MCU 可提供非常廣泛的以太網連接選擇。 隨著大多數應用要求互聯網連接，在您的下一個基于 MCU 的設計中極有可能需要某些類型的網絡連接功能。 無論您的新設計是一個需要在以太網鏈路上合并數據并進行數據通訊的傳感器，一個需要通過以太網連接定期發(fā)送更新代碼且與該網絡連接的安防監(jiān)控頭，還是一個需要使用穩(wěn)健型工業(yè)以太網連接的工業(yè)控制器，要獲得成功設計所需的各種功能，關鍵是要選擇具有以太網功能的 MCU。

連接無處不在

自從出現電報以來，Ethernet 可能是最成功、最普及的數據通訊標準。 這一標準歷經多年的改進和修改，已從最初的 10 Mb/s 規(guī)范一直發(fā)展到 100 Gb/s 及以上。 現在，已出現如工業(yè)以太網等可靠性更強的版本，以及用于傳輸音視頻等實時數據的同步能力更好的版本。 隨著嵌入式系統(tǒng)逐漸成為黑客和病毒的目標，安全增強型以太網正在迅速發(fā)展。 我們來看一下支持以太網的 MCU 及其目標應用方面的一些例子，讓您在為嵌入式應用選擇合適的 MCU 時更好地了解自己所做的選擇。

廉價以太網實現

您可能認為向嵌入式系統(tǒng)添加以太網仍是一個成本高昂的選項，但其實是，即便低成本 MCU 也能提供以太網連接功能。 實際上，將貴重的 Microchip PIC32MX795 MCU 與 Texas Instruments DP83848 以太網 PHY 配對使用，您的關鍵元件成本也是很低的（使用當前的 Digi-Key 單價鏈接）。 PIC32MX795 也具有許多特性，有助于輕松實現與許多以太網有關的常見功能。 特別吸引人的是 DMA 控制器、中斷系統(tǒng)和低功耗模式。 這些特性組合在一起，就有可能在收到數據包時（也許使用“魔術包 （Magic Packet）”，把系統(tǒng)從低功耗狀態(tài)喚醒。 然后，在 CPU 處理數據的同時由 DMA 控制器傳輸數據，從而最大限度地縮短 CPU 工作時間。 這使得在實現支持網絡的傳感器以及類似嵌入式系統(tǒng)時，達到驚人的高能效。

在 Microchip PIC32 系列以太網解決方案中，最有用的元件也許是可用于嵌入式設計的免牌照堆棧。 如圖 1 所示，堆棧位于 Microchip 以太網入門套件板一側，已被分為多層，其中每一層都可訪問來自下方與其緊鄰的某一層或多層的服務。

圖 1：Microchip PIC32 以太網入門套件板和免牌照 TCP/IPStack。 （感謝 Microchip 提供數據）

許多 TCP/IP 層不僅在請求服務時工作，而且在發(fā)生如超時或新數據包到達時也在工作，從這種意義上講，這些層處于“活動”狀態(tài)。 這樣，我們就能很容易地支持不需要 OS 或者 RTOS 的簡單嵌入式應用。 MicrochipTCP/IP 堆棧的一些主要特性包括：

支持 ARP、IP、ICMP、UDP、TCP、DHCP、 SNMP、HTTP、FTP、TFTP 協議

支持 TCP 和 UDP 的插座

安全插座層 （SSL）

NetBIOS 名稱服務

DNS – 域名服務系統(tǒng)

以太網設備發(fā)現

為了簡化 TCP/IP 支持型系統(tǒng)創(chuàng)建，Microchip 提供多種教程（包括一個有關其 PIC32 系列的產品培訓模塊）、設計示例以及甚至是全部的參考設計。 例如，Microchip 提供的一種教程展示了一個網絡型自動售貨機設計。1

工業(yè)以太網實現

如果需要實現更穩(wěn)健、更耐用的以太網，您可能要考慮使用支持工業(yè)以太網的 MCU。 一些 MCU 提供的專門硬件不僅可用于以太網接口，還可用于管理和控制，因此 CPU 可以執(zhí)行其它任務。 Texas Instruments 的 Sitara 系列器件，如 AM3352BZCZ60 采用了完整的可編程實時單元子系統(tǒng)、工業(yè)通訊子系統(tǒng) （PRU-ICSS）。 這種專用硬件包括雙 32 位 RICS 內核（可編程實時單元 （PRU））、共享、數據和指令存儲器、內部外設模塊以及中斷控制器 （INTC）。 PRU（圖 2）的可編程特性及其能夠訪問引腳、事件和所有資源，使得在快速執(zhí)行實時響應、專門的數據處理操作、定制外設接口，以及從其他片載處理元件分擔任務時變得靈活自如。

圖 2：Texas Instruments 的 Sitara MCU 具有可編程實時單元子系統(tǒng)、工業(yè)通訊子系統(tǒng) （PRU-ICSS）。 ［感謝 Texas Instruments 提供數據］

PRU 可以通過接口/OCP 主端口訪問所有片載資源，外部主處理器可以通過接口/OCP 從端口訪問 PRU-ICSS 資源。 32 位互連總線將各種內外主機元件與 PRU-ICSS 內的資源連接。 INTC 處理系統(tǒng)輸入事件，并向后將事件通知設備級主 CPU。

PRU 內核通過小型確定性指令集編程。 每個 PRU 可以獨立工作或者相互配合工作，也可與設備級主 MCU 配合工作。 這種處理器之間的交互是由加載到 PRU 指令存儲器中的固件性質決定的。 工業(yè)以太網外設 （IPE） 用于管理和生成工業(yè)以太網功能，具體包括：

