Comprender y utilizar MCU con habilitación Ethernet en su próxima aplicación

Los MCU ofrecen una amplia gama de opciones de conectividad de Ethernet. Ya que la mayoría de las aplicaciones requieren conexión a Internet, es altamente probable que su próximo diseño basado en MCU deba contar con algún tipo de conexión a la red. Bien sea que su próximo diseño sea un sensor que necesite consolidar y comunicar datos a través de una red Ethernet, o una cámara de seguridad con conexión a la red que requiere se le envíen periódicamente actualizaciones de código a través de la conexión de red, o un controlador industrial que deba utilizar una conexión Ethernet industrial resistente, su elección de MCU con habilitación a Ethernet será esencial para lograr las capacidades que se requieren para un diseño exitoso.

Conectividad omnipresente

Ethernet es quizás uno de los estándares de comunicaciones de datos más exitoso y omnipresente desde la invención del telégrafo. Ha subsistido durante años de mejoras y modificaciones que se han realizado desde las especificaciones originales de 10 Mbit/s hasta llegar a los 100 Gb/s y más. Las versiones con mayor fiabilidad, como el Ethernet Industrial, ya están disponibles, así como las versiones con mejor capacidad sincrónica para la transmisión de datos en tiempo real, como audio y video. El Ethernet con seguridad añadida está creciendo rápidamente a la vez que los sistemas integrados son el blanco de hackers y de virus. Veamos algunos ejemplos de MCU con habilitación Ethernet y de las aplicaciones de destino que sirven para comprender mejor las opciones que usted enfrenta al momento de seleccionar el MCU adecuado para su aplicación integrada.

Implementaciones de Ethernet de bajo costo

Todavía se cree que agregar Ethernet a un sistema integrado es una opción costosa, pero incluso los microcontroladores de bajo costo tienen conectividad Ethernet disponible. De hecho, con el uso del venerable MCU PIC32MX795 de Microchip, en combinación con el PHY Ethernet DP83848 de Texas Instruments, el costo de los componentes clave es muy bajo (utilice los enlaces para ver los precios actuales por unidad de DigiKey). El PIC32MX795 también dispone de una gran variedad de características que hacen que sea fácil implementar muchas funciones relacionadas con Ethernet. Son de especial interés el controlador de DMA, el sistema interruptor y los modos de baja potencia. La combinación de estas características hace posible activar el sistema desde un estado de bajo consumo de energía cuando se recibe un paquete (quizás usando un "Magic Packet" ). Se puede entonces utilizar el controlador DMA para transferir datos mientras la CPU está procesando datos, a fin de reducir al mínimo la necesidad del "tiempo de encendido" de la CPU. Esto permite implementar sensores con habilitación de red y sistemas integrados similares de una manera sorprendentemente eficiente en cuanto a energía.

Tal vez el elemento más útil de la solución de la familia PIC32 Ethernet de Microchip sea la pila disponible bajo licencia libre para diseños integrados. La pila, que se muestra en la parte derecha de la figura 1 junto a la Placa de Kit de Inicio Ethernet de Microchip, se divide en varias capas, donde cada capa accede a los servicios de una o más capas directamente debajo de la misma.


Figura 1: Placa de Kit de Inicio Ethernet PIC32 y Pila IP/TCP con Licencia Libre. (Cortesía de Microchip)

Muchas de las capas de TCP/IP están "activas", en el sentido de que no sólo responden cuando se solicita un servicio, sino también cuando tienen lugar eventos como la llegada de un nuevo paquete o un evento de espera. Esto hace que sea más fácil admitir aplicaciones sencillas que no requieren un sistema operativo o RTOS. Algunas de las características clave de la pila TCP/IP de Microchip incluyen:

• Protocolos compatibles: ARP, IP, ICMP, UDP, TCP, DHCP, SNMP, HTTP, FTP, TFTP
• Soporte de clavija para TCP y UDP
• Capa de conexión segura (SSL)
• Servicio de nombres NetBIOS
• DNS: Sistema de Nombres de Dominio
• Detección de dispositivos Ethernet

Microchip ofrece varios tutoriales (incluyendo un Módulo de Capacitación sobre Productos para la familia PIC32), ejemplos de diseño e incluso diseños completos de referencia, para facilitar la creación de sistemas integrados con habilitación TCP/IP. Por ejemplo, Microchip ofrece un tutorial que muestra el diseño de máquinas expendedoras con conexión a la red.¹

