关于［台湾汉芝电子，芯片公式化，添加各项协议］的背后 ... …

原创 于 2025-10-13 08:30:00 发布 · 2k 阅读 · 27 ·
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#c语言 #eclipse #单片机 #网络安全 #网络协议

台湾汉芝电子芯片设计中的公式化与协议添加背后原因分析

台湾汉芝电子（iMQ）是一家专注于半导体和加密技术的企业。

在芯片设计中采用“公式化”（即基于数学模型和算法的设计方法）和“添加各项协议”（如集成标准接口协议）的做法，这背后有多重原因。

将从技术、商业和市场三个维度逐步分析。

1. 技术原因：提升芯片设计效率和性能
  • 公式化的必要性：芯片设计涉及复杂的电路优化，公式化方法（如使用数学模型）能减少人为错误，提高设计精度。例如，在数字电路设计中，时序分析可以用公式表示：$ t_{\text{setup}} \leq T_{\text{clock}} - t_{\text{prop}} $，其中 $ t_{\text{setup}} $ 是建立时间，$ T_{\text{clock}} $ 是时钟周期，$ t_{\text{prop}} $ 是传播延迟。这确保了芯片在高频下稳定运行。
    • 独立公式示例： $$ \min \sum_{i=1}^{n} (y_i - \hat{y}_i)^2 $$ 这表示最小化预测误差的平方和，常用于优化算法。
  • 协议添加的驱动：添加协议（如通信接口）是技术集成的关键。例如，协议堆栈需要符合标准规范，这能避免兼容性问题。公式化设计帮助快速实现这些协议，减少开发周期。
2. 商业原因：增强产品竞争力和降低成本
  • 公式化的商业优势：通过公式化设计，汉芝电子能重用设计模块（IP核），缩短产品上市时间。这降低了研发成本，例如，在模拟芯片设计中，使用公式 $ V_{\text{out}} = A_v \cdot V_{\text{in}} $（其中 $ A_v $ 是增益）能快速迭代设计。
  • 协议添加的市场价值：添加多项协议使芯片能适应多场景应用（如物联网设备、消费电子），扩大客户群。例如，支持协议可提升数据传输速度，吸引更多OEM厂商。这在竞争激烈的半导体市场中是关键策略。
3. 市场原因：满足客户需求和行业趋势
  • 客户需求驱动：终端用户要求设备兼容性强（如芯片需支持多种协议），汉芝电子通过公式化和协议添加来响应这些需求。例如，在各芯片领域，公式化优化能处理 $ \nabla f(x) = 0 $ 的梯度下降问题，提升计算效率。
  • 行业趋势影响：随着物联网和加密发展，芯片需集成更多协议（如 X509）。公式化设计使汉芝电子能快速适配新标准，避免被市场淘汰。统计显示，2020年代后，协议兼容芯片市场份额增长显著。
总结

台湾汉芝电子采用芯片公式化和添加协议的做法，核心原因是技术优化（提升设计精度和性能）、商业竞争（降低成本、扩展应用）和市场适应（满足多样化需求）。这反映了半导体行业的普遍趋势：通过数学驱动设计和标准化协议集成，实现高效创新。最终，这些策略帮助企业在全球供应链中保持竞争力。

Modbus RTU 协议实现

Modbus RTU 是 Modbus 协议的一种串行通信模式，通常用于工业设备之间的通信。以下是一个简单的 Modbus RTU 主站请求和从站响应的代码实现示例，使用 C 语言编写。

串口初始化

需要初始化串口通信参数，包括波特率、数据位、停止位和校验位。以下代码使用 Linux 环境下的 termios 库进行串口配置。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>

int serial_port_init(const char *port_name, int baud_rate) {
    int serial_port = open(port_name, O_RDWR | O_NOCTTY);
    if (serial_port < 0) {
        perror("Error opening serial port");
        return -1;
    }

    struct termios tty;
    memset(&tty, 0, sizeof(tty));
    if (tcgetattr(serial_port, &tty) != 0) {
        perror("Error getting serial port attributes");
        close(serial_port);
        return -1;
    }

    cfsetospeed(&tty, baud_rate);
    cfsetispeed(&tty, baud_rate);

