以太網(wǎng)上基于MCU的嵌入式設(shè)計(jì)提供了財(cái)政預(yù)算案

連接嵌入式設(shè)備是必須具備的，因?yàn)槲覀冞M(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)（IOT）世界上普遍的互聯(lián)網(wǎng)。無(wú)線連接似乎是主要趨勢(shì)，但大多數(shù)無(wú)線設(shè)備最終需要找到一個(gè)有線互聯(lián)網(wǎng)連接增加帶寬和可靠性。我們的好朋友仍需要在中心，聚集，橋梁，存儲(chǔ)傳統(tǒng)的有線以太網(wǎng)連接和應(yīng)用程序服務(wù)器的嵌入式節(jié)點(diǎn)。低成本的傳感器也可以使用無(wú)線解決方案的有線以太網(wǎng)代替時(shí)費(fèi)用，帶寬，方便性，或可靠性問(wèn)題排除一個(gè)無(wú)線方法。幸運(yùn)的是，許多低成本MCU系列現(xiàn)在提供有線以太網(wǎng)的支持，使傳感器，價(jià)格低廉的橋梁和連接聚合可以在不“破”的預(yù)算銀行的發(fā)展。

本文將提供廉價(jià)的MCU的支持有線以太網(wǎng)連接的類型的概述。一些常見的嵌入式應(yīng)用，其中有線連接將被期望的實(shí)施例將給出以說(shuō)明如何關(guān)鍵的MCU特性和功能匹配重要應(yīng)用要求。

在嵌入式領(lǐng)域的以太網(wǎng)連接

以太網(wǎng)是在嵌入式系統(tǒng)這樣一個(gè)普遍的元素，我們通常不會(huì)給它太多的思想 - 它只是“以太”在這臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。自1985年最初的標(biāo)準(zhǔn)化以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展壯大，從原來(lái)的3 Mbit / s的數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Gbit / s的演變，并衍生出了各種不同的媒體和連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。多層OSI模型和基礎(chǔ)信息結(jié)構(gòu)的靈活性，支持已使以太網(wǎng)生存和繁榮了幾十年的發(fā)展和優(yōu)化。

嵌入式設(shè)備使用以太網(wǎng)連接來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)和控制信息。更先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)可以使用以太網(wǎng)發(fā)送和接收代碼更新增加新的功能，并修復(fù)漏洞或安全弱點(diǎn)可以被黑客利用來(lái)竊取機(jī)密信息。這些更新必須受到保護(hù)，免受安全漏洞，或者黑客可以使用更新功能完全破壞系統(tǒng)，并以此為切入點(diǎn)，以攻擊網(wǎng)絡(luò)的其他部分。甚至低成本的嵌入式系統(tǒng)可以使用遠(yuǎn)程更新的方便的，所以即使當(dāng)設(shè)計(jì)完成安全某種程度，必須考慮“上的預(yù)算”。

其中一個(gè)原因以太網(wǎng)已存活，只要是該標(biāo)準(zhǔn)的早期版本已經(jīng)變得越來(lái)越具有成本效益。例如，在低帶寬10兆比特/秒，其標(biāo)準(zhǔn)（10BASE-T和100BASE-TX）的100 Mbit / s的版本，在雙絞線電纜和8P8C模塊化連接器上運(yùn)行，還是標(biāo)準(zhǔn)化后，甚至幾十年的一個(gè)流行的版本。這些版本現(xiàn)在普遍支持低成本的MCU，可提供甚至顯著成本受限的設(shè)計(jì)連接。

有關(guān)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)向Digi-Key提供的資源，如Microchip的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊上的嵌入式以太網(wǎng)的討論以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并支持以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的詳細(xì)信息。

在預(yù)算以太網(wǎng)連接

MCU供應(yīng)商甚至在他們的一些最低端的設(shè)備提供以太網(wǎng)連接。這使得可以給互聯(lián)網(wǎng)連接添加到甚??至低成本傳感器，控制器，以及其他元件在分布式系統(tǒng)的周邊。其中最普遍的MCU系列是Microchip的PIC的，和PIC18F MCU系列具有片上10BASE-T以太網(wǎng)控制器和PHY集成的一些成員。這使得有可能連接到以太網(wǎng)僅使用一個(gè)外部連接器集成磁，就像貝爾保險(xiǎn)絲S811-1X1T-06-F。的集成的PHY是很簡(jiǎn)單的，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了低速10BASE-T標(biāo)準(zhǔn)中，但它仍然可以連接到100BASE-T和由于它們的向后兼容性1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)。

盡管Microchip的PIC18F97J60 MCU低廉，以太網(wǎng)控制器有幾個(gè)先進(jìn)的功能，可以很容易就實(shí)現(xiàn)了更高層次的通信協(xié)議所需的軟件。正如圖1的8字節(jié)以太網(wǎng)RAM緩存器被包括在控制器本地分組存儲(chǔ)減少對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)器帶寬要求。仲裁器管理對(duì)從DMA控制器中，CPU，發(fā)送塊的數(shù)據(jù)緩沖器，并接收塊以最大化性能和效率。

