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智能邊緣引領(lǐng)＂嵌入式系統(tǒng)＂騰飛

本文作者：任苙萍點(diǎn)擊： 2019-11-18 15:19

前言：

什么是嵌入式系統(tǒng)？業(yè)界曾如此定義：基于電子和處理器、被設(shè)計(jì)用來執(zhí)行單一任務(wù)的計(jì)算系統(tǒng)，通常具有實(shí)時(shí)計(jì)算能力和專用功能的控制器，例如，在行動(dòng)設(shè)備執(zhí)行復(fù)雜的圖形用戶接口 (GUI)，早期更多是直接用＂微處理器系統(tǒng)＂來稱呼它；然而，傳感器及輸入／輸出 (I/O) 等模擬組件在嵌入式系統(tǒng)亦不容忽視。值得留意的是，通用器件及現(xiàn)場可編程邏輯門陣列 (FPGA) 廠商多認(rèn)同：軟件可能成為創(chuàng)造差異化的關(guān)鍵！正如本刊上期專題所提及——相較于硬件，算法對改善計(jì)算效能的幫助更大，甚至出現(xiàn)軟件定義芯片 (SDX) 一詞。

市調(diào)機(jī)構(gòu) Insight Partners 列示嵌入式系統(tǒng)包括：微處理器 (MPU)、微控制器 (MCU)、專用芯片 (ASIC)、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、FPGA、內(nèi)存和軟件等，應(yīng)用涵蓋從低端到高端的消費(fèi)電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、武器控制系統(tǒng)、娛樂設(shè)備、航空航天系統(tǒng)、學(xué)術(shù)設(shè)備等；預(yù)估 2018 年全球嵌入式計(jì)算市場達(dá) 320.9 億美元，且在 2018～2027 年的預(yù)測期內(nèi)，將以 8.7% 的年復(fù)合成長率 (CAGR) 增長，最終達(dá) 672.9 億美元。消費(fèi)電子產(chǎn)品的增長、以及對更高性能和更多功能的需求，正在推動(dòng) MCU 市場。

圖1：插卡之嵌入式系統(tǒng)，具有處理器、內(nèi)存、電源和外部接口
資料來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Embedded_system

＂智能邊緣設(shè)備＂促使嵌入式增長，汽車將成主力
放眼未來，汽車行業(yè)將成為嵌入式計(jì)算市場的主要?jiǎng)幽堋，F(xiàn)代車輛具備 25～100 個(gè)電子控制單元 (ECU)，通常每個(gè) ECU 都集成一個(gè)單核／多核處理器、內(nèi)存、加密或圖像處理引擎等專用加速器、電源組件、傳感器接口、執(zhí)行器和網(wǎng)絡(luò)。無獨(dú)有偶，美國顧問公司 ARC Advisory Group 亦贊同汽車應(yīng)用最具潛力——混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 和純電動(dòng)車 (EV) 興起，帶領(lǐng)智能系統(tǒng)控制不斷擴(kuò)張，全自動(dòng)駕駛尤需運(yùn)行多個(gè)復(fù)雜的人工智能 (AI) 軟件和系統(tǒng)。隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 出現(xiàn)，嵌入式技術(shù)已成智能生態(tài)迅速拓展的推動(dòng)者。

ARC 指出，嵌入式系統(tǒng)的硬件組件包括芯片、印刷電路板 (PCB)、固件和目標(biāo)設(shè)備等；軟件元素包括開發(fā)平臺(tái)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 和測試等。嵌入式設(shè)備通常由系統(tǒng)單芯片 (SoC) 與 FPGA 等＂與硬件集成的軟件＂提供動(dòng)力，以便開發(fā)人員針對特定功能進(jìn)行編程集成電路 (IC) 和其他固件版本，意謂軟件和硬件已然密不可分。簡單、大批量消費(fèi)市場的嵌入式系統(tǒng)多由 99% 硬件＋1% 軟件所組成，但飛機(jī)、汽車或高度可靠的工控應(yīng)用，則以高度專業(yè)化、小批量為主；若測試及應(yīng)用程序繁復(fù)，軟件所占嵌入式系統(tǒng)成本的比例甚或可高達(dá) 95%！

