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(jí)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(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”。

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）?；谶@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?cè)诒鞠盗形恼轮卸啻谓榻B的，作為對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)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(hào)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(chǎng)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。

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(jìn)化史和對(duì)未來的展望 #1 http://butianyuan.cn/article/202311/453041.htm