互連嵌入式系統(Networked Embedded Systems)的演變

　　過去嵌入式系統通常是深嵌于最終產品之中，以系統控制為基礎，一般不與外界連接。其微控制器在一個相當封閉的系統中工作，定時查詢外設、收集數據、完成簡單的處理工作，以及控制開關和LED指示燈。此外，微控制器也進行少量的數據操作或數據傳輸。由于它們不會與局域網 (LAN)或互聯網(Internet)連接，所以不存在保安的問題。然而，這一切現在都改變了。現今的嵌入式系統一般都要連接到局域網，這樣就有數十、甚至上百個控制器連接在一起。舉例說，汽車制造和工業控制領域中的CAN有上百個微控制器在相互作用；ZigBee 無線控制網絡也有若多數量的微控制器互連在一起。而且，隨著嵌入式網絡越來越復雜(因此需要更大的網絡帶寬和更遠的傳輸距離)，嵌入式以太網也開始涉足于工業控制、建筑物自動化、醫療和保安產品市場。

　　目前市場的發展趨勢是將這些局域網需要通過企業內聯網或外聯網特別是互聯網與外界連接。嵌入式系統聯網要求的不斷增加，導致微控制器必須具備更多性能：更強的互連性，增加程序和數據內存空間來支持相應的通信協議，提高性能和處理帶寬以進行系統傳輸數據、執行通信協議和提供嚴密的保安能力。在需要通過內聯網或互聯網監控CAN或ZigBee 網絡的應用環境中，嵌入式微控制器必須能支持10/100M以太網、CAN、ZigBee 網絡以及其他網絡協議，更必須具有先進的安全加密算法。

　　另一個影響嵌入式系統的因素是通用串行總線 (USB) 的快速普及，尤其是在 PC 及其外設領域。與提供基本通信鏈路的傳統通用異步收發器 (UART) 接口不同，USB是一種內置豐富驅動程序的即插即用式總線接口，能縮短開發周期和設備安裝時間。不但設計人員喜歡這種接口，終端用戶也因為不必為新購的外設安裝加載新的設備驅動程序而樂于使用。再考慮到采用筆記本電腦對復印機、自助售貨機、ATM機，工廠自動化設備、家用安全系統等完成系統設置和現場服務，可以預計USB在嵌入式系統將占一重要席位。新款的筆記本電腦都只配備了USB接口，所以由它們服務的系統也必須有USB接口，否則這些系統便得采用舊款PC或USB適配器。

　　還有一點，隨著嵌入式系統越來越多地通過使用外部網絡來監控，尤其是該系統可以通過互聯網或無線網絡來訪問時，對保安的要求必然會更高。沒有人能容忍局外人惡意破壞系統、關斷防火報警系統，或隨便打開輸油管的閥門，所以保安就成為了嵌入式系統非常重要的一環。

　　對微控制器結構的意義：高帶寬、高互連性、高可預見性

　　嵌入式系統朝著嵌入式網絡的趨勢發展從根本上改變了其結構，而結構卻是人們在選擇一個微控制器時必須考慮的。微控制器必須具有多種網絡協議接口，能傳輸并驗證大量數據，足夠的安全性以及內存和處理能力，以容納眾多的協議堆棧；而且，在許多情況下，還必須在能耗很少的前提下完成這些任務。8位和16位處理器顯然在內存資源和處理能力上達不到這些要求，許然需要 8 位和 16 位處理器具備的“確定過程式性能” (deterministic performance) 和監管功能，而這些對32位處理器來說卻很罕有。此外，對成本敏感的系統還得與8位和16位微控制器的價格相若，而且配套開發工具的價格也必須容易接受。

　　要適應嵌入式市場不斷增長的互連需求和支持這類應用的實時性要求，這種處理器還是不夠的。要滿足現今的互連應用環境，嵌入式微控制器需要能夠支持多種通信協議、高速數據傳輸，系統安全和確定過程式實時處理。Atmel公司的SAM7 微控制器系列基于ARM技術，并具有USB接口，其最新的SAM7X 微控制器正朝著上述的領域發展。這種微控制器的工作頻率達50 MIPS，配備片上以太網和CAN通信協議，采用硬件實現的AES/3DES加密技術，安全鍵存儲技術以及各種外部接口包括USB、USART、串行外圍接口 (SPI)、同步串行接口 (SSC)、雙線接口SSC/I2S和雙線接口 (TWI)。該微控制器采用一個外設DMA控制器獨立實現高速數據的傳輸，無需占用 ARM7 處理器資源，并具有 8 位和 16 位處理器常備的實時系統控制功能 (32 位系統很少有這些功能)，包括欠壓檢測器、上電復位電路、實時時鐘和監控定時器。SAM7X 微控制器還包括一些外設：一個 10位模數轉換器、脈沖寬度調制以及功率管理控制器。SAM7X 的存儲密度從 128 到 256Kbit 閃存和 32 到 64Kbit SRAM 不等。這些功能才可真正滿足嵌入式網絡環境的需求。

　　嵌入式互連的發展趨勢

　　隨著越來越多設備互連在一起，連接電纜的長度和網絡帶寬均大幅增長。最大帶寬為1Mbps的CAN網絡逐漸達到極限，開始被100Mbps以太網取代。事實上，以太網和互聯網使用的都是相同的通信協議，即TCP/IP。由于在將一個遠程傳感器通過互聯網連接到某一臺PC時無需轉換協議，因此整個網絡便會簡化，設備的互操作性得以增強。采用互聯網這類公共通信網絡對安全性的要求也大為提高。不過，CAN 也不會在一夜之間消失，而是繼續存在于嵌入式網絡世界內一段時間。ZigBee 很可能在低數據傳輸率控制應用中占一重要席位；而與PC 連接方面， USB 勢將成為標準。

