隨著我們進入普及的物聯(lián)網(IoT)世界，嵌入式設備的連接性是必不可少的。無線連接似乎是主流趨勢，但大多數無線設備最終需要找到有線互聯(lián)網連接以增加帶寬和可靠性。我們的好朋友傳統(tǒng)有線以太網連接仍然需要集線器，聚合器，網橋，存儲和應用服務器嵌入式節(jié)點。當成本，帶寬，便利性或可靠性問題排除無線方法時，低成本傳感器也可以使用有線以太網而不是無線解決方案。幸運的是，許多低成本MCU系列現(xiàn)在提供有線以太網支持，因此可以開發(fā)傳感器，廉價橋接器和連接聚合器，而不會“破壞”預算庫。
本文將概述支持有線以太網連接的廉價MCU類型。將提供一些需要有線連接的常見嵌入式應用示例，以演示關鍵MCU特性和功能如何與重要應用要求相匹配。
嵌入式環(huán)境中的以太網連接
以太網在嵌入式系統(tǒng)中是如此普遍的元素，我們通常不會多考慮它 - 它只是計算機通信的“以太”。自從1985年最初的標準化以來，以太網已經從最初的3 Mbit/s數據傳輸速率發(fā)展并發(fā)展到100 Gbit/s，并產生了各種不同的媒體和連接拓撲。多層OSI模型和底層消息結構的靈活性支持了以太網在幾十年內生存和繁榮的發(fā)展和優(yōu)化。
嵌入式設備使用以太網連接來發(fā)送和接收數據和控制信息。更高級的嵌入式系統(tǒng)可以使用以太網來傳輸和接收代碼更新，以添加新功能并修復可被黑客利用來竊取機密信息的漏洞或安全漏洞。必須保護這些更新免受安全漏洞攻擊，或者黑客可以使用更新工具完全破壞系統(tǒng)并將其用作攻擊網絡其他部分的入口點。即使是低成本的嵌入式系統(tǒng)也可以利用遠程更新的便利性，因此即使設計“按預算”完成，也必須考慮某種程度的安全性。
以太網幸存的原因之一這個標準的早期版本已經變得越來越具有成本效益。例如，在雙絞線和8P8C模塊化連接器上運行的標準(10BASE-T和100BASE-TX)的低帶寬10 Mbit/s和100 Mbit/s版本，即使在標準化后數十年仍然是一種流行的版本。這些版本現(xiàn)在通常在低成本MCU中得到支持，甚至可以為成本受限的設計提供連接。
預算中的以太網連接
MCU供應商即使在一些最低端設備上也提供以太網連接。這使得即使是低成本的傳感器，控制器和分布式系統(tǒng)外圍的其他元件也可以添加Internet連接。最普遍的MCU系列之一是Microchip的PIC，PIC18F MCU系列的一些成員具有片上10BASE-T以太網控制器和集成PHY。這樣就可以僅使用帶有集成磁性元件的外部連接器(如Bel Fuse S811-1X1T-06-F)連接到以太網。集成PHY非常簡單，因為它實現(xiàn)了低速10BASE-T標準，但由于它們的向后兼容性，它仍然可以連接到100BASE-T和1000BASE-T標準。
盡管Microchip PIC18F97J60 MCU價格低廉，以太網控制器具有多種先進功能，可輕松實現(xiàn)更高級別通信協(xié)議所需的軟件。如圖1所示，控制器中包含一個8 KB的以太網RAM緩沖區(qū)，用于本地數據包存儲，從而減少對系統(tǒng)內存的帶寬要求。仲裁器管理從DMA控制器，CPU，發(fā)送模塊和接收模塊對數據緩沖區(qū)的訪問，以最大限度地提高性能和效率。
圖1：Microchip PIC18F97J60以太網控制器框圖。