其中的PIC18F以太網(wǎng)控制器等先進(jìn)功能，是在一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)包的接收喚醒能力。這是在傳感器應(yīng)用中??，器件可被置于低功率模式，直到讀出需要特別有用的。當(dāng)接收喚醒分組中的CPU被中斷和轉(zhuǎn)換出的低功耗狀態(tài)。傳感器讀數(shù)制成，傳回通過(guò)以太網(wǎng)主機(jī)。該CPU返回到低功耗模式，直到接收到另一個(gè)喚醒數(shù)據(jù)包。

建筑橋梁

通常情況下，多個(gè)傳感器具有不同的接口要求，需要加以鞏固和“橋”到一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)接口。在本申請(qǐng)中所述的MCU可能需要有一個(gè)更強(qiáng)大的以太網(wǎng)實(shí)施中，可能使用了100BASE-T標(biāo)準(zhǔn)以提高超過(guò)我們先前看到其中慢10BASE-T標(biāo)準(zhǔn)足以單傳感器裝置的性能。 MCU還需要支持各種各樣的其他標(biāo)準(zhǔn)，如USB，SPI，I2C，CAN，和SMBus / PMBus的，因此它可以覆蓋全系列電位傳感器接口。例如，意法半導(dǎo)體的STM32F405xx / 7XX MCU不僅支持以太網(wǎng)10 / 100BASE-T連接，但許多其他流行的接口也是如此。如在圖2中的框圖，它支持所有常用接口，并且因?yàn)樗稍诙喾N封裝形式，從64引腳到176引腳可以將設(shè)備匹配接口端口的準(zhǔn)確數(shù)量，你需要優(yōu)化電路板空間使用。

該STM32F405xx / 7xx的，它使一個(gè)很好的匹配橋接應(yīng)用的另一個(gè)重要特點(diǎn)是它的片上總線結(jié)構(gòu)。注意，低速串行外設(shè)被組織在兩個(gè)不同的總線與獨(dú)立的DMA控制器，以盡量減少總線沖突。以太網(wǎng)和USB接口有自己的連接成優(yōu)先訪問(wèn)這兩個(gè)片上和外部存儲(chǔ)器中的高速AHB總線開關(guān)矩陣。這種類型的靈活的片上總線結(jié)構(gòu)相結(jié)合時(shí)，并在單一以太網(wǎng)接口，鞏固用于通信的多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)流是至關(guān)重要的。

匯聚和存儲(chǔ)

在一些低成本的嵌入式應(yīng)用會(huì)有由局部傳感器產(chǎn)??生的，或從遠(yuǎn)程傳感器集線器在MCU中可用的內(nèi)部存儲(chǔ)將不足以聚集足夠的數(shù)據(jù)。在這些情況下，外部存儲(chǔ)器控制器，將需要管理外部存儲(chǔ)設(shè)備。對(duì)于中等容量的應(yīng)用程序靜態(tài)內(nèi)存就足夠了，但在高容量應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)內(nèi)存是必需的。的存儲(chǔ)器控??制器，像上的NXP LPC178x / 7倍支持任一類型的接口，并且可以是，因?yàn)槎鄠€(gè)產(chǎn)品變型特別有效，具有不同的存儲(chǔ)器要求，可以用相同的MCU來(lái)支持。如圖3，靜態(tài)存儲(chǔ)器（ROM，RAM和閃存）和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（SDRAM）的支持使得能夠存儲(chǔ)顯著的數(shù)據(jù)。嵌入式數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中寫入的合并交易，以盡量減少內(nèi)存訪問(wèn)有用的。讀操作可以使用該緩沖器來(lái)聚合的交易，以減少總線帶寬。此外，訪問(wèn)以前緩沖位置可以使用，而不是在外部存儲(chǔ)器中的緩沖數(shù)據(jù)，改善記憶的帶寬和降低功耗。

恩智浦LPC178x的圖像/ 7X外部存儲(chǔ)器控制器

安全注意事項(xiàng)

在某些以太網(wǎng)連接的嵌入式系統(tǒng)的安全性將是一個(gè)重要的考慮因素。許多低成本的MCU沒有集成安全功能，但也有可用于安全功能添加到一個(gè)低成本的微控制器系統(tǒng)的安全性的外圍設(shè)備。愛特梅爾CryptoAuthentication ATSHA204A安全設(shè)備，例如，可以存儲(chǔ)安全密鑰，驗(yàn)證所接收的數(shù)據(jù)，并生成隨機(jī)數(shù)中共同的安全協(xié)議使用。標(biāo)準(zhǔn)安全散列算法（SHA）用于生成和檢查安全摘要用于安全地驗(yàn)證傳輸。在設(shè)備中可用的安全的命令的類型的列表是顯示在圖4的界面到MCU使用熟悉I2C總線易于集成。

結(jié)論

以太網(wǎng)是在這里留下來(lái)，低端的MCU現(xiàn)在支持有線以太網(wǎng)連接，嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將能夠使用有線連接提供的性能和可靠性。請(qǐng)確保您匹配您的應(yīng)用程序通過(guò)您的目標(biāo)MCU為一個(gè)成功的設(shè)計(jì)所提供的功能所需的以太網(wǎng)功能。