有些信息传输还要求认证、安全和加密。这些协议要求有更快的处理能力来配合传输率,需要更大的内存来存储处理这些协议的软件及应用程序代码,短距射频系统可能需要可以传送信息的基本协议,以及一些个体设备互相进行认证的方法。

如何认证

以住宅无线安全报警系统为例。房屋的每个窗子都有一个传感器,窗子一开就会触发,系统需要为主控制系统认证这些窗上的传感器,这样才不会使采用同一报警系统的相邻窗户都报警。另一个例子是监测车胎空气压力的系统。车子的每个轮子都有一个传感器,它们不断地向接收装置发送压力信息。如果某辆车上的这种系统读取的是旁边一辆车的车胎压力信息,车主会大为恼火。

为说明内存需求,我们举一个使用Microchip Technology公司PIC18F452闪存微控制器的典型应用实例。该系统要使用认证技术、加密技术和TCP/IP堆栈来传输信息,认证采用Keeloq跳码算法,占用3KB内存,加密采用AES/Rijndael算法,占3KB内存,Iosoft公司的TCP/IP堆栈则占8KB内存。这3个协议本身就占14KB的程序存储空间,几乎是PIC18F452程序存储容量的一半。若微控制器工作主频为40MHz,它就能迅速地鉴别设备身份、用TCP/IP堆栈处理输入数据,并在下一条信息到来前,处理通讯握手、信息路由及数据解密。

更大、更强、更快

考虑到这些因素,8位微控制器不得不设计得像个仿生人那样才能处理这些任务,它必须更大、更强及更快。30年前,阿波罗登月计划中控制整个太空飞船的程序存储器比现在计算机普通鼠标的存储器大不了多少。10年前,一个典型8位微控制器也很少有超过4KB的程序存储器。而现在,拥有128KB以上内存的8位微控制器已经很常见了。

另外,对数据存储器的需求也越来越大,因为发送的以太网数据包可能相当大,达到1,500个字节以上。而一个早期的典型微控制器的RAM则少于100个字节。集成了RAM的以太网控制器通常只有8到20KB的RAM来存储几个进出数据包,如果没有扩展存储器,认证、加密和消息传输协议将占用所有的空间,实际应用程序所能得到的只是一些零碎空间。

另一个同样重要的性能是微控制器的工作频率。为了能够处理信息和满足大数据传输率需要,微控制器必须运行得更快。提高主频以及改造指令集以提供更精简和更强大的指令,都将提高处理能力。基于RISC技术的微控制器就有一套非常小却非常强大的指令集。

通过主频和指令集来提高器件处理能力的一个例子是PIC16Fxxx到PIC18Fxxx的升级。PIC16Fxxx系列最大主频为20MHz,配一套含35条指令的指令集。PIC18Fxxx是PIC16Fxxx的一个升级产品,主频40MHz,包含77条指令。 在倍增频率的同时,PIC18Fxxx添加了些额外的指令,如条件转移指令、比较指令等。这些指令有助于使为认证、加密或TCP/IP协议编写的代码变得明晰。