STM32揭示2024年嵌入式系統(tǒng)三大趨勢(shì)

2024 年，嵌入式系統(tǒng)將走向何方？如何才能走在趨勢(shì)的前沿？從工廠(chǎng)到家電，從醫(yī)院里昂貴的醫(yī)療設(shè)備，到隨處可見(jiàn)的可穿戴設(shè)備，我們身邊的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來(lái)越多，生活更加綠色低碳，嵌入式系統(tǒng)功不可沒(méi)。ST 于3月19日成功舉辦STM32全球在線(xiàn)峰會(huì)，不僅讓業(yè)界了解到影響行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)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。

圖1 使用TAO工具箱訓(xùn)練與剪枝量化的對(duì)比

1 計(jì)算效率：花小錢(qián)辦大事

更高的效率是系統(tǒng)創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。效率是完成工作與所花費(fèi)能量的比率。對(duì)微控制器來(lái)說(shuō)就是電能效率。提高效率意味著在提供相同或更多的計(jì)算吞吐量的同時(shí)降低功耗。但隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用不斷優(yōu)化，一個(gè)新的效率比率誕生了：給定計(jì)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(wú)法運(yùn)行今天能運(yùn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或豐富UI，因?yàn)槟菚r(shí)的框架和機(jī)器學(xué)習(xí)算法遠(yuǎn)不如現(xiàn)在精細(xì)?，F(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)不僅性能更加強(qiáng)大，而且進(jìn)行了新的應(yīng)用優(yōu)化。因此，同樣的算力今天可以運(yùn)行更強(qiáng)大的應(yīng)用。

例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的量化能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的邊緣AI系統(tǒng)。ST最近與施耐德電氣共同演示了一個(gè)深度量化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在 STM32H7 上運(yùn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用。NVIDIA在運(yùn)行一個(gè)用其TAO 工具包優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，也采用了同款MCU和STM32Cube.AI。同樣，新的電機(jī)控制算法，如ZeST，讓MCU 可以更準(zhǔn)確、更高效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而新的UI 框架優(yōu)化讓MCU 可以運(yùn)行更豐富的圖形用戶(hù)界面，同時(shí)還能降低對(duì)存儲(chǔ)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(kāi)發(fā)框架的加持，STM32U5 的圖顯效果會(huì)更加出色。

圖2 無(wú)線(xiàn)水表、氣表和電表系統(tǒng)

2 支持多種無(wú)線(xiàn)協(xié)議，與世界無(wú)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(xiàn)，要么無(wú)線(xiàn)。如果是后者，通常會(huì)選擇一種無(wú)線(xiàn)協(xié)議，例如蜂窩、Wi-Fi或藍(lán)牙。過(guò)去幾年，嵌入式行業(yè)的無(wú)線(xiàn)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(méi)有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而是各種協(xié)議混戰(zhàn)。

以2.4 GHz 頻譜為例，雖然藍(lán)牙仍然是這個(gè)市場(chǎng)的主角，但Zigbee 和Thread 的熱度不斷上升。出于競(jìng)爭(zhēng)或監(jiān)管原因，許多公司還開(kāi)發(fā)IEEE 802.15.4 定制協(xié)議。為結(jié)束無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)量激增造成的混亂局面，家庭自動(dòng)化統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)Matter 問(wèn)世，該標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行在Wi-Fi、Thread、藍(lán)牙等多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)之上，并支持許多 2.4GHz橋接器，包括 Zigbee 和 Z-Wave，而不是僅僅采用一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)。

因此，工程師面臨著一個(gè)新的挑戰(zhàn)：為保持競(jìng)爭(zhēng)力，必須創(chuàng)建一個(gè)支持多種無(wú)線(xiàn)協(xié)議的系統(tǒng)。如果采用一個(gè)支持多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)的MCU，公司就可以用一個(gè)硬件平臺(tái)滿(mǎn)足多元市場(chǎng)的需求。例如，開(kāi)發(fā)人員可以在一個(gè)區(qū)域使用專(zhuān)有的 IEEE 802.15.4 協(xié)議，在另一個(gè)區(qū)域采用Thread，無(wú)需更換硬件平臺(tái)，只需修改代碼庫(kù)。這樣就可以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并獲得更大的設(shè)計(jì)靈活性?？傊?024 年，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到多協(xié)議支持，并選擇能夠滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)需求的產(chǎn)品。

圖3 安全是智能家居產(chǎn)品的首要考慮因素

3 強(qiáng)大安全性：保護(hù)未來(lái)投資

物聯(lián)網(wǎng)會(huì)帶來(lái)很多安全威脅。人們已經(jīng)深刻認(rèn)識(shí)到，嵌入式系統(tǒng)安全性是至關(guān)重要的。必須保護(hù)服務(wù)器、代碼、終端用戶(hù)數(shù)據(jù)，甚至實(shí)體設(shè)備，防止網(wǎng)絡(luò)攻擊。否則就可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品及其品牌產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而監(jiān)管部門(mén)的干預(yù)也為嵌入式安全帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。歐盟、美國(guó)和許多其他國(guó)家和標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)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(biāo)準(zhǔn)來(lái)應(yīng)對(duì)這一新挑戰(zhàn)。例如，平臺(tái)安全架構(gòu)(PSA)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(SESIP)兩大認(rèn)證組織提供了一整套完備的安全設(shè)計(jì)方法，幫助工程師保護(hù)嵌入式系統(tǒng)的信息安全。這些認(rèn)證有助于工程師開(kāi)發(fā)面向未來(lái)的設(shè)計(jì)，并確保滿(mǎn)足各種嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)安全要求。但這也意味著開(kāi)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(jì)后再去認(rèn)證，而是在首次概念驗(yàn)證時(shí)就要考慮安全性，并采用能夠滿(mǎn)足相應(yīng)認(rèn)證級(jí)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(gè)人數(shù)據(jù)和敏感數(shù)據(jù)。越來(lái)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(hù)、安全無(wú)線(xiàn)更新系統(tǒng)、數(shù)據(jù)泄露檢測(cè)等功能。一般情況下，SESIP三級(jí)認(rèn)證能保證系統(tǒng)滿(mǎn)足這些安全要求。但如果工程師未能選擇能夠獲得此類(lèi)認(rèn)證的MCU，就可能讓整個(gè)項(xiàng)目的安全性大打折扣。為確保產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足特定的安全認(rèn)證要求，硬件和平臺(tái)都是需要考慮的因素，因此，開(kāi)發(fā)人員在選擇 MCU 時(shí)必須采用新的思維方式。

STM32峰會(huì)助你預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)

4 STM32 峰會(huì)：共同展望行業(yè)未來(lái)

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

STM32全球在線(xiàn) 峰會(huì)邀請(qǐng)了部分客戶(hù)分享他們的實(shí)際研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，向觀眾展示他們是如何基于ST 的嵌入式平臺(tái)應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)的。

（本文來(lái)源于《EEPW》2024.5）