在物聯(lián)網(wǎng)之前，嵌入式設(shè)備曾經(jīng)相對(duì)簡(jiǎn)單易用。設(shè)備，工業(yè)控制器或環(huán)境傳感器的設(shè)計(jì)者只需要連接輸入信號(hào)，與微控制器一起處理并提供輸出控制。系統(tǒng)是獨(dú)立的; 除了逆向工程之外，黑客沒(méi)有動(dòng)力訪問(wèn)系統(tǒng)。

隨著智能手機(jī)的推出，我們現(xiàn)在希望我們的設(shè)備智能化，可升級(jí)并可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)。安全性不是可選的，如果不認(rèn)真對(duì)待安全性，數(shù)據(jù)，品牌聲譽(yù)和收入流都會(huì)受到影響。此外，嵌入式系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，你不可能成為一切的專家！幸運(yùn)的是，您可以使用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和堆棧庫(kù)以及時(shí)，安全的方式完成項(xiàng)目。

本文概述了嵌入式開發(fā)人員當(dāng)前面臨的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，以及一些有助于設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的新技術(shù)。

關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和市場(chǎng)預(yù)期

1、豐富的用戶界面

第一款智能手機(jī)引入了豐富的用戶界面，配有高品質(zhì)的顯示屏和觸摸屏。高端嵌入式設(shè)備增加了LCD和OLED顯示器以及觸摸屏。這增加了處理要求以及對(duì)應(yīng)用處理器和豐富操作系統(tǒng)的需求。對(duì)于那些不需要應(yīng)用處理器的人來(lái)說(shuō)，技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)將微控制器的時(shí)鐘速度從數(shù)十兆赫茲推升到幾百兆赫茲，內(nèi)存大小推動(dòng)到幾兆字節(jié)。這使設(shè)計(jì)人員能夠繼續(xù)從熟悉的架構(gòu)中受益，例如用于Arm Cortex-M的架構(gòu)。

許多嵌入式系統(tǒng)僅需要用戶界面進(jìn)行配置和偶爾控制。消費(fèi)者和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)價(jià)格非常敏感，并且可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接獲益，以便通過(guò)網(wǎng)絡(luò)界面或智能手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行控制。例如，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控來(lái)自工業(yè)傳感器的數(shù)據(jù)，以管理性能和錯(cuò)誤，以及預(yù)防潛在的故障。這為嵌入式工程師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。他們現(xiàn)在必須了解RF，協(xié)議棧，安全性，遠(yuǎn)程管理和固件更新。

2、本地和遠(yuǎn)程控制

您可以通過(guò)以太網(wǎng)，WiFi，藍(lán)牙，Z-Wave，Zigbee或線程實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程控制在功耗，復(fù)雜性和成本方面都有優(yōu)勢(shì)。通常，低功耗協(xié)議，如藍(lán)牙低功耗，Z-Wave和Zigbee，是電池應(yīng)用的理想解決方案。這些包括門鎖，環(huán)境傳感器和無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)。需要更多帶寬的設(shè)備（如安全攝像頭和傳感器網(wǎng)關(guān)）將通過(guò)WiFi連接?；蛘撸h(yuǎn)程位置的設(shè)備將使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)有趣的選擇是結(jié)合WiFi和藍(lán)牙低能耗。然后，藍(lán)牙用于調(diào)試和本地訪問(wèn)以實(shí)現(xiàn)低延遲，并且WiFi用于通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

嵌入式設(shè)計(jì)開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)不僅僅是如何為他們的產(chǎn)品選擇合適的解決方案，還包括集成無(wú)線電，通信堆棧和管理電源的復(fù)雜性，所有這些都不會(huì)增加成本。

3、功率越來(lái)越低

在電池供電的應(yīng)用中，低功耗至關(guān)重要。例如，智能水表需要在儀表的使用壽命內(nèi)使用單個(gè)電池，最長(zhǎng)可達(dá)20年。另一方面，在門鎖中，電池可以每年更換一次，這需要仔細(xì)設(shè)計(jì)。用于省電的技術(shù)之一是設(shè)計(jì)一個(gè)功率非常低的微控制器，以便在非常短的時(shí)間內(nèi)開啟以感測(cè)用戶交互。然后它將睡眠更長(zhǎng)時(shí)間。

4、設(shè)備變得更加智能

設(shè)計(jì)師正在尋找通過(guò)添加智能功能來(lái)區(qū)分其產(chǎn)品的方法。智能功能通常意味著設(shè)備可以更多地了解用戶，環(huán)境和系統(tǒng)，并且可以調(diào)整功能。

