將具有以太網(wǎng)功能的MCU應(yīng)用新的設(shè)計中

MCU 可提供非常廣泛的以太網(wǎng)連接選擇。 隨著大多數(shù)應(yīng)用要求互聯(lián)網(wǎng)連接，在您的下一個基于 MCU 的設(shè)計中極有可能需要某些類型的網(wǎng)絡(luò)連接功能。 無論您的新設(shè)計是一個需要在以太網(wǎng)鏈路上合并數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的傳感器，一個需要通過以太網(wǎng)連接定期發(fā)送更新代碼且與該網(wǎng)絡(luò)連接的安防監(jiān)控頭，還是一個需要使用穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)連接的工業(yè)控制器，要獲得成功設(shè)計所需的各種功能，關(guān)鍵是要選擇具有以太網(wǎng)功能的 MCU。

連接無處不在

自從出現(xiàn)電報以來，Ethernet 可能是最成功、最普及的數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)。 這一標(biāo)準(zhǔn)歷經(jīng)多年的改進(jìn)和修改，已從最初的 10 Mb/s 規(guī)范一直發(fā)展到 100 Gb/s 及以上。 現(xiàn)在，已出現(xiàn)如工業(yè)以太網(wǎng)等可靠性更強的版本，以及用于傳輸音視頻等實時數(shù)據(jù)的同步能力更好的版本。 隨著嵌入式系統(tǒng)逐漸成為黑客和病毒的目標(biāo)，安全增強型以太網(wǎng)正在迅速發(fā)展。 我們來看一下支持以太網(wǎng)的 MCU 及其目標(biāo)應(yīng)用方面的一些例子，讓您在為嵌入式應(yīng)用選擇合適的 MCU 時更好地了解自己所做的選擇。

廉價以太網(wǎng)實現(xiàn)

您可能認(rèn)為向嵌入式系統(tǒng)添加以太網(wǎng)仍是一個成本高昂的選項，但其實是，即便低成本 MCU 也能提供以太網(wǎng)連接功能。 實際上，將貴重的 Microchip PIC32MX795 MCU 與 Texas Instruments DP83848 以太網(wǎng) PHY 配對使用，您的關(guān)鍵元件成本也是很低的（使用當(dāng)前的 Digi-Key 單價鏈接）。 PIC32MX795 也具有許多特性，有助于輕松實現(xiàn)與許多以太網(wǎng)有關(guān)的常見功能。 特別吸引人的是 DMA 控制器、中斷系統(tǒng)和低功耗模式。 這些特性組合在一起，就有可能在收到數(shù)據(jù)包時（也許使用“魔術(shù)包 （Magic Packet）”，把系統(tǒng)從低功耗狀態(tài)喚醒。 然后，在 CPU 處理數(shù)據(jù)的同時由 DMA 控制器傳輸數(shù)據(jù)，從而最大限度地縮短 CPU 工作時間。 這使得在實現(xiàn)支持網(wǎng)絡(luò)的傳感器以及類似嵌入式系統(tǒng)時，達(dá)到驚人的高能效。

在 Microchip PIC32 系列以太網(wǎng)解決方案中，最有用的元件也許是可用于嵌入式設(shè)計的免牌照堆棧。 如圖 1 所示，堆棧位于 Microchip 以太網(wǎng)入門套件板一側(cè)，已被分為多層，其中每一層都可訪問來自下方與其緊鄰的某一層或多層的服務(wù)。

圖 1：Microchip PIC32 以太網(wǎng)入門套件板和免牌照 TCP/IPStack。 （感謝 Microchip 提供數(shù)據(jù)）

許多 TCP/IP 層不僅在請求服務(wù)時工作，而且在發(fā)生如超時或新數(shù)據(jù)包到達(dá)時也在工作，從這種意義上講，這些層處于“活動”狀態(tài)。 這樣，我們就能很容易地支持不需要 OS 或者 RTOS 的簡單嵌入式應(yīng)用。 MicrochipTCP/IP 堆棧的一些主要特性包括：

支持 ARP、IP、ICMP、UDP、TCP、DHCP、 SNMP、HTTP、FTP、TFTP 協(xié)議

支持 TCP 和 UDP 的插座

安全插座層 （SSL）

NetBIOS 名稱服務(wù)

DNS – 域名服務(wù)系統(tǒng)

以太網(wǎng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)