一個具有 10 個捕獲和 8 個比較事件的工業(yè)以太網定時器

兩個工業(yè)以太網同步信號

兩個工業(yè)以太網 16 位看門狗定時器

工業(yè)以太網數字式 IO

專用 PRU 內核和 IPE 的存在大大簡化了具有工業(yè)以太網功能的嵌入式應用的設計。 Texas Instrumentsalso 提供支持如 Linux 和 Android 等目前流行的操作系統(tǒng) （OS） 的多種軟件包，以適應要求比簡單的傳感器或計量表有更多功能的嵌入式應用。 對于更復雜的要求安全通訊、文件系統(tǒng)、圖像處理和強大用戶界面的工業(yè)應用，操作系統(tǒng) （OS） 的功能可能是一個關鍵性要求。

高能效以太網設計

為能在最少的功耗下提供最多的數據和處理帶寬，一些 MCU 同時具有低功耗和高運行效率特性。 Freescale Kinetis MK60DN512 包括專用硬件，以支持從專門為以太網量身打造的低功耗模式功能下喚醒。 以太網端口在接收到“魔術包 （ Magic Packet）”時可為低功耗狀態(tài)提供異步喚醒源。 如圖 3 所示，這只是多個喚醒源中的一個，在使用各種不同的外設、GPIO 引腳和內部定時器時，它們能讓設計更具能效。

圖 3：Kinetis MK60 MCU 系列的異步低功耗喚醒源。 （感謝 Freescale 提供數據）

片載以太網 MAC 塊包含幾個能大大提升傳輸效率的特性。 接收器通道上的專用嵌入式 FIFO 提供無損耗流量控制功能（如，自動式 802.3 x31A 暫停幀生成和終止），以提升數據傳輸效率。 片載 IEEE 1588 定時器也可用于時間敏感型以太網的實現，例如工業(yè)以太網。 利用硬件加速優(yōu)化網絡控制器的性能，以提供 IP 和 TCP、UDP、ICMP 協議服務。 加速塊執(zhí)行硬件中的關鍵功能，在實現這些功能時一般會伴隨顯著的 CPU 處理開銷。 以下為幾個 IP 協議性能優(yōu)化特性包括：

按照 TCP/IP、UDP/IP、ICMP/IP 協議數據或僅在 IP 報頭上運行

實現線速處理

支持 IPv4 和 IPv6

其它類型和協議的透明幀傳輸

利用 VLAN 標記和控制域的透明轉發(fā) ，支持符合 IEEE 802.1q 的 VLAN 標記型幀

接收時，進行自動 IP 報頭和有效載荷（協議特定型）檢驗和計算和驗證

在傳輸可配置后，以每幀為基礎進行 IP 報頭和有效載荷（協議特定型）檢驗和的自動生成和插入

支持所有 IEEE 1588 幀

硬件高級別協議加速功能不僅能提升以太網數據的傳輸效率，還能明顯提升 CPU 的處理效率。 由于 CPU 不需要執(zhí)行許多與高級別協議有關的常見管家功能，因此可以使其進入低功耗模式或者執(zhí)行其它處理任務。

連接以太網的系統(tǒng)的安全性

嵌入式以太網應用正越來越關注數據傳輸和嵌入式系統(tǒng)中靜止數據的安全性。 根據美國國土安全部關于電網中的嵌入式系統(tǒng)所受潛在攻擊的報告（如來自“精力熊”2的攻擊），嵌入式系統(tǒng)變得特別易受攻擊。 通過在操作系統(tǒng)最底層安裝代碼，即可以引導系統(tǒng)的代碼，攻擊者就能完全控制某個嵌入式系統(tǒng)。 一旦引導代碼被損壞，黑客就能肆意修改，獲取機密信息，或者甚至是完全控制系統(tǒng)，損壞昂貴的設備，最嚴重時可毀掉整個處理系統(tǒng)。

一些 MCU 和 MPU 現已包括專門硬件來支持安全數據傳輸，甚至進行安全引導。 Atmel SAMA5D33 憑借其在加密技術 （AES， TDES） 方面的安全引導機制、硬件加速性引擎以及哈希函數 （SHA），能夠確保具有反克?。ㄒ苑纼H通過讀取所有的片上數據就能對 MCU 進行復制或逆向工程）和代碼保護功能，以及安全的外部數據傳輸。 SAMA5D3 還有兩個獨立的以太網端口（一個具有 10/100/1000 Mbps 連接，另一個則用于 10/100 Mbps 連接），用于實現需要支持橋接、路由和聚合功能的嵌入式系統(tǒng)。 由于橋接器和路由器能提供更多網絡信息的訪問權限，因此常常淪為網絡入侵攻擊的主要目標，這點不同于傳感器或量表，因為這些設備常位于系統(tǒng)的端部節(jié)點處，且只能有限訪問系統(tǒng)的其余部分。 所以，源引導是橋接器和路由器的關鍵功能；因此在 SAMA5D3 系列器件上使用該功能將是一大優(yōu)勢。

總結

如今以太網連接已成為許多應用的必要功能，同時 MCU 供應商正推出各種具有以太網功能的 MCU 來應對這一要求。 您應按照具體應用所需的以太網連接類型來選擇 MCU——工業(yè)以太網、帶附加安全性的以太網、低功耗或是低成本解決方案。 經過精挑細選，您或許會找到一款專門針對您的應用優(yōu)化的 MCU。