嵌入式设备的演变：应对复杂的设计挑战

在物联网出现之前，嵌入式设备的设计过去相对简单。电器、工业控制器或环境传感器的设计人员只需连接输入信号、与微控制器进行处理并提供输出控制。系统是独立的；除了逆向工程，黑客没有任何动机访问系统。

随着智能手机的推出，我们现在希望我们的设备变得智能、可升级并可通过互联网访问。安全不是可选的——如果不认真对待安全，数据、品牌声誉和收入流都会受到影响。此外，嵌入式系统正变得越来越复杂，您不可能成为所有方面的专家！幸运的是，您可以使用现有的标准和堆栈库来及时、安全地完成项目。

本文概述了嵌入式开发人员当今面临的主要设计挑战，以及一些有助于设计人员应对这些挑战的新技术。

主要设计挑战和市场预期

1. 丰富的用户界面

第一款智能手机引入了具有高品质显示屏和触摸屏的丰富用户界面。高端嵌入式设备增加了 LCD 和 OLED 显示器和触摸屏。这增加了处理要求以及对应用处理器和丰富操作系统的需求。对于那些不需要应用处理器的人来说，技术进步已经将微控制器的时钟速度从几十兆赫推到了几百兆赫，将内存大小推到了几兆字节。这让设计人员能够继续从熟悉的架构中受益，例如用于 Arm Cortex-M 的架构。

许多嵌入式系统只需要一个用户界面来进行配置和偶尔的控制。消费者和工业物联网设备对价格很敏感，可以从互联网连接中受益，允许通过网络界面或智能手机应用程序进行控制。例如，可以远程监控来自工业传感器的数据，以管理性能和错误，以及预防潜在故障。这给嵌入式工程师带来了新的挑战。他们现在必须了解射频、协议栈、安全性、远程管理和固件更新。

图 1：智能家居控制（来源：Getty Images，ID 908590688，Elena Pejchinova）

1. 本地和远程控制

您可以通过以太网、WiFi、蓝牙、Z-Wave、Zigbee 或 Thread 实现本地和远程控制——在功耗、复杂性和成本方面各有优势.一般来说，低功耗蓝牙、Z-Wave 和 Zigbee 等低功耗协议是电池应用的良好解决方案。其中包括门锁、环境传感器和无线报警系统。需要更多带宽的设备，例如安全摄像头和传感器网关，将通过 WiFi 连接。或者，偏远地区的设备将使用蜂窝网络。一个有趣的选择是结合 WiFi 和低功耗蓝牙。然后使用蓝牙进行低延迟调试和本地访问，并使用WiFi通过互联网进行远程访问。

嵌入式设计开发人员面临的挑战不仅在于如何为其产品选择合适的解决方案，还在于集成无线电、通信堆栈和管理电源的复杂性，所有不增加成本。

图2：城市网络（来源：Getty Images，ID 811360940，董文杰）

1. 低功耗

低功耗在电池供电应用中至关重要。例如，智能水表需要在仪表的使用寿命内使用单个电池运行，最长可达 20 年。另一方面，在门锁中，电池可能每年更换一次，这需要仔细设计。用于节能的技术之一是设计一个功耗极低的微控制器，以在很短的时间内开启以感知用户交互。然后它会睡更长时间。

1. 设备越来越智能

设计师正在寻找通过添加智能功能来区分其产品的方法。智能功能通常意味着设备可以更多地了解用户、环境和系统，并且可以调整功能。

机器学习是一种使用可以学习和适应的算法来添加智能特征的方法。我们今天在我们周围看到了机器学习：从您的指纹解锁（匹配到一小组指纹图像）或 Facebook 自动标记功能。然而，它在嵌入式、成本受限的系统中是一个相当新的解决方案。

嵌入式机器学习的一个很好的例子是智能恒温器。恒温器将根据用户的生活方式了解用户的行为，然后随着时间的推移，将自动将温度调节到最舒适的设置。对于工业市场，电机振动传感器就是一个例子。传感器可以学习电机的正常振动特征，然后在设备需要维护或即将发生故障时向人员发出警告。

