前篇回顧:
工程師說 | RX系列軟件的歷史和今后的展望 #1
工程師說 | RX系列軟件的歷史和今后的展望 #2
工程師說 | RX系列軟件的歷史和今后的展望 #3
工程師說 | RX系列軟件的歷史和今后的展望 #4
工程師說 | RX系列軟件的歷史和今后的展望 #5
本篇將為大家介紹如何在RX產(chǎn)品家族典型的100MHz級MCU中搭載網(wǎng)絡(luò)軟件。
Hiroki Ishiguro
Sr Principal Software Engineer
近年來,日常生活中的電子設(shè)備也都開始支持聯(lián)網(wǎng)功能。RX產(chǎn)品家族主要用于工廠自動(dòng)化設(shè)備,以及空調(diào)設(shè)備、電梯控制、照明設(shè)備控制等建筑自動(dòng)化領(lǐng)域,在這些領(lǐng)域中網(wǎng)絡(luò)功能是必不可少的。
自2003年入職以來,我一直在開發(fā)用于瑞薩單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧。從我的經(jīng)驗(yàn)來看,物聯(lián)網(wǎng)化的問題在于“如何實(shí)現(xiàn)TCP/IP”。
RX產(chǎn)品家族用TCP/IP協(xié)議棧 [M3S-T4-Tiny]
長按二維碼或復(fù)制網(wǎng)址到瀏覽器中打開
https://www.renesas.cn/cn/zh/software-tool/tcpip-protocol-stack-m3s-t4-tiny-rx-family
接下來我們將進(jìn)一步明確這個(gè)問題。在1995年Windows 95發(fā)布時(shí),運(yùn)行Windows的CPU的運(yùn)行頻率為100~200MHz,而到2023年,RX產(chǎn)品家族的主要產(chǎn)品RX65N的最大運(yùn)行頻率為120MHz,這與1995年發(fā)布的Windows 95運(yùn)行所需的CPU運(yùn)行頻率(100~200MHz)相當(dāng)。從那時(shí)起,搭載Windows 95的電腦就開始使用SSL等加密通信連接到互聯(lián)網(wǎng)(實(shí)際上,SSL(現(xiàn)在被稱為TLS)開始廣泛使用是在2000年之后)。基于這一事實(shí),RX65N等MCU也應(yīng)該能夠連接到互聯(lián)網(wǎng)。
然而,似乎只有一部分領(lǐng)先用戶正在努力實(shí)現(xiàn)自己產(chǎn)品的物聯(lián)網(wǎng)化。這其中必定存在著某種障礙。這一障礙就是“如何實(shí)現(xiàn)TCP/IP”。編者認(rèn)為想要消除這一障礙就需要“像Windows 95那樣具有聯(lián)網(wǎng)功能的操作系統(tǒng)的普及”。
正如我們在本系列文章中多次介紹的,作為對上述問題的解決方案,瑞薩與AWS和Microsoft建立了合作關(guān)系,共同開發(fā)了針對瑞薩單片機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)“FreeRTOS”和“Azure RTOS”。
本次,我想重點(diǎn)從技術(shù)層面解釋一下“如何實(shí)現(xiàn)TCP/IP”。理解TCP/IP的基本前提是“OSI參考模型”。對于熟悉計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的人來說,這可能是一個(gè)并不陌生的概念。它是將表示計(jì)算機(jī)及其內(nèi)部電信號的物理層作為第1層,將第2層到第7層按照軟件處理數(shù)據(jù)的角色進(jìn)行分層化的概念模型。關(guān)于在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中使用的主要協(xié)議及其功能,我匯總在了下表中供大家參考。
對于個(gè)人電腦和智能手機(jī)等裝有通用操作系統(tǒng)的電子設(shè)備,第2層到第6層的功能集成在操作系統(tǒng)中,并作為操作系統(tǒng)功能提供給第7層即應(yīng)用層的開發(fā)者。同樣,在裝有RX產(chǎn)品家族的MCU基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)中,第2層到第6層的功能集成在“FreeRTOS”或“AzureRTOS”等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中,并作為操作系統(tǒng)功能提供給第7層即應(yīng)用層的開發(fā)者。由于以往實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和第2層到第6層的功能是分開的,由不同的軟件供應(yīng)商提供,所以在這種情況下,用戶在進(jìn)行第7層的應(yīng)用開發(fā)之前,必須先處理作為基礎(chǔ)的第2~6層的構(gòu)建,這正是問題所在。此外,在當(dāng)前使用WiFi/蜂窩等無線模塊的情況下,第1~4層在無線模塊端,第5~7層在MCU端,OSI參考模型本身在不同的計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行橋接實(shí)現(xiàn),這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的構(gòu)成。并且,無論是在MCU端還是無線模塊端,都需要CPU來處理TLS和TCP/IP等數(shù)據(jù),這將大大提升系統(tǒng)整體的功耗。如果在MCU端實(shí)現(xiàn)MQTT或TLS,那么無線模塊端的MQTT或TLS就會(huì)閑置,相關(guān)的程序存儲(chǔ)內(nèi)存就會(huì)被浪費(fèi)。
Ethernet將第1層集成到MCU內(nèi)(僅信號轉(zhuǎn)換部分使用外部芯片,即所謂的PHY芯片),并且使第2~4層在MCU上以軟件形式存在,這種成本最優(yōu)的配置在過去10年已經(jīng)在市場中得到了普及。因此,我們認(rèn)為在無線模塊中也將出現(xiàn)類似的變化。
正如我們此次介紹的,建立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一件非常有趣的事情,同時(shí)隨著時(shí)代的發(fā)展,最佳配置也會(huì)發(fā)生變化。特別是在基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用無線模塊時(shí),從OSI參考模型出發(fā)的設(shè)計(jì)變得非常重要。瑞薩一直希望通過溝通與交流為廣大客戶提供與時(shí)代相匹配的最佳解決方案。因此,為了讓客戶能夠?qū)W⒂趹?yīng)用的開發(fā),我們會(huì)繼續(xù)致力于「FreeRTOS」和「Azure RTOS」等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)工作。
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原文標(biāo)題:工程師說 | RX系列軟件的歷史和今后的展望 #6
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