    tty.c_cflag &= ~PARENB; // No parity
    tty.c_cflag &= ~CSTOPB; // 1 stop bit
    tty.c_cflag &= ~CSIZE;
    tty.c_cflag |= CS8;     // 8 data bits
    tty.c_cflag &= ~CRTSCTS; // No hardware flow control
    tty.c_cflag |= CREAD | CLOCAL; // Enable receiver

    tty.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); // Raw input
    tty.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // No software flow control
    tty.c_iflag &= ~(IGNBRK | BRKINT | PARMRK | ISTRIP | INLCR | IGNCR | ICRNL);

    tty.c_oflag &= ~OPOST; // Raw output

    if (tcsetattr(serial_port, TCSANOW, &tty) != 0) {
        perror("Error setting serial port attributes");
        close(serial_port);
        return -1;
    }

    return serial_port;
}

CRC16 校验计算

Modbus RTU 使用 CRC16 校验确保数据完整性。以下是 CRC16 计算的实现代码。

unsigned short crc16(unsigned char *data, unsigned int length) {
    unsigned short crc = 0xFFFF;
    for (unsigned int i = 0; i < length; i++) {
        crc ^= data[i];
        for (int j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 0x0001) {
                crc = (crc >> 1) ^ 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

构造 Modbus RTU 请求帧

以下代码构造一个读取保持寄存器的请求帧（功能码 0x03）。

void build_read_holding_registers_request(
    unsigned char *frame,
    unsigned char slave_address,
    unsigned short start_address,
    unsigned short num_registers
) {
    frame[0] = slave_address;          // 从站地址
    frame[1] = 0x03;                   // 功能码
    frame[2] = (start_address >> 8);    // 起始地址高字节
    frame[3] = (start_address & 0xFF);  // 起始地址低字节
    frame[4] = (num_registers >> 8);    // 寄存器数量高字节
    frame[5] = (num_registers & 0xFF);  // 寄存器数量低字节

    unsigned short crc = crc16(frame, 6);
    frame[6] = (crc & 0xFF);            // CRC 低字节
    frame[7] = (crc >> 8);              // CRC 高字节
}

发送请求和接收响应

以下代码演示如何发送请求并接收从站的响应。

int send_modbus_request(int serial_port, unsigned char *request, int request_length) {
    int bytes_written = write(serial_port, request, request_length);
    if (bytes_written < 0) {
        perror("Error writing to serial port");
        return -1;
    }
    return bytes_written;
}

int receive_modbus_response(int serial_port, unsigned char *response, int max_length) {
    int bytes_read = read(serial_port, response, max_length);
    if (bytes_read < 0) {
        perror("Error reading from serial port");
        return -1;
    }
    return bytes_read;
}

解析响应数据

以下代码解析从站返回的响应数据（功能码 0x03）。

int parse_read_holding_registers_response(
    unsigned char *response,
    int response_length,
    unsigned short *registers,
    int max_registers
) {
    if (response_length < 5) {
        fprintf(stderr, "Invalid response length\n");
        return -1;
    }

    unsigned char slave_address = response[0];
    unsigned char function_code = response[1];
    unsigned char byte_count = response[2];

    if (function_code != 0x03) {
        fprintf(stderr, "Invalid function code in response\n");
        return -1;
    }

    if (byte_count > (response_length - 5)) {
        fprintf(stderr, "Invalid byte count in response\n");
        return -1;
    }

    for (int i = 0; i < byte_count / 2; i++) {
        if (i >= max_registers) {
            break;
        }
        registers[i] = (response[3 + 2 * i] << 8) | response[4 + 2 * i];
    }

    return byte_count / 2;
}

示例主程序

以下是一个完整的主程序示例，演示如何使用上述函数进行 Modbus RTU 通信。

int main() {
    const char *port_name = "/dev/ttyUSB0";
    int baud_rate = B9600;
    int serial_port = serial_port_init(port_name, baud_rate);
    if (serial_port < 0) {
        return -1;
    }

    unsigned char request[8];
    unsigned char response[256];
    unsigned short registers[10];

    build_read_holding_registers_request(request, 1, 0, 10);
    if (send_modbus_request(serial_port, request, 8) < 0) {
        close(serial_port);
        return -1;
    }