機(jī)器學(xué)習(xí)是使用可以學(xué)習(xí)和適應(yīng)的算法添加智能功能的一種方法。我們今天看到了機(jī)器學(xué)習(xí)：從指紋解鎖（匹配到一小組指紋圖像）或Facebook自動(dòng)標(biāo)記功能。但是，它是嵌入式，成本受限系統(tǒng)中的一種相當(dāng)新的解決方案。

嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)很好的例子是智能恒溫器。恒溫器將根據(jù)用戶的生活方式了解用戶的行為，然后隨著時(shí)間的推移，將自動(dòng)將溫度調(diào)節(jié)到最舒適的設(shè)置。對(duì)于工業(yè)市場(chǎng)，一個(gè)例子可以是用于電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)傳感器。傳感器可以了解電機(jī)的正常振動(dòng)特征，然后在設(shè)備需要維護(hù)或即將發(fā)生故障時(shí)向人員發(fā)出警告。

嵌入式設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是開始使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，并能夠根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)整算法。

5、產(chǎn)品需要更新

今天的產(chǎn)品很少附帶最終功能集。通過(guò)無(wú)線（OTA）更新，可以下載新固件以添加功能，修復(fù)錯(cuò)誤或修補(bǔ)安全漏洞，從而顯著延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。產(chǎn)品還必須具有足夠的內(nèi)存空間和處理能力，以增加代碼大小和功能。

一個(gè)挑戰(zhàn)是確保固件更新和所有通信都是安全的。修補(bǔ)固件漏洞時(shí)，系統(tǒng)不應(yīng)允許回滾固件。如果是，則會(huì)暴露漏洞。

幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的新技術(shù)

我概述了嵌入式設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)以及推動(dòng)他們的行業(yè)趨勢(shì)，但潛在的解決方案又如何呢？我認(rèn)為有三種基本設(shè)計(jì)技術(shù)會(huì)影響上面定義的所有領(lǐng)域：實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，保護(hù)設(shè)備并通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)添加智能。

如何簡(jiǎn)化信號(hào)處理并節(jié)省成本？

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都有模擬接口 這些可以簡(jiǎn)單到通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取溫度，到更復(fù)雜的系統(tǒng)，例如處理來(lái)自多個(gè)麥克風(fēng)（波束成形）和語(yǔ)音識(shí)別的聲音。

較舊的設(shè)計(jì)用于在模擬域中執(zhí)行大部分應(yīng)用和濾波，但是使用專用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），處理已經(jīng)轉(zhuǎn)移到數(shù)字域。這是因?yàn)镈SP在制造過(guò)程中更準(zhǔn)確，可重復(fù)，并且可以隨時(shí)調(diào)整。

隨著數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）或具有DSP擴(kuò)展的微控制器的引入，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以擁有兩全其美的優(yōu)勢(shì)?？梢詧?zhí)行DSP和控制功能的單個(gè)控制器可以降低成本，電路板空間和功耗。

數(shù)字信號(hào)處理可能很復(fù)雜，但設(shè)計(jì)人員不必是專家就可以使用高級(jí)處理。例如，Arm為嵌入式應(yīng)用程序CMSIS-DSP庫(kù)提供了一個(gè)免費(fèi)的軟件框架。

我為什么要關(guān)心安全問(wèn)題？

安全性不足的產(chǎn)品可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，尷尬的宣傳，財(cái)務(wù)成本和客戶受挫。安全攻擊可以跨越所有部門并具有不同程度的影響，包括訪問(wèn)家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，打開和關(guān)閉燈光，工業(yè)間諜活動(dòng)以及通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。

外部威脅可以分為四種攻擊類型：通信，生命周期，軟件和物理。但是，您如何知道需要防范哪些威脅以及如何使用適合您設(shè)備的安全級(jí)別進(jìn)行設(shè)計(jì)？去年，我們?yōu)槿魏卧O(shè)計(jì)連接設(shè)備的平臺(tái)安全架構(gòu)（PSA）推出了安全框架。這是一個(gè)三階段流程，為設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員提供他們所需的一切，以確定他們應(yīng)該選擇的安全級(jí)別和威脅緩解。在PSA的文檔和源代碼開放（可信固件-M），使開發(fā)人員更容易上手。

注：文章由朗銳智科整理編譯。