8位元嵌入式连网MCU技术及应用

目前已有许多嵌入式系统将网路功能视为主要内建系统的发展趋势，根据Forrester Research的研究显示，到2010年，将有95％的连网设备将不再是电脑，而是带有网路功能的嵌入式系统，亦即具备M2M功能的嵌入式网路解决方案将成为未来的走向。本文将针对此趋势，探讨未来网路微控制器的效能发展及新兴应用领域的功能演进。
M2M及Ubiquitous Networks成趋势
回顾网际网路的发展历史，最初美国国防部为国防需要而将各种不同网路连接起来，从70年代初期开始ARPANET网际网路计划；到80年代中期，学术界加入研究，主要应用为透过区域网路（LAN）将多台电脑连结起来，达成档案及资料分享的目的；至90年代中期，企业界亦加入经营，全球资讯网（World Wide Web；WWW）纷纷出炉，进而刮起一阵网际网路旋风，网路使用者的人数急遽增加，主要的应用为电子商务及电子邮件。

未来网际网路的发展，将有别于80年代电脑连结及90年代网路使用者连结，而是将许多装置或机器设备连结起来，朝向机器对机器（Machine to Machine，M2M）的发展或无所不在的网路社会（Ubiquitous Networks Society）迈进。
具连网功能MCU重要性日增
嵌入式系统设计的微控制器（MCU）着重控制功能，并以整合度为第一优先考量，晶片设计业者会根据应用需求将运算、存储器及输出入介面做不同程度的整合。

一般而言，微控制器会整合多元的通讯串列、并列週边及一般输出入介面（GPIO）等功能。串列介面包括UART、SPI、I2C、四线串列介面（Microwire）及1-wire等。

并列介面是以外部记忆体介面（External Memory Interface，EMI）、区域匯流排介面（Local Bus Interface，LBI）或PCI Bus与其他晶片连接，微控制器可当成受控（Slave）的周边晶片来运用，其他欲操控微控制器的主控（Master）晶片只需使用最传统的8/16位元并列介面，便可让主控晶片、受控晶片进行传输、操控。时序功能则包括看门狗计时器、计时器／计数器、可编程计数器／计时器阵列（PCA）与即时钟（RTC）。

至于其他介面则会根据应用需求来决定整合的程度，举例而言，语音音频应用会内建I2S、AC’97、SP/DIF、语音编解码器等，消费性电子会内建USB、USB OTG、LCD控制/驱动及MMC、SD记忆卡介面，电池管理或组态管理则会内建SMBus，工业自动化会内建CAN Bus控制器，车用电子通讯会内建CAN/LIN Bus控制器，针对区域网路应用的网路微控制器则会内建10/100Mbit/s 乙太网路媒体存取控制器 （MAC）/实体层（PHY）。本文所探讨的高速8位元网路微控制器的I/O介面及应用方式请参见图1。
　

图1 高速8位元网路微控制器AX110xx的功能架构及应用
　

关于连网技术，基于容易使用、低价、高频宽、高稳定性、安全性佳以及相容性佳等优点，乙太网路已成为无所不在的连网方式，并逐渐超越原有SOHO及企业网路之应用范围，进入消费性电子领域，成为最具吸引力之嵌入式系统连网技术，如随着家庭网路的崛起，使用者更需要在不同的影音设备间传递，或共用高品质影音内容，而乙太网路正满足多媒体网路对于高宽频的需求。此外，乙太网路也进一步扩展至工厂，满足工业应用对高稳定性及安全性之连网要求。

因应上述所提及的机器对机器之发展趋势，具备嵌入式装置连网特性的乙太网路微控制器未来行情将持续看涨。乙太网路的应用领域极广，举凡家电、工厂/大楼自动化、工业控制、保全系统、远端监控管理、环境监控、远端资料采集等领域都是其用武之地。

国内微控制器厂商在产品佈局是以8位元微控制器为主力，其次为16位元，主要锁定消费性应用市场。目前仍以8位元微控制器的市场最大，单就最典型的8位元8051架构微控制器而言，全球一年的出货量就高达33亿颗。近年来，微控制器市场重心似乎有从消费性电子转往通信市场移动的现象，因此未来通信应用对于32位元高阶微控制器的产品需求将会随之激增。

但值得注意的是，在8位元微控制器的平均销售单价持续下滑之后，其低单价的优势，也使得8位元网路微控制器瞄准符合机器对机器，及网路趋势的通信产品全力挺进。但是该如何增进8位元微控制器的效能？如何提升网路频宽？如何进行高整合度的单晶片设计，以满足降低成本及小型化的市场需求？在在考验着国内微控制器厂商的智慧及设计功力。

嵌入式乙太网路装置解决方案满足小型化市场需求
嵌入式乙太网路装置大致可分为四种不同的方案（图2）。第一、二种方案是针对微控制器未内建乙太网路控制器，可根据微控制器本身具备之串列介面（如USB Host）或并列介面（如Non-PCI Local Bus或PCI Bus），来选择合适之外接式乙太网路控制器；第三、四种方案则是针对微控制器已内建乙太网路控制器（即网路微控制器）来选择，其中第四种为整合度最高之单晶片解决方案。