PIC18F以太網控制器的其他高級功能之一是能夠在接收到特殊數據包時喚醒。這在傳感器應用中特別有用，在傳感器應用中，設備可以進入低功耗模式，直到需要讀數。當接收到喚醒數據包時，CPU被中斷并轉換出低功耗狀態(tài)。傳感器讀數通過以太網傳送回主機。 CPU返回低功耗模式，直到收到另一個喚醒數據包。
構建網橋
通常，需要將具有不同接口要求的多個傳感器合并并“橋接”到單一標準接口。在這個應用中，MCU可能需要具有更強大的以太網實現(xiàn)，可能使用100BASE-T標準來提升我們之前看到的單傳感器設備的性能，其中較慢的10BASE-T標準就足夠了。 MCU還需要支持各種其他標準，例如USB，SPI，I 2 C，CAN和SMBus/PMBus，因此它可以覆蓋所有潛在的傳感器接口。例如，STMicroelectronics STM32F405xx/7xx MCU不僅支持以太網10/100BASE-T連接，還支持許多其他流行接口。如圖2中的框圖所示，它支持所有通用接口，并且由于它提供從64引腳到176引腳的各種封裝，您可以將器件與優(yōu)化電路板所需的精確接口端口數相匹配空間使用。
圖2：ST Microelectronics STM32F405xx/7xx MCU的框圖。
STM32F405xx/7xx的另一個關鍵特性是其片上總線的結構，使其成為橋接應用的理想選擇。請注意，低速串行外設由兩個不同的總線組成，帶有獨立的DMA控制器，以最大限度地減少總線沖突。以太網和USB接口與高速AHB總線交換矩陣有自己的連接，可以優(yōu)先訪問片上和外部存儲器。在組合和整合多個傳感器數據流以通過單個以太網接口進行通信時，這種靈活的片上總線結構至關重要。
聚合和存儲
以低成本實現(xiàn)嵌入式應用程序將有足夠的數據由本地傳感器生成或從遠程傳感器集線器聚合，MCU中可用的內部存儲將是不夠的。在這些情況下，將需要外部存儲器控制器來管理外部存儲設備。對于中等容量的應用，靜態(tài)存儲器就足夠了，但在高容量應用中，將需要動態(tài)存儲器。與NXP LPC178x/7x上的存儲器控制器一樣，它支持任何類型的接口，并且可以特別高效，因為具有不同存儲器要求的多個產品變體可以由同一MCU支持。如圖3所示，支持靜態(tài)存儲器(ROM，RAM和Flash)和動態(tài)存儲器(SDRAM)，可以存儲大量數據。嵌入式數據緩沖區(qū)在合并寫入事務以最小化內存訪問時非常有用。讀操作可以使用緩沖區(qū)來聚合事務以最小化總線帶寬。此外，對先前緩沖的位置的訪問可以使用緩沖的數據而不是外部存儲器，從而改善存儲器帶寬并降低功耗。
圖3：恩智浦LPC178x/7x外部存儲器控制器框圖。
安全預防措施
在某些以太網連接的嵌入式系統(tǒng)中，安全性是一個關鍵考慮因素。許多低成本MCU沒有集成的安全功能，但有一些安全外設可用于為低成本MCU系統(tǒng)增加安全功能。例如，Atmel CryptoAuthentication ATSHA204A安全設備可以存儲安全密鑰，驗證接收的數據，并生成隨機數，以便在通用安全協(xié)議中使用。標準安全散列算法(SHA)用于生成和檢查用于安全地驗證傳輸的安全摘要。設備中可用的安全命令類型列表如圖4所示.MCU的接口使用熟悉的I 2 C總線，以便于集成。
圖4：Atmel ATSHA204A上可用的安全命令。
結論
以太網已經存在，現(xiàn)在支持有線以太網連接的低端MCU，嵌入式物聯(lián)網設備將能夠使用性能和可靠性由有線連接提供。確保將應用程序所需的以太網功能與目標MCU提供的功能相匹配，以便成功進行設計。
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