RX系列軟件的歷史和今后的展望 #6

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。

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)用于瑞薩單片機的TCP/IP協(xié)議棧。從我的經(jīng)驗來看，物聯(lián)網(wǎng)化的問題在于“如何實現(xiàn)TCP/IP”。

接下來我們將進一步明確這個問題。在1995年Windows 95發(fā)布時，運行Windows的CPU的運行頻率為100～200MHz，而到2023年，RX產(chǎn)品家族的主要產(chǎn)品RX65N的最大運行頻率為120MHz，這與1995年發(fā)布的Windows 95運行所需的CPU運行頻率（100～200MHz）相當。從那時起，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)（實際上，SSL（現(xiàn)在被稱為TLS）開始廣泛使用是在2000年之后）?；谶@一事實，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“如何實現(xiàn)TCP/IP”。編者認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)了針對瑞薩單片機的實時操作系統(tǒng)“FreeRTOS”和“Azure RTOS”。

本次，我想重點從技術(shù)層面解釋一下“如何實現(xiàn)TCP/IP”。理解TCP/IP的基本前提是“OSI參考模型”。對于熟悉計算機網(wǎng)絡(luò)的人來說，這可能是一個并不陌生的概念。它是將表示計算機及其內(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。

對于個人電腦和智能手機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”等實時操作系統(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。由于以往實時操作系統(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算機之間進行橋接實現(xiàn)，這是一個相當復(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端實現(xiàn)MQTT或TLS，那么無線模塊端的MQTT或TLS就會閑置，相關(guān)的程序存儲內(nèi)存就會被浪費。

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，同時隨著時代的發(fā)展，最佳配置也會發(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，從OSI參考模型出發(fā)的設(shè)計變得非常重要。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)，我們會繼續(xù)致力于「FreeRTOS」和「Azure RTOS」等實時操作系統(tǒng)的開發(fā)工作。

作者：Hiroki Ishiguro——Sr Principal Software Engineer

相關(guān)鏈接：

RX系列軟件的歷史和今后的展望 #5 http://butianyuan.cn/article/202311/453037.htm

RX系列軟件的歷史和今后的展望 #4 http://butianyuan.cn/article/202311/453038.htm

RX系列軟件回顧與展望 #3 http://butianyuan.cn/article/202311/453039.htm

RX系列軟件的歷史和今后的展望 #2 http://butianyuan.cn/article/202311/453040.htm

RX系列軟件的進化史和對未來的展望 #1 http://butianyuan.cn/article/202311/453041.htm