為了簡化 TCP/IP 支持型系統(tǒng)創(chuàng)建，Microchip 提供多種教程（包括一個有關(guān)其 PIC32 系列的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊）、設(shè)計示例以及甚至是全部的參考設(shè)計。 例如，Microchip 提供的一種教程展示了一個網(wǎng)絡(luò)型自動售貨機(jī)設(shè)計。1

工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)

如果需要實現(xiàn)更穩(wěn)健、更耐用的以太網(wǎng)，您可能要考慮使用支持工業(yè)以太網(wǎng)的 MCU。 一些 MCU 提供的專門硬件不僅可用于以太網(wǎng)接口，還可用于管理和控制，因此 CPU 可以執(zhí)行其它任務(wù)。 Texas Instruments 的 Sitara 系列器件，如 AM3352BZCZ60 采用了完整的可編程實時單元子系統(tǒng)、工業(yè)通訊子系統(tǒng) （PRU-ICSS）。 這種專用硬件包括雙 32 位 RICS 內(nèi)核（可編程實時單元 （PRU））、共享、數(shù)據(jù)和指令存儲器、內(nèi)部外設(shè)模塊以及中斷控制器 （INTC）。 PRU（圖 2）的可編程特性及其能夠訪問引腳、事件和所有資源，使得在快速執(zhí)行實時響應(yīng)、專門的數(shù)據(jù)處理操作、定制外設(shè)接口，以及從其他片載處理元件分擔(dān)任務(wù)時變得靈活自如。

圖 2：Texas Instruments 的 Sitara MCU 具有可編程實時單元子系統(tǒng)、工業(yè)通訊子系統(tǒng) （PRU-ICSS）。 ［感謝 Texas Instruments 提供數(shù)據(jù)］

PRU 可以通過接口/OCP 主端口訪問所有片載資源，外部主處理器可以通過接口/OCP 從端口訪問 PRU-ICSS 資源。 32 位互連總線將各種內(nèi)外主機(jī)元件與 PRU-ICSS 內(nèi)的資源連接。 INTC 處理系統(tǒng)輸入事件，并向后將事件通知設(shè)備級主 CPU。

PRU 內(nèi)核通過小型確定性指令集編程。 每個 PRU 可以獨立工作或者相互配合工作，也可與設(shè)備級主 MCU 配合工作。 這種處理器之間的交互是由加載到 PRU 指令存儲器中的固件性質(zhì)決定的。 工業(yè)以太網(wǎng)外設(shè) （IPE） 用于管理和生成工業(yè)以太網(wǎng)功能，具體包括：

一個具有 10 個捕獲和 8 個比較事件的工業(yè)以太網(wǎng)定時器

兩個工業(yè)以太網(wǎng)同步信號

兩個工業(yè)以太網(wǎng) 16 位看門狗定時器

工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)字式 IO

專用 PRU 內(nèi)核和 IPE 的存在大大簡化了具有工業(yè)以太網(wǎng)功能的嵌入式應(yīng)用的設(shè)計。 Texas Instrumentsalso 提供支持如 Linux 和 Android 等目前流行的操作系統(tǒng) （OS） 的多種軟件包，以適應(yīng)要求比簡單的傳感器或計量表有更多功能的嵌入式應(yīng)用。 對于更復(fù)雜的要求安全通訊、文件系統(tǒng)、圖像處理和強大用戶界面的工業(yè)應(yīng)用，操作系統(tǒng) （OS） 的功能可能是一個關(guān)鍵性要求。

高能效以太網(wǎng)設(shè)計

為能在最少的功耗下提供最多的數(shù)據(jù)和處理帶寬，一些 MCU 同時具有低功耗和高運行效率特性。 Freescale Kinetis MK60DN512 包括專用硬件，以支持從專門為以太網(wǎng)量身打造的低功耗模式功能下喚醒。 以太網(wǎng)端口在接收到“魔術(shù)包 （ Magic Packet）”時可為低功耗狀態(tài)提供異步喚醒源。 如圖 3 所示，這只是多個喚醒源中的一個，在使用各種不同的外設(shè)、GPIO 引腳和內(nèi)部定時器時，它們能讓設(shè)計更具能效。

圖 3：Kinetis MK60 MCU 系列的異步低功耗喚醒源。 （感謝 Freescale 提供數(shù)據(jù)）

片載以太網(wǎng) MAC 塊包含幾個能大大提升傳輸效率的特性。 接收器通道上的專用嵌入式 FIFO 提供無損耗流量控制功能（如，自動式 802.3 x31A 暫停幀生成和終止），以提升數(shù)據(jù)傳輸效率。 片載 IEEE 1588 定時器也可用于時間敏感型以太網(wǎng)的實現(xiàn)，例如工業(yè)以太網(wǎng)。 利用硬件加速優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)控制器的性能，以提供 IP 和 TCP、UDP、ICMP 協(xié)議服務(wù)。 加速塊執(zhí)行硬件中的關(guān)鍵功能，在實現(xiàn)這些功能時一般會伴隨顯著的 CPU 處理開銷。 以下為幾個 IP 協(xié)議性能優(yōu)化特性包括：