    usleep(100000); // 等待从站响应

    int bytes_read = receive_modbus_response(serial_port, response, sizeof(response));
    if (bytes_read < 0) {
        close(serial_port);
        return -1;
    }

    int num_registers = parse_read_holding_registers_response(response, bytes_read, registers, 10);
    if (num_registers < 0) {
        close(serial_port);
        return -1;
    }

    printf("Read %d registers:\n", num_registers);
    for (int i = 0; i < num_registers; i++) {
        printf("Register %d: 0x%04X\n", i, registers[i]);
    }

    close(serial_port);
    return 0;
}

注意事项

  • 串口设备名称和波特率需根据实际硬件配置调整。
  • 从站地址、寄存器地址和数量需根据具体设备文档设置。
  • 在发送请求后需要等待足够的时间以确保从站能够响应。
  • CRC 校验是 Modbus RTU 的重要部分，确保所有帧都经过校验。

Matter（原CHIP协议）

是一个基于IP的智能家居开放标准，由CSA（连接标准联盟）维护。以下是一个简化的Matter协议实现示例，展示如何初始化Matter设备并发送基本命令。该代码基于Matter SDK的框架，实际开发需依赖官方SDK和工具链。

示例代码：Matter设备初始化与命令发送

#include <platform/CHIPDeviceLayer.h>
#include <app/server/Server.h>
#include <app/util/af-types.h>
#include <app/util/af.h>

using namespace chip;
using namespace chip::DeviceLayer;

// 定义端点ID和集群ID
#define MATTER_ENDPOINT_ID 1
#define ON_OFF_CLUSTER_ID 0x0006

// Matter设备初始化函数
void InitMatterDevice()
{
    // 初始化平台层
    PlatformMgr().InitChipStack();

    // 启动事件循环任务
    PlatformMgr().StartEventLoopTask();

    // 初始化设备数据模型
    Server::GetInstance().Init();

    // 注册设备端点
    EmberAfEndpointType endpoint;
    endpoint.clusterCount = 1;
    endpoint.cluster = (EmberAfCluster *)malloc(sizeof(EmberAfCluster));
    endpoint.cluster[0].clusterId = ON_OFF_CLUSTER_ID;
    afRegisterEndpoint(MATTER_ENDPOINT_ID, &endpoint);
}

// 发送开关命令
void SendOnOffCommand(bool isOn)
{
    EmberAfStatus status;
    if (isOn) {
        status = emberAfOnOffClusterOnCommandCallback();
    } else {
        status = emberAfOnOffClusterOffCommandCallback();
    }

    if (status != EMBER_ZCL_STATUS_SUCCESS) {
        ChipLogError(Zcl, "Failed to send command: %d", status);
    }
}

// 主函数
int main()
{
    InitMatterDevice();
    SendOnOffCommand(true); // 发送"开"命令
    return 0;
}

关键依赖说明

  1. Matter SDK：需从CSA官网下载SDK，包含核心库和编译工具链。
  2. 设备类型：代码中的ON_OFF_CLUSTER_ID对应基础开关设备，其他设备需替换为对应的集群ID（如灯光、门锁等）。
  3. 网络配置：实际部署需配置Thread/WiFi/Ethernet网络层，参考SDK中的examples/目录。

扩展功能实现

  1. 添加自定义属性
    在端点注册后，通过emberAfAddAttribute函数扩展属性：

    EmberAfAttributeMetadata attrMetadata = {
    .defaultValue = ZCL_BOOLEAN_ATTRIBUTE_TYPE,
    .size = 1
};
emberAfAddAttribute(MATTER_ENDPOINT_ID, ON_OFF_CLUSTER_ID, 0x8000, &attrMetadata);

  2. 实现OTA更新
    使用BDXProtocol和OTAProvider类，示例见SDK中的src/app/clusters/ota-requestor。

  3. 调试日志
    启用SDK日志输出：

    chip::Logging::SetLogFilter(chip::Logging::kLogCategory_Detail);

注意事项

  • 实际开发需根据硬件平台修改CHIPDeviceLayer的实现。
  • 完整项目需包含CMakeLists.txt和Kconfig文件配置，参考SDK中的示例工程。
  • 认证设备需通过CSA的合规性测试（PICS、DCL等）。
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