值得一提的是，嵌入式乙太网路装置有逐渐往小型化的发展趋势，因为缩小体积可降低系统成本（包括PCB板材、机构及晶片成本）及功耗。图2右侧则指出两种满足小型化需求的方法，其一为选择小尺吋晶片封装，如图右上所示，Non-PCI乙太网路控制器之64接脚封装仅达最小美元硬币的四分之一；其二为选择高整合度的单晶片，如图右下所示的网路微控制器单晶片即整合了10/100Mbit/s高速乙太网路实体层、媒体存取控制器、TCP/IP加速器及快闪存储器，可大幅缩小嵌入式乙太网路装置的体积。
　

图2 嵌入式乙太网路装置解决方案

嵌入式乙太网路MCU技术演进
若换个角度归纳，则可清楚看出网路微控制器朝向系统单晶片（SoC）发展的脉络。嵌入式乙太网路微控制器之技术演进大致可分为四个阶段（图3）。

第一阶段的微控制器整合度较低，须搭配外接式快闪记忆体及透过Non-PCI Local Bus连接乙太网路控制晶片，成为3晶片方案。第二阶段的微控制器先整合快闪记忆体，但仍需搭配Non-PCI乙太网路控制晶片，而进展为双晶片方案。第三阶段的微控制器本身已内建媒体存取控制器及快闪存储器，只要外接网路实体层，而同为双晶片方案。第四阶段的微控制器，除了媒体存取控制器及快闪存储器之外，还进一步整合网路实体层，形成单晶片（Single-chip）解决方案，可针对目前应用最为广泛的区域网路技术提供单晶片，缩小嵌入式系统体积，为乙太网路环境提供业界最小外观的解决方案。
　

图3 嵌入式网路微控制器技术演进

高速的运作时脉及机器週期
随着先进半导体制程的进步，现今网路微控制器对于运作时脉及机器週期（Machine Cycle）的效能需求愈来愈高。

微控制器执行一个指令的整个过程称为机器週期，缩短机器週期即可提升程式执行速度。80年代英特尔首次发表的8051是以12MHz为标准运作时脉，每12个时脉週期（Clock Cycle）为一个机器週期，亦即所谓的12T，多数的8051指令会在1或2个机器週期内执行完毕。后来与8051相容的微控制器运作时脉已陆续提昇至16/24/33/40/60MHz，机器週期亦缩短为4T/2T。今日之晶片设计技术早已突破上述限制而达到100MHz的运作时脉，机器週期为1T，亦即每个机器週期仅一个时脉，称为单一週期（Single Cycle），如此两种加速方式产生加乘效益，效能可成倍速提升，最终执行效能可达100MIPS，如图1中央所示之网路微控制器即为此类高速单晶片之代表。
内建高容量快闪存储器及资料存储器
传统8051的程式存储器（Program Memory）为4kB，后来陆续增加至8/16/32kB并抵达上限64kB，甚至利用Bank Select的方式在两组64kB间切换而突破限制并达到128kB。另外传统8051的资料存储器（Data Memory）为128Bytes，后来陆续增加至256/512/1k/2k/8kB。由于网路微控制器必须处理TCP/IP通信协定及嵌入式网路伺服器，这些控制应用程式需要高容量的程式存储器及资料存储器资源。过去一般会选择无定址限制之32位元高阶网路微控制器，因为这类晶片可内建的程式存储器及资料存储器可分别达到256kB及32kB，若仍不敷使用，则可透过外部存储器介面进一步扩充外接式存储器。不过现今设计者增加低价8位元网路微控制器的选择，与8051相容之80390则无存储器的定址限制，可定址达16MB，满足TCP/IP通信协定及嵌入式网路伺服器的应用需求。

因应此技术趋势，图1中央所示之网路微控制器不但设计了8051/80390相容之核心，还内建容量高达512KB之快闪存储器（Flash Memory）及32KB之资料存储器，亦可透过外部存储器介面扩充外接式存储器至2MB。

另一方面，有别于Mask ROM及一次式编程（One Time Programmable，OTP）ROM无法于出厂后更新程式的缺点，快闪存储器能透过乙太网路或UART埠，为终端应用进行内建程式的现场升级（Field Upgrade），如此不仅加快开发时程，且产品出货后仍可在应用现场修补、更新程式。
利用硬体线路增进网路效能
除了透过上述方式增加中央处理器核心在执行软体应用程式的效能外，还可搭配特定的硬体资源进行加速，降低软件对于中央处理器计算能力的需求，如TCP/IP加速器及直接存储器存取（DMA）控制器。IP或TCP Header各有一栏位为Header或Packet Data Checksum，Checksum是能够验证网路资料封包的正确性的数学计算法，确保封包被正确无误的接收到（图4）。网路微控制器通常以软体处理TCP/IP通信协定，但是Checksum若以软件计算会耗费中央处理器之运算资源，导致网路封包流量的下降。如果以硬件线路加速运算，则可卸载（Offload）微控制器的运算资源，提昇网路整体效能。