按照 TCP/IP、UDP/IP、ICMP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)或僅在 IP 報頭上運行

實現(xiàn)線速處理

支持 IPv4 和 IPv6

其它類型和協(xié)議的透明幀傳輸

利用 VLAN 標(biāo)記和控制域的透明轉(zhuǎn)發(fā) ，支持符合 IEEE 802.1q 的 VLAN 標(biāo)記型幀

接收時，進(jìn)行自動 IP 報頭和有效載荷（協(xié)議特定型）檢驗和計算和驗證

在傳輸可配置后，以每幀為基礎(chǔ)進(jìn)行 IP 報頭和有效載荷（協(xié)議特定型）檢驗和的自動生成和插入

支持所有 IEEE 1588 幀

硬件高級別協(xié)議加速功能不僅能提升以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸效率，還能明顯提升 CPU 的處理效率。 由于 CPU 不需要執(zhí)行許多與高級別協(xié)議有關(guān)的常見管家功能，因此可以使其進(jìn)入低功耗模式或者執(zhí)行其它處理任務(wù)。

連接以太網(wǎng)的系統(tǒng)的安全性

嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用正越來越關(guān)注數(shù)據(jù)傳輸和嵌入式系統(tǒng)中靜止數(shù)據(jù)的安全性。 根據(jù)美國國土安全部關(guān)于電網(wǎng)中的嵌入式系統(tǒng)所受潛在攻擊的報告（如來自“精力熊”2的攻擊），嵌入式系統(tǒng)變得特別易受攻擊。 通過在操作系統(tǒng)最底層安裝代碼，即可以引導(dǎo)系統(tǒng)的代碼，攻擊者就能完全控制某個嵌入式系統(tǒng)。 一旦引導(dǎo)代碼被損壞，黑客就能肆意修改，獲取機(jī)密信息，或者甚至是完全控制系統(tǒng)，損壞昂貴的設(shè)備，最嚴(yán)重時可毀掉整個處理系統(tǒng)。

一些 MCU 和 MPU 現(xiàn)已包括專門硬件來支持安全數(shù)據(jù)傳輸，甚至進(jìn)行安全引導(dǎo)。 Atmel SAMA5D33 憑借其在加密技術(shù) （AES， TDES） 方面的安全引導(dǎo)機(jī)制、硬件加速性引擎以及哈希函數(shù) （SHA），能夠確保具有反克?。ㄒ苑纼H通過讀取所有的片上數(shù)據(jù)就能對 MCU 進(jìn)行復(fù)制或逆向工程）和代碼保護(hù)功能，以及安全的外部數(shù)據(jù)傳輸。 SAMA5D3 還有兩個獨立的以太網(wǎng)端口（一個具有 10/100/1000 Mbps 連接，另一個則用于 10/100 Mbps 連接），用于實現(xiàn)需要支持橋接、路由和聚合功能的嵌入式系統(tǒng)。 由于橋接器和路由器能提供更多網(wǎng)絡(luò)信息的訪問權(quán)限，因此常常淪為網(wǎng)絡(luò)入侵攻擊的主要目標(biāo)，這點不同于傳感器或量表，因為這些設(shè)備常位于系統(tǒng)的端部節(jié)點處，且只能有限訪問系統(tǒng)的其余部分。 所以，源引導(dǎo)是橋接器和路由器的關(guān)鍵功能；因此在 SAMA5D3 系列器件上使用該功能將是一大優(yōu)勢。

總結(jié)

如今以太網(wǎng)連接已成為許多應(yīng)用的必要功能，同時 MCU 供應(yīng)商正推出各種具有以太網(wǎng)功能的 MCU 來應(yīng)對這一要求。 您應(yīng)按照具體應(yīng)用所需的以太網(wǎng)連接類型來選擇 MCU——工業(yè)以太網(wǎng)、帶附加安全性的以太網(wǎng)、低功耗或是低成本解決方案。 經(jīng)過精挑細(xì)選，您或許會找到一款專門針對您的應(yīng)用優(yōu)化的 MCU。