不久前，嵌入式技術(shù)以單點(diǎn)解決方案為代表，這些單點(diǎn)解決方案旨在作為獨(dú)立設(shè)備執(zhí)行單個(gè)或少量功能。即使在 PC 普及時(shí)，網(wǎng)絡(luò)也是封閉系統(tǒng)，旨在連接少數(shù)設(shè)備或位置。今天，越來越少的設(shè)備單獨(dú)運(yùn)行；連通性已經(jīng)變得如此普遍，即使是最小的設(shè)備也能夠包含一定程度的連通性。事實(shí)上，正是這一概念推動(dòng)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(dòng)化。

連接性現(xiàn)在在社會(huì)的各個(gè)方面無處不在，為人和數(shù)據(jù)提供了更大的移動(dòng)性，這反過來又提高了商業(yè)和消費(fèi)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(shí)解決對傳統(tǒng)協(xié)議的支持問題。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(jià)值的結(jié)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(gè)更大的總體趨勢，雖然可能不會(huì)直接推動(dòng)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(jià)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(wù)器場和基于云的處理服務(wù)提供，而后者由幾乎所有可測量的活動(dòng)產(chǎn)生。

將大量數(shù)據(jù)從設(shè)備中取出并輸入云端需要連接；然而，雖然網(wǎng)絡(luò)世界有一個(gè)明確采用的基礎(chǔ)設(shè)施——即以太網(wǎng)——但嵌入式領(lǐng)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?yàn)樵诔杀静粩嘟档偷耐瑫r(shí)，添加以太網(wǎng)的費(fèi)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(shè)備的復(fù)雜性可能很大，尤其是因?yàn)樵黾恿塑浖?fù)擔(dān)。

除了傳輸數(shù)據(jù)的需要，對現(xiàn)代設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。作為互聯(lián)網(wǎng)的骨干，它為本地聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shè)計(jì)師挑戰(zhàn)

今天的板級工程師面臨著支持傳統(tǒng)連接標(biāo)準(zhǔn)和滿足對更新連接技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)，尤其是在非工業(yè)應(yīng)用中。

USB 越來越多地被指定為嵌入式設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。此外，USB 連接越來越容易在低成本 MCU 中實(shí)現(xiàn)；許多制造商現(xiàn)在提供 USB 變體，進(jìn)一步說明了在更廣泛的設(shè)備中連接的趨勢，這些設(shè)備以前作為獨(dú)立設(shè)備運(yùn)行。但也許最重要的是，USB 協(xié)議允許單個(gè)設(shè)備作為集線器運(yùn)行，從而顯著擴(kuò)展了支持 USB 的設(shè)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(shí)。

USB 提供的主要優(yōu)勢之一是能夠?qū)崿F(xiàn)分層層次結(jié)構(gòu)，另一個(gè)是使單個(gè)控制器能夠枚舉多個(gè)設(shè)備。反過來，這些設(shè)備可以是提供一系列擴(kuò)展功能的物理設(shè)備，而協(xié)議為這些設(shè)備提供了一定程度的自主權(quán)和對主機(jī)系統(tǒng)的控制。

例如，使用 USB 協(xié)議，嵌入式系統(tǒng)可以擴(kuò)展為包括遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其原始硬件規(guī)范的功能級別，特別是當(dāng)該設(shè)備的軟件托管在具有現(xiàn)場升級準(zhǔn)備的 MCU 上時(shí)。從概念上講，這將允許配備 USB 接口的各種嵌入式設(shè)備成為更廣泛網(wǎng)絡(luò)的活躍成員，從而可以從任何聯(lián)網(wǎng)設(shè)備訪問。如果要進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(guān)，它變得既實(shí)用又實(shí)惠。

跨越障礙

通過選擇提供大量接口的功能更強(qiáng)大的 MCU，可以實(shí)現(xiàn)與嵌入式設(shè)備的連接。在某些應(yīng)用中，這將是最佳選擇，但該數(shù)量可能會(huì)受到限制，主要是由于成本、尺寸或功率預(yù)算。此外，較大的設(shè)備可能會(huì)引入特定應(yīng)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(yīng)一系列接口標(biāo)準(zhǔn)的靈活性，但在實(shí)踐中實(shí)施這些標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)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(yīng)用，添加高速接口（如 USB）或以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)連接可以迅速顯著增加分立 IC 的數(shù)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出空間和/或成本預(yù)算。

在大批量應(yīng)用中，可以開發(fā)集成一系列接口標(biāo)準(zhǔn)的定制 ASIC。這樣的 ASIC 可以設(shè)計(jì)為低功耗和體積小，但是，ASIC 設(shè)計(jì)的 NRE 成本將禁止這種方法，除了最大量。ASIC 開發(fā)的實(shí)際替代方案是使用特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)部件 （ASSP） - 實(shí)際上是專用于特定功能的設(shè)備。典型的端口擴(kuò)展器可能被認(rèn)為是 ASSP，然而，歷史上沒有半導(dǎo)體制造商開發(fā)針對廣泛通信標(biāo)準(zhǔn)的單一 ASSP，迫使 OEM 選擇高端 MCU、FPGA 或多個(gè) 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(diǎn)，并且可以使用嵌入在主機(jī) MCU 固件中的標(biāo)準(zhǔn) USB 驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行控制。使用標(biāo)準(zhǔn) 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(shè)備，而這些外圍設(shè)備又可以使用專用寄存器進(jìn)行配置。片上 OTP 內(nèi)存還允許 OEM 修改供應(yīng)商 ID 和供應(yīng)商字符串等功能，并且每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)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(zhuǎn)以太網(wǎng)和 U 橋設(shè)備解決了當(dāng)今互聯(lián)世界帶來的多格式通信挑戰(zhàn)。

使用一個(gè)低成本設(shè)備為嵌入式設(shè)計(jì)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(yīng)用程序增加靈活性。

隨著越來越多的供應(yīng)商意識到連接的價(jià)值，嵌入式領(lǐng)域?qū)Ω`活的通信選項(xiàng)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(shè)計(jì)，OEM 可以有效地為當(dāng)今的設(shè)計(jì)提供面向未來的設(shè)計(jì)——必要時(shí)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(dòng)連接革命，現(xiàn)在將它和許多其他通信標(biāo)準(zhǔn)集成到小型、資源受限的嵌入式設(shè)備中比以往任何時(shí)候都容易。

審核編輯：郭婷