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

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

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

關(guān)鍵設(shè)計挑戰(zhàn)和市場預(yù)期

1、豐富的用戶界面

第一款智能手機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應(yīng)用處理器和豐富操作系統(tǒng)的需求。對于那些不需要應(yīng)用處理器的人來說，技術(shù)進步已經(jīng)將微控制器的時鐘速度從數(shù)十兆赫茲推升到幾百兆赫茲，內(nèi)存大小推動到幾兆字節(jié)。這使設(shè)計人員能夠繼續(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)僅需要用戶界面進行配置和偶爾控制。消費者和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對價格非常敏感，并且可以通過互聯(lián)網(wǎng)連接獲益，以便通過網(wǎng)絡(luò)界面或智能手機應(yīng)用進行控制。例如，可以遠程監(jiān)控來自工業(yè)傳感器的數(shù)據(jù)，以管理性能和錯誤，以及預(yù)防潛在的故障。這為嵌入式工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。他們現(xiàn)在必須了解RF，協(xié)議棧，安全性，遠程管理和固件更新。

2、本地和遠程控制

您可以通過以太網(wǎng)，WiFi，藍牙，Z-Wave，Zigbee或線程實現(xiàn)本地和遠程控制在功耗，復(fù)雜性和成本方面都有優(yōu)勢。通常，低功耗協(xié)議，如藍牙低功耗，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)境傳感器和無線報警系統(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WiFi連接。或者，遠程位置的設(shè)備將使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)。一個有趣的選擇是結(jié)合WiFi和藍牙低能耗。然后，藍牙用于調(diào)試和本地訪問以實現(xiàn)低延遲，并且WiFi用于通過因特網(wǎng)進行遠程訪問。

嵌入式設(shè)計開發(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，還包括集成無線電，通信堆棧和管理電源的復(fù)雜性，所有這些都不會增加成本。

3、功率越來越低

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)使用單個電池，最長可達20年。另一方面，在門鎖中，電池可以每年更換一次，這需要仔細設(shè)計。用于省電的技術(shù)之一是設(shè)計一個功率非常低的微控制器，以便在非常短的時間內(nèi)開啟以感測用戶交互。然后它將睡眠更長時間。

4、設(shè)備變得更加智能

設(shè)計師正在尋找通過添加智能功能來區(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。我們今天看到了機器學(xué)習(xí)：從指紋解鎖（匹配到一小組指紋圖像）或Facebook自動標(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。

嵌入式機器學(xué)習(xí)的一個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，然后隨著時間的推移，將自動將溫度調(diào)節(jié)到最舒適的設(shè)置。對于工業(yè)市場，一個例子可以是用于電動機的振動傳感器。傳感器可以了解電機的正常振動特征，然后在設(shè)備需要維護或即將發(fā)生故障時向人員發(fā)出警告。

嵌入式設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是開始使用機器學(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。通過無線（OTA）更新，可以下載新固件以添加功能，修復(fù)錯誤或修補安全漏洞，從而顯著延長產(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。

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

幫助設(shè)計人員應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的新技術(shù)

我概述了嵌入式設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)以及推動他們的行業(yè)趨勢，但潛在的解決方案又如何呢？我認為有三種基本設(shè)計技術(shù)會影響上面定義的所有領(lǐng)域：實現(xiàn)信號處理，保護設(shè)備并通過機器學(xué)習(xí)添加智能。

如何簡化信號處理并節(jié)省成本？

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

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

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

數(shù)字信號處理可能很復(fù)雜，但設(shè)計人員不必是專家就可以使用高級處理。例如，Arm為嵌入式應(yīng)用程序CMSIS-DSP庫提供了一個免費的軟件框架。

我為什么要關(guān)心安全問題？

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，包括訪問家庭自動化系統(tǒng)，打開和關(guān)閉燈光，工業(yè)間諜活動以及通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備訪問網(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)備的安全級別進行設(shè)計？去年，我們?yōu)槿魏卧O(shè)計連接設(shè)備的平臺安全架構(gòu)（PSA）推出了安全框架。這是一個三階段流程，為設(shè)計人員和開發(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。