另外，因为网路微控制器在处理TCP/IP封包时，常需进行大量资料的搬移，全用软件处理会旷日费时。若利用直接存储器存取控制器负责存储器区块内容的搬移，则因不需要中央处理器的读写过程，资量转移（Data Transfer）均由硬件处理而可达成资料高速传输的效能。
　

图4 乙太网路封包格式及Header Checksum之所在位置

网路MCU的多元化应用
了解8位元网路微控制器的效能发展趋势之后，应不难体认原本32位元网路微控制器擅长的应用领域，将被低价格、高整合度、高性能及多功能的8位元网路微控制器逐步侵蚀，一路前进家电、工厂/大楼自动化、工业控制、保全系统、远端监控管理、环境监控、串流媒体等领域的应用，如POS终端机、自动贩卖机、灯光控制、LCD/LED广告机、交通号志控制、打卡机、网路摄影机、网路收音机、自动抄表机、环境监控装置、网路感测器、网路不断电系统、串列设备连网伺服器及乙太网路转ZigBee桥接器。

兹举以下三种应用进一步说明，包括网路摄影机、串列设备连网伺服器及乙太网路转ZigBee桥接器。

■网路摄影机
此为当今热门的数字家庭产品之一，使用者可在任何时间、任何地点，直接透过网际网路，使用标准浏览器进行远端监控与管理工作。目前影像记录方式主流为M-JPEG（Motion JPEG）以及MPEG4等压缩格式，若採行远端监控，因为网路频宽的限制，必须在解析度与影像传输速率两者间求妥协。

M-JPEG的优点在于影像的压缩率较低、硬件需求较低，由于低价的特性，非常适合电信业者将网路摄影机列为促销方案，只要消费者註册宽频上网或手机门号，即可免费获得网路摄影机的赠品。消费者就可将家里老人或小孩的起居活动、幼稚园里的小宝贝、门市的来客人潮、无人机房或仓库、员工，经由内部网路或网际网路，将影像传输在远端的电脑上。只要利用高速8位元网路微控制器搭配M-JPEG编码晶片，即可组成具备影像及声音同时监控及镜头可左右及上下移动（Pan/Tilt）功能之低价网路摄影机（图5）。
　

图5 双模乙太网路/USB网路摄影机（Dual Mode IP Camera：AX11015+STV0684）
　

■串列设备连网伺服器
随着资讯产业的蓬勃发展，工厂内设备的自动化也已兴起网路连线的潮流。串列设备连网伺服器（Serial Server）的功能为转换任何一种串列埠（RS-232/485/422）与乙太网路间的资料，让使用者不论身在世界上的任何一个角落，都能够透过网际网路存取、管理及设定远端具备串列介面的各种装置及设备。主要应用领域为工业及商务的应用，包括医疗应用、电子看板、可程式控制器（PLC）、人机介面（HMI）、电脑机房管理、条码扫描器（Barcode Scanner）、资料终端及远端监控等设备。只要利用高速8位元网路微控制器单晶片，即可做成串列设备连网伺服器（图6），可替代市场上之3晶片方案（MCU+快闪记忆体+乙太网路实体层），缩小许多嵌入式系统之体积，为串列设备连网伺服器提供业界最小外观及低价的解决方案，可大幅简化设计系统，并提高可靠性。
　

图6适合具备串列介面的设备连网伺服器应用之单晶片解决方案
　

■乙太网路转ZigBee桥接器
近年来，新兴技术802.15.4/ZigBee崛起迅速，国内外业者积极推出各种无线感测网路（Wireless Sensor Network）解决方案及相关产品，主要应用于数字家庭控制、安全监控、高耗能设备管理、物流追踪与居家照护等工业及家庭自动化控制领域。当ZigBee广泛应用之后，如何透过网际网路进行远端管理，及控制无线感测网路中的各种装置，即成为重要的课题。只要利用高速8位元网路微控制器透过SPI介面搭配802.15.4/ZigBee晶片即可组成小型化的乙太网路转ZigBee桥接器（图7）。

此方案仅需将小型化之乙太网路转ZigBee桥接器连接到家庭网路闸道器（Home Gateway），即可轻松让既有的网路闸道器升级为ZigBee闸道器。不但可保有原来的设备投资，还可以透过ZigBee闸道器控制家庭内所有的ZigBee装置，达到远端管理及控制，或蒐集无线感测网路中ZigBee感应器的资讯，提供后端伺服器进行分析。
　

图7 乙太网路转ZigBee桥接器（ZigBee to Ethernet Bridge：AX11001+UZ2400）

8位元MCU抢进嵌入式网路市场
因应机器对机器的发展趋势，具备嵌入式装置连网功能的乙太网路微控制器行情看涨。藉着增进微控制器的效能、内建高容量存储器与利用硬体线路等增进网路效能方式多管齐下，8位元网路微控制器全力佈局符合网路趋势的通讯产品，推出高整合度的单晶片设计，以满足降低成本及小型化的市场需求，可预见的是，8位元网路微控制器在未来的嵌入式网路市场中，将会佔有重要的一席之地。