2024年嵌入式系統(tǒng)將走向何方？

2024年，嵌入式系統(tǒng)將走向何方？如何才能走在趨勢的前沿？從工廠到家電，從醫(yī)院里昂貴的醫(yī)療設(shè)備，到隨處可見的可穿戴設(shè)備，我們身邊的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來越多，生活更加綠色低碳，嵌入式系統(tǒng)功不可沒。ST于3月19日成功舉辦STM32全球在線峰會，不僅讓業(yè)界了解到影響行業(yè)發(fā)展趨勢的新技術(shù)，還與大家共同展望了2024年這些新技術(shù)將把產(chǎn)業(yè)帶向何方。

計算效率：花小錢辦大事 ? ?

更高的效率是系統(tǒng)創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動力。效率是完成工作與所花費能量的比率。對微控制器來說就是電能效率。提高效率意味著在提供相同或更多的計算吞吐量的同時降低功耗。但隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用不斷優(yōu)化，一個新的效率比率誕生了：給定計算吞吐量的應(yīng)用復(fù)雜性。

想象一下，把今天的高性能MCU帶回五年前。它根本無法運行今天能運行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或豐富UI，因為那時的框架和機器學(xué)習(xí)算法遠不如現(xiàn)在精細。現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)不僅性能更加強大，而且進行了新的應(yīng)用優(yōu)化。因此，同樣的算力今天可以運行更強大的應(yīng)用。

▲使用TAO工具箱訓(xùn)練與剪枝量化的對比

例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的量化能實現(xiàn)更強大的邊緣AI系統(tǒng)。ST最近與施耐德電氣共同演示了一個深度量化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在STM32H7上運行人數(shù)統(tǒng)計應(yīng)用。NVIDIA在運行一個用其TAO工具包優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)時，也采用了同款MCU和STM32Cube.AI。同樣，新的電機控制算法，如ZeST，讓MCU可以更準確、更高效地驅(qū)動電機，而新的UI框架優(yōu)化讓MCU可以運行更豐富的圖形用戶界面，同時還能降低對存儲器的需求。例如，ST新版TouchGFX支持矢量字體，ST近期推出的STM32U5具有IP加速的矢量圖形處理功能，有了圖形界面開發(fā)框架的加持，STM32U5的圖顯效果會更加出色。

工程師必須確保自己的嵌入式處理解決方案不僅能夠降低功耗，而且其所運行的應(yīng)用也是最近優(yōu)化改進的。在許多情況下，實時應(yīng)用不再是while循環(huán)中運行的基本代碼。開發(fā)人員必須充分利用云計算、機器學(xué)習(xí)、傳感器融合或圖形界面。因此，找到合適的并配有完備生態(tài)系統(tǒng)的MCU至關(guān)重要，生態(tài)系統(tǒng)可以提供新的解決方案，幫助開發(fā)者優(yōu)化應(yīng)用。工程師必須考慮設(shè)備的運行速度，以及對復(fù)雜的、功能豐富的應(yīng)用的支持能力。

支持多種無線協(xié)議，與世界無縫溝通 ? ?

目前，嵌入式應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)主要是選擇某一種通信模式，要么有線，要么無線。如果是后者，通常會選擇一種無線協(xié)議，例如蜂窩、Wi-Fi或藍牙。過去幾年，嵌入式行業(yè)的無線通信協(xié)議激增，從6LoWPAN到LoRaWAN、Zigbee、Thread、NB-IoT，新協(xié)議層出不窮，但卻沒有實現(xiàn)統(tǒng)一的標準，而是各種協(xié)議混戰(zhàn)。

以2.4GHz頻譜為例，雖然藍牙仍然是這個市場的主角，但Zigbee和Thread的熱度不斷上升。出于競爭或監(jiān)管原因，許多公司還開發(fā)IEEE 802.15.4定制協(xié)議。為結(jié)束無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)量激增造成的混亂局面，家庭自動化統(tǒng)一標準Matter問世，該標準運行在Wi-Fi、Thread、藍牙等多種無線技術(shù)之上，并支持許多2.4 GHz橋接器，包括Zigbee和Z-Wave，而不是僅僅采用一種無線技術(shù)。