嵌入式设计师面临的挑战是开始使用机器学习算法并能够根据应用程序的需求调整算法。

图 3：智能家居气候控制系统（来源：Getty Images，ID 474200292，MaxiPhoto）

1. 产品需要更新

今天的产品很少附带最终功能集。通过无线 (OTA) 更新，可以下载新固件以添加功能、修复错误或修补安全漏洞，从而显着延长产品的使用寿命。产品的设计还必须具有足够的内存空间和处理能力，以增加代码大小和功能。

一项挑战是确保固件更新和所有通信都是安全的。当修补固件漏洞时，系统不应允许固件回滚。否则，漏洞就会暴露。

图 4：可能需要 OTA 更新的嵌入式应用程序示例（来源：Getty Images，ID 145676156，Earl Wilkerson。图标：Arm）

帮助设计师应对这些挑战的新技术

我已经概述了嵌入式设计师面临的挑战以及推动他们发展的行业趋势，但潜在的解决方案呢？我认为存在影响上述所有领域的三种基本设计技术：实施信号处理、保护您的设备以及通过机器学习增加智能。

如何简化信号处理并节省成本？

大多数嵌入式系统都有模拟接口。这些可以像通过模数转换器读取温度一样简单，也可以是更复杂的系统，例如处理来自多个麦克风的声音（波束成形）和语音识别。

较旧的设计过去常常在模拟域中执行大部分应用和滤波，但使用专用数字信号处理器 (DSP)，处理已转移到数字域。这是因为 DSP 更准确、在制造过程中具有可重复性并且可以随着时间的推移进行调整。

随着数字信号控制器 (DSC) 或具有 DSP 扩展功能的微控制器的引入，设计人员现在可以两全其美。可以执行 DSP 和控制功能的单个控制器可降低成本、电路板空间和功耗。

数字信号处理可能很复杂，但设计人员无需成为专家即可使用高级处理。例如，Arm 为嵌入式应用程序提供了一个免费的软件框架，CMSIS-DSP 库。

我为什么要关心安全？

安全性不足的产品可能会导致数据丢失、令人尴尬的宣传、财务成本和客户沮丧。安全攻击可以跨越所有领域，并具有不同程度的影响，从访问家庭自动化系统和打开和关闭灯，到工业间谍活动和通过物联网设备访问网络。

外部威胁可分为四种攻击类型：通信、生命周期、软件和物理。但是，您如何知道需要防范哪些威胁以及如何为您的设备设计合适的安全级别？去年，我们为任何设计连接设备的人推出了一个安全框架，即平台安全架构 (PSA)。这是一个三个阶段的过程，为设计人员和开发人员提供了确定安全级别和他们应该选择的威胁缓解所需的一切。 PSA 文档和开源代码（Trusted Firmware-M）让开发者更容易上手。

图 5：可用于缓解安全漏洞的 Arm 技术（来源：Arm）

如何添加智能功能？

可以通过实施数据科学家编写的复杂算法来添加智能功能。可以通过分析声音样本并将这些样本与每个命令的模板进行比较来实现响应语音命令的系统。这种方法的问题在于，它可能适用于一个用户，但不适用于广泛的用户，并且在嘈杂或不断变化的环境中不会很稳健。

使用机器学习的智能功能需要使用数据集来训练系统，例如在不同环境和条件下许多说话者所说的语音命令。此培训通常使用云服务器。一旦模型建立和优化，模型的推理或使用就可以在嵌入式处理器上完成。

一种解决方案是 CMSIS-NN，这是一个免费的神经网络库，旨在最大限度地提高 Cortex-M 处理器内核上神经网络的性能并减少其内存占用。

新时代——新机遇和新挑战

毫无疑问，嵌入式设备比以往任何时候都更加复杂——产品需求不断增加，成本压力越来越大，安全问题不断上升，尤其是对于联网设备。

这些因素都给开发人员带来了重大挑战。但是，好消息是，该行业正在不断发展，以通过 IP、软件、工具和培训资源来支持这一点，以帮助嵌入式开发人员突破可能的界限。

Phil Burr 是 Arm 嵌入式集团内现有产品组合的主管。他领导的团队负责 Arm 的 CPU 产品组合，帮助确保这些处理器能够帮助新老合作伙伴进行创新。 Phil 还管理 Arm DesignStart 计划——一种低成本、易于访问的 Arm IP 途径。