连结网路的需求正横跨所有市场区隔而蔓延开来，从电冰箱一直到公共设施计量表，产品纷纷因应内嵌 Internet以达连线上网的要求而设计。听到行销部人员在不经意的情况下吐露出几个字：「希望我的产品能增添连线功能」，成为设计者毕生一大乐事，不禁兴奋得浑身打颤，终于有机会一窥连线黑盒子内部的真面目，着实令人雀跃。经过几周的研究之后，随着黑盒子拆开，设计师体认出，依照实现连线功能所需资源看来，实际应用的希望渺茫，原先的振奋精神已转为挫折。

连线能力的挑战

连线能力大量消耗处理器（MPU）或微控制器（MCU）的核心资源，需要更大的记忆容量、更大的资料记忆体及更高的工作时脉。过去，通常需要32位元MCU才能提供连线功能所需的运算，相对的其整体成本自然也高；目前MCU 制造厂商已经着手设计具有更大记忆体、更高工作时脉，而且具有通讯处理能力的8 位元MCU。

传输媒介

连线功能环绕设计的两个层面，首先是传输讯息所走的媒介，有线连线包括乙太网路、电话及电线，无线连线则包括标准 RF 传输、展频及行动通讯等。内嵌设备连网的需求中，家庭市场有最大的成长潜力，由于大部分的家庭并未实施乙太网路连线，因此必须连线方式必须以电话线、电源线等有线或某种短距离无线通讯作为媒介。虽然有部份MCU并不需要有硬体直接在媒介中收发讯息，但传输处理上仍须要能与其配合；当资料传输速率超过 1Gbps ，MCU 的工作频率也必须快到足以处理资讯才行。

通讯协定

内嵌设备连线设计的第二个层面在于所用的通讯协定，重要的不单只是资讯的控制与路径选择协定，还有一些媒体需要鉴别、安全维护及加密。处理这些通讯协定及应用程式码的软体需要更快的传输速率及更大的记忆体，因此处理器的运算速度更形重要。短距离无线通讯系统需要传输讯息用的基本通讯协定及其个别系统之间的某种鉴别方法。住家当中的无线保全警铃便是一例，每扇窗都装设有感应器，窗户开启时便会触动。此系统必须将窗户的感应器对主控制系统实施鉴别，使得同一警报系统内的屋主系统不致于造成邻居家中警铃大作。另一个例子就是汽车的车胎里头，用以监测气压的系统。每个车胎都装有感应器，不断地传送压力的资讯到接收端，车主如果发现机组所读取的是另一辆车的胎压，心头的挫折可想而知。

记忆体需求

有人开玩笑的说，8 位元 MCU 必须做成像个电子生化人（Bionic Man）才能处理这些工作，也就是更大、更强、更快才行。三十年前，阿波罗太空船登录月球控制整艘太空船所用的程式记忆体也不比目前电脑所连接的一般滑鼠多出多少。十年前，典型的 8 位元 MCU 鲜少有超过 4KB的程式记忆体，但目前MCU 有128KB以上的记忆体已很寻常。

资料记忆体是程式记忆体的互补搭档，传送的资料封包可能相当大，例如乙太网路中可超过 1500 位元组。以往一般典型的 MCU 只有 100 位元组以下的 RAM。含整合 RAM 的乙太网路控制器通常拥有 8KB到 20KB之间的 RAM 来容纳许多资料封包。若未扩大记忆体容量，鉴别、加密及讯息传输等通讯协定会占用大部分的记忆体空间，只剩下零星几处留给实际的应用程式。

工作时脉

另一项同样重要的特色就是 MCU 的工作时脉。为能够处理讯息、并且赶上资料传输速率，MCU 必须执行得更快。提高 MCU 工作时脉，并将指令集重编为更强大却更简短的指令 ，都能够增进资料处理能力。精简指令集（RISC）MCU 便具有强大、却小巧的指令集。透过工作频率及指令集来提高装置处理能力。

