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行單個或少量功能。即使在 PC 普及時，網絡也是封閉系統，旨在連接少數設備或位置。今天，越來越少的設備單獨運行；連通性已經變得如此普遍，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網 （IoT）、M2M 和工業 4.0，以及智能電網和樓宇自動化。

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

數據驅動連接

這種看似無法滿足的連接“事物”的欲望是各種形式的數據價值的結果。除了前面提到的對嵌入式電子行業產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展，但正在發揮其影響力：大數據。

大數據的概念涉及在不同的數據集中尋找價值。這需要兩件事：大量的處理能力和大量的數據。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生。

將大量數據從設備中取出并輸入云端需要連接；然而，雖然網絡世界有一個明確采用的基礎設施——即以太網——但嵌入式領域卻沒有那么統一。對于嵌入式開發人員來說，對以太網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，添加以太網的費用并非為零，因此必須是合理的。此外，將以太網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。

除了傳輸數據的需要，對現代設備的安全訪問對于控制、支持物聯網、M2M 和工業 4.0 變得越來越重要；在這方面，各種形式的以太網正迅速成為標準。作為互聯網的骨干，它為本地聯網設備帶來了廣域網 （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

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

更常見的是，某種形式的本地連接將以行業標準串行總線的形式指定，例如 RS232/485 CAN 總線等。大多數低成本微控制器 （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 很少用于將數據傳輸到更廣泛的網絡，尤其是在非工業應用中。

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；許多制造商現在提供 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 提供的主要優勢之一是能夠實現分層層次結構，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，而協議為這些設備提供了一定程度的自主權和對主機系統的控制。

例如，使用 USB 協議，嵌入式系統可以擴展為包括遠遠超過其原始硬件規范的功能級別，特別是當該設備的軟件托管在具有現場升級準備的 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絡的活躍成員，從而可以從任何聯網設備訪問。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成本和系統功率。

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。例如，雖然有許多擴展 IC 可以有效增加低成本 MCU 提供的 GPIO 數量，但適用于廣泛的控制或監控應用，添加高速接口（如 USB）或以太網等網絡連接可以迅速顯著增加分立 IC 的數量，遠遠超出空間和/或成本預算。

在大批量應用中，可以開發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 的優勢，開發了一種集成 I2C、UART 和以太網接口以及靈活 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 MAC 地址。功能框圖如圖 1 所示。

Exar 的 XR2280x 系列 USB 轉以太網和 U 橋設備解決了當今互聯世界帶來的多格式通信挑戰。

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。以太網正日益推動連接革命，現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