网络处理器：CAN或以太网？

发布时间：2004-02-09 Colin MacDonald, Motorola公司

　　嵌入式控制器部尽管任何一种带有网络接口的微处理器，都能被证明可归入网络处理器的范畴，但任何一种成熟的处理器都应能支持一些被广泛采用的通信总线，如以太网或CAN（控制区域网）等。
　　而在选择一种合适的网络总线来进行支持的时候，设计者可能会提出几个问题：CAN和以太网还会继续被广泛采用吗？如果是，那它们又将如何共存？最后，对总线的选择又将如何影响网络处理器的设计呢？我们可以通过比较几种总线的技术特点以及研究它们在市场上的拓展情况来回答这些问题。
　　CAN协议是基于消息而不是基于地址这一事实有以下几个方面的优势：首先，这种方法支持模块化电子技术的使用，即发送控制器并不需要知道接收器，反之亦然；其次，更易于进行维护与升级；第三，可使多个节点接收来自同一来源上的消息。例如，可简单地将几个控制器所需的测量值广播到网上，从而使带宽使用量最少。CAN协议的另一个带宽节省特性称为"远程发送请求"，它允许一个节点向其他节点请求发送信息，例如，这能在执行故障诊断套装（程序）时使用。因此，只要实际上需要，即可从其他非关键节点上请求状态信息，而这比让所有监视点定期发送状态要好。
　　CAN总线的另一特性被称为"故障界定"，此特性能在故障发生时避免整条生产线停机，比如室温传感器等。CAN节点能进行自我诊断，并能根据故障的严重程度（亦即是永久性故障还是临时性故障等）而转换为3种模式之一，其中包括完全停机。此特性可避免故障节点不断地发出故障信号以及中断通信。以太网的最大优势在于容易通过互联网从世界另一端的本地PC或工作站来访问网络处理器中的TCP/IP协议栈。如果拥有足够的处理能力、软件及随即存取存储器（RAM）等，联网处理器实际上可作为一台Web服务器来使用。此外，更长的片段长度以及更高的带宽，在物理上可实现信息携载能力更强、更大的网络，以及使用低成本网卡等。Microsoft Windows TCP/IP套接字使接口软件的开发变得更容易、更快捷及更便宜。
　　以太网的CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）仲裁方案并非一种非破坏性优先级仲裁方案，它并不能保证消息等待时间或确定性行为。但在许多网络环境中，实时响应并不重要，并且存在许多提高以太网性能的途径，譬如使用智能交换机来只转发那些发往与交换机相连的节点的帧等。这些性能的提高，再加上采用更高的数据传输速率，将有效地减少带宽使用率以及发生冲突的机会。而在电磁干扰方面，当用于工厂高能设备（比如电焊机等）中时，标准以太网也并不能免于受干扰，而且它所采用的接头对于办公室使用来说也显得并那么结实。然而成本正在不断下降的光纤则提供了一种杰出的解决方案，而且还可使用强度及耐用性都加强了的RJ-45接头。

　　权衡选项
　　现在，让我们回到最初的问题上：
　　两种总线是否将被继续广泛使用，如果是，那它们又将如何共存？将以太网用作现场总线的一个最初障碍是成本，但在过去几年中，以太网控制器与CPU、NVM、RAM及外围设备的集成已极大地降低了系统成本。
　　今天，由于存在各种不同的处理要求，因此一般并不进行以太网物理接口的集成，但随着销售的不断增加，其价格已经大为降低。成本门槛的降低，再加上一些可用的协议，如BACnet及 Ethernet/IP等，使得支持以太网的网络处理器的市场空间不断增大。
　　CAN将继续取得成功的原因有几点：首先，它只需要大约三分之一的以太网硅器件；其次，它只需要容量较小的CPU；第三，其物理接口设备也更为便宜。
　　许多对成本敏感的设备，如阀门等，其实并不需要有额外的带宽或者甚至不需要互联网连接。但CAN在实时处理及降噪方面的优势仍相当明显。
　　两种总线又将如何共存？毫无疑问，许多网络将继续采用CAN或者以太网，但不是两者都使用。如果一种总线可满足所有所需的网络特性，则又有什么必要去改变现状呢？更令人兴奋的是，目前正在开发一种可将以太网的连通性及带宽与CAN的低成本及行为确定性结合在一起的混合网络。
　　两种总线又将如何影响网络处理器的设计呢？拥有8/16位CPU的小型廉价CAN处理器，将继续成为简单及联网设备的首选，特别是在商用方面。但拥有以太网控制器且集成度更高的网络处理器，只是给CAN接口增加很少的额外成本，却能使其同时具有以太网及CAN的功能，或者成为这两种总线之间的桥梁。Motorola的MCF5282即是一种这样的设备（见框图）。