电力消耗

连线能力所驱策的最后一项特色是电力消耗量。许多国家正在制定管理电力使用的法规，研发人员在开发新产品时，被要求必须具备一切先前已有的特色，例如更大的记忆体、更快的工作时脉，但电压必须降低。要让 MCU 于较低的操作电压之下加快工作，唯一的办法只有缩小制程；该方法虽然使装置面积变小，功能却增强许多，也能达成低电压、高工作时脉的目标。过去工作时脉16MHz、操作电压5V的Intel 80386处理器，再与已小了许多制程生产的Pentium III处理器比较，目前后者却能在1.8V的电压下以超过1GHz的时脉工作。

半导体的一些相关物理定律有：距离越短，负荷越轻，就能推得越快，8 位元 MCU 也是同样道理。随着 MCU 的几何形式开始往 0.5 微米制程以下推挤，设计师也就发现，一般说来，工作频率会升高，操作电压会下降。幸而，多半的周边装置如快闪记忆体已有操作电压 2.7V 到 3.3V可供选用。

需求带动技术发展

有项应用经历由纯粹机械式成为电气式的转变过程，那就是水、电、瓦斯等公用设施计量表。每个家庭都有瓦特小时的计量表，用来测量耗电量；这种计量表在过去20 年来缓慢地从机械式转变为电气式，许多家庭装设的计量表有双费率功能，第一种属于离峰时段，比第二种尖峰时段费率便宜许多，其想法是基于如果尖峰用电比较昂贵，大家就会少用一些，如此有助于分散公共事业的日常负荷，不必只为了支应尖峰需求而额外开采资源。

随着自然资源缺情形日益严重，以及许多其他地区酝酿撤销管制，电力公司已在寻求如何有效分配资源，管理负荷的方法。一种解决方案是设置电表以短暂的间隔记录下资料，例如 15 分钟，然后每月将资讯传送到公共事业。这种资讯有助于电力公司预估开发新电厂及设施，以便更有效地创造及分送电力。连线功能目前在传输与储存资料方面扮演更重要的角色。 （图一）所示为一般典型的瓦特小时电表。与其等候一个月再从电表撷取资料，公共事业正寻求解决之道，可每天或更即时地传送所记录资料的串流。

《图一 公用设施量表内部架构》

上图中，PIC18F452 从瓦特小时量表的旋转盘读取脉冲后，将电源用量记载于序列EEPROM。公用设施量表会定期将此预存资讯传输至公用事业，利用Keeloq来鉴别、TCP/IP来传输资料，并以AES/Rijndael为资料加密。量表另外也使用10位元ADC来侦测电源故障，断电期间由 Supercap 电容器供电。

传输资料有几种方法，一种已经备便可用的媒界是电话线，因为基础建设已经完成，是具有成本效益的媒体。几乎所有的情况都是，电话线离瓦特小时电表相去不远。计量表可拨电话到当地的Internet服务提供业者，使用点对点协定（PPP）与伺服器连线，然后用TCP/IP堆叠及邮件程式传送电子邮件。第二种媒体是使用行动电话或无线射频装置。虽然基础建设方面需要更多成本，不过此法也有电话线的相同功能，可达成 PPP 连线，并使用TCP/IP传输资料。

另一种直到最近才令人容易想起的媒体就是电线本身。使用电线的限制因素在于区域性的变压器会干扰通信，不过许多新技术，例如展频收发机已克服此一限制。以上这些媒体都可以运用在目前的8位元MCU，因为后者已提升记忆体容量与工作时脉，可处理TCP/IP堆叠或无线射频通讯。

结论

连线功能内嵌至应用设施当中并非简易的程序，而且大部分的MCU制作都不相同，有些完全无法执行连线相关工作。工程师应根据所需通讯类型和传输讯号所用的媒体来慎选MCU。幸而，许多MCU制造商不只供应硬体，也提供软体方案，有助于加速产品上市时程。 （作者为Microchip应用经理）