應對互聯(lián)世界中的通信挑戰(zhàn)

不久前，嵌入式技術以單點解決方案為代表，這些單點解決方案旨在作為獨立設備執(zhí)行單個或少量功能。即使在 PC 普及時，網(wǎng)絡也是封閉系統(tǒng)，旨在連接少數(shù)設備或位置。今天，越來越少的設備單獨運行；連通性已經(jīng)變得如此普遍，即使是最小的設備也能夠包含一定程度的連通性。事實上，正是這一概念推動了物聯(lián)網(wǎng) （IoT）、M2M 和工業(yè) 4.0，以及智能電網(wǎng)和樓宇自動化。

連接性現(xiàn)在在社會的各個方面無處不在，為人和數(shù)據(jù)提供了更大的移動性，這反過來又提高了商業(yè)和消費主義的效率。但是，快速接受連接并非沒有挑戰(zhàn)，尤其是在充分利用最新發(fā)展的同時解決對傳統(tǒng)協(xié)議的支持問題。

數(shù)據(jù)驅動連接

這種看似無法滿足的連接“事物”的欲望是各種形式的數(shù)據(jù)價值的結果。除了前面提到的對嵌入式電子行業(yè)產(chǎn)生重大影響的趨勢外，還有一個更大的總體趨勢，雖然可能不會直接推動發(fā)展，但正在發(fā)揮其影響力：大數(shù)據(jù)。

大數(shù)據(jù)的概念涉及在不同的數(shù)據(jù)集中尋找價值。這需要兩件事：大量的處理能力和大量的數(shù)據(jù)。前者由服務器場和基于云的處理服務提供，而后者由幾乎所有可測量的活動產(chǎn)生。

將大量數(shù)據(jù)從設備中取出并輸入云端需要連接；然而，雖然網(wǎng)絡世界有一個明確采用的基礎設施——即以太網(wǎng)——但嵌入式領域卻沒有那么統(tǒng)一。對于嵌入式開發(fā)人員來說，對以太網(wǎng)連接的需求并不總是顯而易見的，因為在成本不斷降低的同時，添加以太網(wǎng)的費用并非為零，因此必須是合理的。此外，將以太網(wǎng)添加到資源受限的嵌入式設備的復雜性可能很大，尤其是因為增加了軟件負擔。

除了傳輸數(shù)據(jù)的需要，對現(xiàn)代設備的安全訪問對于控制、支持物聯(lián)網(wǎng)、M2M 和工業(yè) 4.0 變得越來越重要；在這方面，各種形式的以太網(wǎng)正迅速成為標準。作為互聯(lián)網(wǎng)的骨干，它為本地聯(lián)網(wǎng)設備帶來了廣域網(wǎng) （WAN） 訪問，允許從任何地方訪問和控制它們。

嵌入式設計師挑戰(zhàn)

今天的板級工程師面臨著支持傳統(tǒng)連接標準和滿足對更新連接技術不斷增長的需求的挑戰(zhàn)。

更常見的是，某種形式的本地連接將以行業(yè)標準串行總線的形式指定，例如 RS232/485 CAN 總線等。大多數(shù)低成本微控制器 （MCU） 提供這種或其他形式的 UART 或通用可用于此目的的 I/O （GPIO）。然而，GPIO 很少用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鼜V泛的網(wǎng)絡，尤其是在非工業(yè)應用中。

USB 越來越多地被指定為嵌入式設備中的板級互連。就像 GPIO 或簡單的串行總線一樣，它提供了更大的靈活性以及普遍接受的標準。此外，USB 連接越來越容易在低成本 MCU 中實現(xiàn)；許多制造商現(xiàn)在提供 USB 變體，進一步說明了在更廣泛的設備中連接的趨勢，這些設備以前作為獨立設備運行。但也許最重要的是，USB 協(xié)議允許單個設備作為集線器運行，從而顯著擴展了支持 USB 的設備的 I/O 能力。在這方面，USB 為其他更簡單的串行接口提供了更加靈活的解決方案，特別是在提供“面向未來”的接口時。