因此，工程師面臨著一個新的挑戰(zhàn)：為保持競爭力，必須創(chuàng)建一個支持多種無線協(xié)議的系統(tǒng)。如果采用一個支持多種無線技術(shù)的MCU，公司就可以用一個硬件平臺滿足多元市場的需求。例如，開發(fā)人員可以在一個區(qū)域使用專有的IEEE 802.15.4協(xié)議，在另一個區(qū)域采用Thread，無需更換硬件平臺，只需修改代碼庫。這樣就可以縮短產(chǎn)品上市時間，并獲得更大的設(shè)計靈活性。總之，到2024年，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員在設(shè)計時必須考慮到多協(xié)議支持，并選擇能夠滿足當(dāng)前和未來需求的產(chǎn)品。

強大安全性：保護未來投資? ??

物聯(lián)網(wǎng)會帶來很多安全威脅。人們已經(jīng)深刻認識到，嵌入式系統(tǒng)安全性是至關(guān)重要的。必須保護服務(wù)器、代碼、終端用戶數(shù)據(jù)，甚至實體設(shè)備，防止網(wǎng)絡(luò)攻擊。否則就可能會對產(chǎn)品及其品牌產(chǎn)生嚴重影響。而監(jiān)管部門的干預(yù)也為嵌入式安全帶來了新的挑戰(zhàn)。歐盟、美國和許多其他國家和標準化機構(gòu)已經(jīng)頒布了新的信息安全法規(guī)。這些新規(guī)尚不明確或不是最終的，有些內(nèi)容還在制定中。

業(yè)界一直在采用更正式的安全標準來應(yīng)對這一新挑戰(zhàn)。例如，平臺安全架構(gòu) (PSA)和物聯(lián)網(wǎng)平臺安全評估標準(SESIP)兩大認證組織提供了一整套完備的安全設(shè)計方法，幫助工程師保護嵌入式系統(tǒng)的信息安全。這些認證有助于工程師開發(fā)面向未來的設(shè)計，并確保滿足各種嚴格的網(wǎng)絡(luò)安全要求。但這也意味著開發(fā)者不能事后添加安全功能，也不能在完成系統(tǒng)設(shè)計后再去認證，而是在首次概念驗證時就要考慮安全性，并采用能夠滿足相應(yīng)認證級別的微控制器。

以智能家居應(yīng)用為例，智能家居應(yīng)用需要與云服務(wù)共享個人數(shù)據(jù)和敏感數(shù)據(jù)。越來越多的政府要求智能家居設(shè)備具有加密通信、物理攻擊防御、軟件入侵防護、安全無線更新系統(tǒng)、數(shù)據(jù)泄露檢測等功能。一般情況下，SESIP三級認證能保證系統(tǒng)滿足這些安全要求。但如果工程師未能選擇能夠獲得此類認證的MCU，就可能讓整個項目的安全性大打折扣。為確保產(chǎn)品能夠滿足特定的安全認證要求，硬件和平臺都是需要考慮的因素，因此，開發(fā)人員在選擇MCU時必須采用新的思維方式。

STM32峰會：共同展望行業(yè)未來 ? ?

在分析那些影響2024年及以后的行業(yè)趨勢時，不難發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)的培育者至關(guān)重要。計算能效取決于MCU，以及其上運行的應(yīng)用框架、中間件和算法。支持多種無線協(xié)議需要新的開發(fā)工具，而保護嵌入式系統(tǒng)則需要基于硬件IP的實用軟件解決方案。

STM32全球在線峰會邀請了部分客戶分享他們的實際研發(fā)經(jīng)驗，向觀眾展示他們是如何基于ST的嵌入式平臺應(yīng)對未來挑戰(zhàn)的。

審核編輯：黃飛