Implementaciones de Ethernet Industrial

Si necesita una implementación de Ethernet más resistente y robusta puede considerar la posibilidad de usar un MCU que admita Ethernet Industrial. Algunos MCU ofrecen hardware exclusivo no sólo para la interfaz de Ethernet, sino también para la administración y el control para permitir que la CPU esté disponible para otras tareas. La familia de dispositivos Sitara de Texas Instruments, como el AM3352BZCZ60, posee un subsistema completo de unidad programable en tiempo real y un subsistema de comunicación industrial (PRU-ICSS). Este hardware exclusivo consta de núcleos RISC duales de 33 bits (unidades programables en tiempo real, o PRU), memorias de instrucciones, compartidas y de datos, módulos periféricos internos, y un controlador de interrupciones (INTC). La naturaleza programable de la PRU (Figura 2), junto con su acceso a las clavijas, los eventos y todos los recursos en el chip, proporciona flexibilidad al implementar respuestas rápidas en tiempo real, operaciones de manipulación de datos especializados, interfaces personalizadas de periféricos, y en las tareas de descarga de otros elementos de proceso en el chip.


Figura 2: El MCU Sitara de Texas Instruments ofrece un susbsistema de unidad programable en tiempo real y un subsistema de comunicación industrial (PRU-ICSS). [Cortesía de Texas Instruments]

Las PRU tienen acceso a todos los recursos en chip a través de la interfaz o del puerto maestro OCP, y los procesadores host externos pueden acceder a los recursos de los PRU-ICSS a través de la interfaz del puerto secundario OCP. El bus de interconexión de 32 bits conecta los distintos puertos maestros internos y externos a los recursos dentro de los PRU-ICSS. El INTC maneja los eventos de entrada del sistema y envía los eventos de regreso a la CPU host a nivel del dispositivo.

Los núcleos de la PRU están programados con un reducido conjunto de instrucciones específicas. Cada PRU puede operar de forma independiente o en coordinación con las demás y también pueden funcionar en coordinación con la CPU host a nivel del dispositivo. Esta interacción entre los procesadores está determinada por la naturaleza de los firmware cargados en las memorias de instrucción de la PRU. El periférico de Ethernet industrial (IPE) se utiliza para administrar y generar funciones de Ethernet Industrial, incluyendo:

• Un temporizador de Ethernet Industrial con 10 eventos de captura y ocho eventos de comparación
• Dos señales de sincronización de Ethernet Industrial
• Dos temporizadores de vigilancia de Ethernet Industrial de 16 bits
• E/S digital para Ethernet Industrial

La existencia de los núcleos PRU exclusivos y del IPE simplifican en gran medida el diseño de una aplicación integrada con habilitación de Ethernet industrial. Texas Instruments también suministra varios paquetes de software que admiten los populares sistemas operativos (OS) como Linux y Android para las aplicaciones integradas que requieren más funciones que un simple sensor o medidor. La funcionalidad del sistema operativo puede ser un requisito clave para las aplicaciones industriales más complejas que requieren comunicaciones seguras, sistemas de archivos, procesamiento de imágenes y robustas interfaces de usuario.

Diseños de Ethernet con eficiencia energética

Algunos MCU ofrecen una combinación de bajo consumo de energía y eficiencia en el rendimiento con el fin de proporcionar la mayor cantidad de datos y un ancho de banda de procesamiento con un mínimo consumo de energía. El dispositivo Kinetis MK60DN512 de Freescale incluye un hardware exclusivo para habilitar la activación desde la función de modo de ahorro de energía específicamente adaptado para Ethernet. El puerto Ethernet puede proporcionar una fuente de activación asincrónica para el estado de bajo consumo cuando recibe un Magic Packet. Como se muestra en la Figura 3, esta fuente es sólo una de las numerosas fuentes que permiten que el diseño muestre eficiencia energética cuando utiliza una variedad de periféricos de comunicaciones, clavijas GPIO y temporizadores internos.


Figura 3: Fuentes de activación asincrónica de modo de bajo consumo para la familia de MCU Kinetis MK60 (Cortesía de Freescale)

El bloque MAC de Ethernet en chip incluye varias características clave que mejoran notablemente la eficacia de transferencia. Un FIFO especial integrado en el receptor proporciona control de flujo sin pérdida (por ejemplo, la generación y terminación automatizada de marco pausa de 802.3 x31A) para mejorar la eficiencia en la transferencia de datos. El temporizador en chip IEEE 1588 también se puede utilizar para implementaciones de Ethernet sensibles al factor tiempo, como el Ethernet Industrial. La aceleración de hardware se incluye a fin de optimizar el rendimiento de los controladores de red al proveer IP y servicios de protocolo TCP, UDP, ICMP. El bloque de aceleración realiza las funciones críticas en el hardware, las cuales por regla general, se llevan a cabo con una importante sobrecarga de procesamiento de la CPU. Algunas de las funciones de optimización del rendimiento de protocolos IP incluyen:

• Funcionamiento en TCP/IP y UDP/IP, y datos de protocolo ICMP/IP o sólo en encabezado de IP.
• Permite procesamiento de velocidad de cable
• Compatibilidad con IPv4 y IPv6
• Paso transparente de marcos de otros tipos y protocolos
• Admite marcos etiquetados VLAN de acuerdo con la norma IEEE 802.1q con etiqueta transparente de reenvío de VLAN y campo de control
• Encabezado de IP automático y cálculo de suma de verificación de carga útil (específica para protocolo) y verificación tras recepción
• Encabezado de IP automático y generación de suma de verificación de carga útil (específica para protocolo) e inserción automática de transmisión configurable según cada marco
• Soporte para todos los marcos IEEE 1588

Las funciones aceleración de protocolos de alto nivel de hardware no sólo mejoran la eficiencia en la transferencia de datos Ethernet, también proporcionan una mejora significativa en la eficacia de la CPU. Debido a que la CPU no necesita implementar muchas de las funciones de mantenimiento comunes asociadas con la implementación de protocolos de nivel superior, se puede poner en un estado de energía reducida o puede realizar otras tareas de procesamiento.

Seguridad del sistema con conexión Ethernet

Las aplicaciones con Ethernet incorporado enfrentan cada vez mayores responsabilidades en cuanto a la seguridad en la transferencia de datos y los datos en reposo dentro del sistema integrado. El Departamento de Seguridad Nacional de los EE. UU. ha revelado la posibilidad de ataques contra sistemas integrados conectados dentro de la red de suministro de energía, como el realizado por el grupo llamado "Oso Energético",² el cual puso en evidencia cuán vulnerables son los sistemas integrados. Los atacantes pueden incluso "adueñarse" de un sistema integrado mediante la instalación de código en el nivel más bajo del sistema operativo, es decir el código que "arranca" el sistema. Una vez que el código de inicio se ve afectado, los hackers pueden hacer las modificaciones que deseen para extraer información secreta, o incluso tomar el control del sistema para causar daños a costosos equipos o, en el peor de los casos, para dañar un conjunto completo de procesamiento.

Algunos MCU y MPU ahora incluyen un hardware especial para ayudar a garantizar la transmisión de datos e incluso un inicio seguro. El dispositivo SAMA5D33 de Atmel, con su mecanismo de arranque seguro, motores acelerados de hardware para permitir encriptamiento (AES, TDES), y función de hash (SHA), asegura la anticlonación, (de tal manera que el MCU no pueda ser copiado o manipulado mediante ingeniería inversa con la simple lectura de los datos del chip), y garantiza también la protección de código externo y una segura transferencia de datos. El SAMA5D3 también cuenta con dos puertos Ethernet separados (uno de ellos con conexiones de 10/100/1000 Mbps y otro para conexiones de 10/100 Mbps) con el objeto de implementar sistemas integrados que necesitan habilitar puentes, enrutamiento y agregación. Los puentes y los enrutadores suelen ser objetivos clave para los ataques de intrusiones en la red, ya que proporcionan acceso a la mayor parte de la red, a diferencia de los sensores o medidores que se encuentran normalmente en los nodos finales del sistema y tienen un acceso limitado al resto del mismo. Por lo tanto, un inicio seguro es una capacidad crítica para los puentes y los enrutadores, razón por la cual es una gran ventaja contar con esta característica en el SAMA5D3.

En resumen

Muchas aplicaciones requieren de conectividad Ethernet en la actualidad y los proveedores de MCU están respondiendo con una variedad de MCU con habilitación Ethernet. Usted debe seleccionar el MCU en función del tipo de conectividad Ethernet que requiere su aplicación: Ethernet Industrial, Ethernet con seguridad adicional, Ethernet de baja potencia o una solución de bajo costo. Si busca cuidadosamente, probablemente encontrará un MCU optimizado para su aplicación.

Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de información del producto en el sitio web de DigiKey.

Referencias:

1. Diseño de ejemplo de Ethernet de Microchip (Parte 1 de 3).
2. Artículo de Reuters: "El Gobierno de los EE.UU. solicita a las empresas controlar sus redes tras los ataques del 'Oso Energético'".