USB 提供的主要優(yōu)勢之一是能夠實現(xiàn)分層層次結構，另一個是使單個控制器能夠枚舉多個設備。反過來，這些設備可以是提供一系列擴展功能的物理設備，而協(xié)議為這些設備提供了一定程度的自主權和對主機系統(tǒng)的控制。

例如，使用 USB 協(xié)議，嵌入式系統(tǒng)可以擴展為包括遠遠超過其原始硬件規(guī)范的功能級別，特別是當該設備的軟件托管在具有現(xiàn)場升級準備的 MCU 上時。從概念上講，這將允許配備 USB 接口的各種嵌入式設備成為更廣泛網(wǎng)絡的活躍成員，從而可以從任何聯(lián)網(wǎng)設備訪問。如果要進行設計，提供這種級別的連接可能成本高昂，但通過使用 USB 作為網(wǎng)關，它變得既實用又實惠。

跨越障礙

通過選擇提供大量接口的功能更強大的 MCU，可以實現(xiàn)與嵌入式設備的連接。在某些應用中，這將是最佳選擇，但該數(shù)量可能會受到限制，主要是由于成本、尺寸或功率預算。此外，較大的設備可能會引入特定應用不需要的冗余 GPIO，從而不必要地增加系統(tǒng)成本和系統(tǒng)功率。

雖然從概念上講，USB 提供了適應一系列接口標準的靈活性，但在實踐中實施這些標準仍可能對此類資源有限的平臺提出挑戰(zhàn)。例如，雖然有許多擴展 IC 可以有效增加低成本 MCU 提供的 GPIO 數(shù)量，但適用于廣泛的控制或監(jiān)控應用，添加高速接口（如 USB）或以太網(wǎng)等網(wǎng)絡連接可以迅速顯著增加分立 IC 的數(shù)量，遠遠超出空間和/或成本預算。

在大批量應用中，可以開發(fā)集成一系列接口標準的定制 ASIC。這樣的 ASIC 可以設計為低功耗和體積小，但是，ASIC 設計的 NRE 成本將禁止這種方法，除了最大量。ASIC 開發(fā)的實際替代方案是使用特定應用標準部件 （ASSP） - 實際上是專用于特定功能的設備。典型的端口擴展器可能被認為是 ASSP，然而，歷史上沒有半導體制造商開發(fā)針對廣泛通信標準的單一 ASSP，迫使 OEM 選擇高端 MCU、FPGA 或多個 ASSP。

通過利用 USB 的優(yōu)勢，開發(fā)了一種集成 I2C、UART 和以太網(wǎng)接口以及靈活 GPIO 的 ASSP。所有功能都被枚舉為 USB 端點，并且可以使用嵌入在主機 MCU 固件中的標準 USB 驅動程序進行控制。使用標準 USB 命令、特定類命令或特定 Exar 命令可以完全控制通信外圍設備，而這些外圍設備又可以使用專用寄存器進行配置。片上 OTP 內(nèi)存還允許 OEM 修改供應商 ID 和供應商字符串等功能，并且每個設備都有一個唯一分配的以太網(wǎng) MAC 地址。功能框圖如圖 1 所示。

Exar 的 XR2280x 系列 USB 轉以太網(wǎng)和 U 橋設備解決了當今互聯(lián)世界帶來的多格式通信挑戰(zhàn)。

使用一個低成本設備為嵌入式設計添加各種通信接口的能力可以為 OEM 提供解決方案，即為資源受限的應用程序增加靈活性。

隨著越來越多的供應商意識到連接的價值，嵌入式領域對更靈活的通信選項的需求正在增長。他們面臨的問題是選擇正確的通信接口，但情況并非如此。通過更高的集成度和創(chuàng)新設計，OEM 可以有效地為當今的設計提供面向未來的設計——必要時通過軟件升級——“按需”提供更高水平的連接性。以太網(wǎng)正日益推動連接革命，現(xiàn)在將它和許多其他通信標準集成到小型、資源受限的嵌入式設備中比以往任何時候都容易。

審核編輯：郭婷