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與因特網(wǎng)的連接需求正在向所有的市場領(lǐng)域滲透,從電冰箱到各種儀表的設(shè)計開發(fā)都已留意到這一市場呼喚:嵌入因特網(wǎng)。一個設(shè)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(chǎn)品中增加因特網(wǎng)接入功能?！?
Rodger Richey
產(chǎn)品應(yīng)用部經(jīng)理
Microchip Technology Inc.
令設(shè)計人員興奮不已的是,他們終于有機(jī)會涉足與因特網(wǎng)連接這一設(shè)計領(lǐng)域,但經(jīng)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(xiàn)實:在實現(xiàn)連接功能之后,幾乎沒有多少資源留給實際的應(yīng)用。
與因特網(wǎng)的連接給任一處理器或微控制器的關(guān)鍵核心資源增加了沉重的負(fù)擔(dān),它要求更大的程序存儲器、更大的數(shù)據(jù)存儲器和更高的工作主頻。這曾經(jīng)一度是32位微控制器的領(lǐng)域,但新開發(fā)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(wǎng)接入設(shè)備的發(fā)展。微控制器制造商一直在關(guān)注這一因特網(wǎng)連接市場,并已著手設(shè)計具有更大內(nèi)存和更高主頻的8位產(chǎn)品,以進(jìn)一步推動這一應(yīng)用市場的發(fā)展。
傳輸媒介和協(xié)議
與因特網(wǎng)的連接設(shè)計包含兩個方面。一個是信息傳輸?shù)拿浇?有線連接包括以太網(wǎng)、電話線和電力線,無線連接包括標(biāo)準(zhǔn)射頻傳輸、擴(kuò)頻和蜂窩電話網(wǎng)。增長最快的嵌入式因特網(wǎng)連接市場是家庭應(yīng)用,目前大多數(shù)家庭都沒有鋪設(shè)以太網(wǎng),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(fā)送和接收信息的硬件,但它必須要能和這種應(yīng)用合拍。當(dāng)數(shù)據(jù)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(wǎng)連接設(shè)計的另一個方面涉及到所使用的協(xié)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(rèn)證、安全和加密。這些協(xié)議要求有更快的處理能力來配合傳輸率,需要更大的內(nèi)存來存儲處理這些協(xié)議的軟件及應(yīng)用程序代碼,短距射頻系統(tǒng)可能需要可以傳送信息的基本協(xié)議,以及一些個體設(shè)備互相進(jìn)行認(rèn)證的方法。
如何認(rèn)證
以住宅無線安全報警系統(tǒng)為例。房屋的每個窗子都有一個傳感器,窗子一開就會觸發(fā),系統(tǒng)需要為主控制系統(tǒng)認(rèn)證這些窗上的傳感器,這樣才不會使采用同一報警系統(tǒng)的相鄰窗戶都報警。另一個例子是監(jiān)測車胎空氣壓力的系統(tǒng)。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(fā)送壓力信息。如果某輛車上的這種系統(tǒng)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(nèi)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(yīng)用實例。該系統(tǒng)要使用認(rèn)證技術(shù)、加密技術(shù)和TCP/IP堆棧來傳輸信息,認(rèn)證采用Keeloq跳碼算法,占用3KB內(nèi)存,加密采用AES/Rijndael算法,占3KB內(nèi)存,Iosoft公司的TCP/IP堆棧則占8KB內(nèi)存。這3個協(xié)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(shè)備身份、用TCP/IP堆棧處理輸入數(shù)據(jù),并在下一條信息到來前,處理通訊握手、信息路由及數(shù)據(jù)解密。
更大、更強(qiáng)、更快
考慮到這些因素,8位微控制器不得不設(shè)計得像個仿生人那樣才能處理這些任務(wù),它必須更大、更強(qiáng)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(xiàn)在計算機(jī)普通鼠標(biāo)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(xiàn)在,擁有128KB以上內(nèi)存的8位微控制器已經(jīng)很常見了。
另外,對數(shù)據(jù)存儲器的需求也越來越大,因為發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包可能相當(dāng)大,達(dá)到1,500個字節(jié)以上。而一個早期的典型微控制器的RAM則少于100個字節(jié)。集成了RAM的以太網(wǎng)控制器通常只有8到20KB的RAM來存儲幾個進(jìn)出數(shù)據(jù)包,如果沒有擴(kuò)展存儲器,認(rèn)證、加密和消息傳輸協(xié)議將占用所有的空間,實際應(yīng)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(shù)據(jù)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(qiáng)大的指令,都將提高處理能力。基于RISC技術(shù)的微控制器就有一套非常小卻非常強(qiáng)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(chǎn)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(zhuǎn)移指令、比較指令等。這些指令有助于使為認(rèn)證、加密或TCP/IP協(xié)議編寫的代碼變得明晰。