　　通用串行接口 (USB) 是一種用于將外設作為即插即用設備連接到PC上的接口標準。因此，USB替代了PC上的串行接口 (UART)，而且比后者的傳輸速率更大，在全速模式下可達12Mbps。

　　隨著以太網協議滲透到嵌入式領域，嵌入式系統網絡必須能與以太網絡接口。SAM7X采用10/100-Mbps IEEE 802.3兼容的以太網媒體訪問控制器，該控制器可配置為全雙工或半雙工模式，并有一個能確保提供100Mbps數據吞吐速率的專用 DMA控制器；可編程的數據包收發間隔，并支持虛擬局域網標記幀以及自動暫停幀的生成及終止功能。雙模式接口能讓SAM7X通過媒體獨立接口或簡化的媒體獨立接口 (RMII) ，無縫地接入高速以太網應用中的各種物理層 (PHY) 。MII 能擴大系統在物理層的選擇，而RMII 則可節省微控制器上的一些 I/O。SAM7X MCU 可直接與 POS-PHY 第2層／SPI-3 兼容的設備連接，包括與標準網絡處理器連接。通過片上系統緩沖器進行的無損失流量控制，可省去外部存儲器或流量控制裝置。此外，還支持高達10240字節的巨型幀。SAM7X 的地址檢查器能識別4個特定的48位地址，并包含一個64位散列寄存器，用于匹配多點廣播和單點廣播地址。它能識別所有廣播地址，復制所有數據幀，并可用于匹配外部地址。其統計寄存器模塊包含各種寄存器，用于記錄與收發操作相關的各種事件。這些寄存器與存儲在接收緩沖列表中的狀態字可通過軟件讀取，生成符合 IEEE 802.3 標準的網絡管理統計數據。

　　能否高速傳輸數據？如何快速傳輸數據？

　　在絕大多數32位控制器中，處理器本身在外設和內外存間傳輸數據時每次只傳輸一個字節。如果要傳輸的數據量不大，這沒什么問題。但若數據傳輸速率達到1Mbps，即使是快速處理器也要癱瘓。在1Mbps速率下，數據傳輸占用 28% 的處理器資源；速率到 2Mbps 時，數據傳輸占用 50% 以上的處理器資源；而速率達到 4Mbps 時，處理器就不能處理其他事務了。如果考慮到全速 USB2.0 的數據速率為 12Mbps，CAN 的數據速率為 1Mbps，以太網絡的數據速率為 100 Mbps，SAM7 SPI 和 USART 外設的數據速率也能達到 25Mbps，那么很明顯任何一個需要在大范圍互連的嵌入式控制系統都必須解決數據傳輸的問題。在一個涉及大量數據傳輸的應用中，微控制器能否既是網關又是控制器？

　　Atmel的DMA方案產品有一個外設DMA控制器 (PDC)，能直接將每個SAM7X 外設連接到片上內存，并配有一個更高級的專門DMA，針對以太網MAC。由于 PDC 完全獨立于處理器運行，因此它沒有任何中斷的成本，并能大幅度降低數據傳輸所需的時鐘周期數。每個 SAM7X 外設都有兩條專用 PDC 通道，各用于接收和發送數據。每個 PDC 通道的用戶接口都集成在各外設的內存中，并有一個 32 位內存指針寄存器；一個 16 位傳輸計數寄存器；一個用于下一個存儲的 32 位內存指針寄存器和一個用于下一個傳輸的傳輸計數寄存器。外設通過收發信號觸發 PDC 傳輸。當第一個編程好的數據塊被傳輸后，對應的外設會產生一個傳輸結束中斷，第二個數據塊便會自動開始傳輸，而ARM處理器此時可并行處理第一個數據塊。這樣，就可以消除為更新處理器上DMA內存指針所帶來的實時中斷限制，對于維持外設上的高速數據傳輸來說，這是非常關鍵的。

　　在這個方案下，可以隨時讀取下一個數據傳輸的存儲位置和剩余要傳輸的數據塊。PDC 有一些專用的狀態寄存器，它們顯示各個傳輸通道是否激活。通過一些控制位，便可安全地讀取指針和計數寄存器，而不會出現兩次讀數不同的情況。PDC將狀態標志發送給在狀態寄存器中可見的那個外設。當該外設接收到一個外部字符，便會發送一個接收就緒的信號給PDC，而 PDC 便會請求訪問系統總線。當該請求獲得允許，PDC便開始讀取外設的接收保持寄存器，然后觸發一個內存寫操作。每次傳輸后，相關的PDC內存指針地址將增加，剩余的傳輸數目將減少。當內存塊滿時，下一個內存塊的傳輸便會自動開始；或者會有一個信號傳送到外設，以停止傳輸。至于向外設發送數據，傳輸過程正好與此相反。如果在相同的外設上同時出現相同類型 (接收或發送) 的請求，請求的優先級別由外設的編號決定；當請求不是同時發生，則按請求出現的先后而處理。來自接收方的請求先處理，然后處理發送方的請求。

　　SAM7X 結構中的 DMA 方案使其能同時充當網關和控制器，甚至在高數據速率下也能如此。

　　實時應用的支持

　　雖然許多 32 位系統廠商都努力在其微控制器上增加連通性，采用USB、以太網或其他協議，但大部分都不曾解決實時應用的問題。大多數的嵌入式控制應用是確定過程式的，即指令和數據必須在一個可以準確預計的時鐘周期內到達正確的地方。這是“實時”應用的本質所在。可惜，