ARC 認(rèn)為，嵌入式系統(tǒng)雖是非常成熟的技術(shù)，但新一代功能強(qiáng)大的處理器不斷發(fā)展，使嵌入式系統(tǒng)幾與＂智能互聯(lián)＂畫上等號(hào)，而＂智能邊緣設(shè)備＂(Edge AI) 將促使整個(gè)嵌入式系統(tǒng)顯著增長。在分眾市場分面，數(shù)十年來，消費(fèi)電子一直是嵌入式系統(tǒng)的主要市場，但物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)將賦予它們?nèi)乱饬x——新型傳感器和軟件等嵌入式智能已成為主要元素。醫(yī)療保健則是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)最快的應(yīng)用之一，例如，手持式／可攜式治療設(shè)備及用于監(jiān)測生命體征的設(shè)備；另拜監(jiān)視心率或識(shí)別動(dòng)脈阻塞的小型嵌入式系統(tǒng)之賜，嵌入式技術(shù)亦參與復(fù)雜的手術(shù)過程。

圖2：汽車應(yīng)用之嵌入式系統(tǒng)組件
資料來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:AUIN1617G11_Embedded-systems-in-automobile-5-728.jpg

此外，智能建筑和智慧城市的來臨，將使嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展預(yù)測性和規(guī)范性，基于 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 實(shí)現(xiàn)完全自主和自我修復(fù)。AI 創(chuàng)新能量蓬勃，算法每幾個(gè)月就有大躍進(jìn)，如何讓電子器件的開發(fā)環(huán)境與其無縫接軌，成為影響采用意愿的要素之一。于是，各家處理器供貨商無不絞盡腦汁在整合開發(fā)環(huán)境 (IDE)、打包軟件套件、創(chuàng)造固件差異、各式開發(fā)板，乃至與云臺(tái)服務(wù)供貨商 (CSP) 的合作上，目標(biāo)是為各有專長的工程師形塑＂工具鏈＂、鋪設(shè)一條康莊大道，讓底層基本核心、固件、中間件 (Middleware) 和最上層的應(yīng)用軟件毫無隔閡。

圖3：傳統(tǒng)云臺(tái)計(jì)算 vs. 邊緣識(shí)別模型
資料來源：聯(lián)發(fā)科技；https://www.mediatek.com/blog/how-edge-ai-is-widely-changing-smart-devices

Microchip 新推統(tǒng)一軟件開發(fā)平臺(tái)＆ IoT 快速開發(fā)板
常被學(xué)界視為培訓(xùn)范本的微芯科技 (Microchip) 今年新推 MPLAB Harmony 3.0，為所有 32 位 PIC / SAM MCU 提供統(tǒng)一軟件開發(fā)平臺(tái)，主打增強(qiáng)的工具鏈允許＂模塊化軟件下載＂并簡化驅(qū)動(dòng)程序。若只需使用部分鏈接庫或組件驅(qū)動(dòng)——例如，欲下載基本的芯片驅(qū)動(dòng)程序或可重用的 TCP / IP 軟件協(xié)議堆棧，不必耗時(shí)下載整個(gè)軟件套件，可節(jié)省下載時(shí)間和硬盤空間。Microchip 表示，從基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)程序配置到 RTOS 設(shè)計(jì)，32 位 MCU 應(yīng)用的復(fù)雜性和開發(fā)模型差異甚大，故首次為 SAM 系列 Arm-based MCU 提供支持，協(xié)助工程師簡化、調(diào)整設(shè)計(jì)。

新版本還增加簡化設(shè)計(jì)的功能，例如，通過與 wolfSSL 合作的免版權(quán)費(fèi)安全套件軟件及模塊化軟件下載，方便開發(fā)者各取所需。該軟件提供簡化的驅(qū)動(dòng)程序、優(yōu)化的周邊鏈接庫 (PLIB) 和泛用中間件支持，可進(jìn)一步縮短開發(fā)流程，減少開發(fā)者花費(fèi)在低端驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)間和精力，轉(zhuǎn)而專注于應(yīng)用程序的多樣性。MPLAB Harmony v3 可從Microchip 官網(wǎng)免費(fèi)下載，現(xiàn)支持用于 SAM MCU 的 Xplained Pro 和 Ultra 實(shí)驗(yàn)板，與 MPLAB X IDE 緊密結(jié)合，可適用于 Microchip 整個(gè) MCU 產(chǎn)品線，為客戶提供統(tǒng)一的軟件開發(fā)框架。

Microchip 闡述，從咖啡機(jī)到恒溫器、再到灌溉系統(tǒng)，MCU 是數(shù)百萬嵌入式應(yīng)用的心臟；因應(yīng) MCU 應(yīng)用遷移到云臺(tái)，開發(fā)者必須克服由通信協(xié)議、安全性和硬件兼容性所形成的復(fù)雜性難題。為此，Microchip 專為 Google Cloud IoT Core 推出全新 PIC-IoT WG 快速開發(fā)板，結(jié)合低功耗 PIC MCU、CryptoAuthentication 安全組件 IC 和完全認(rèn)證的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)控制器，避免大型軟件框架和 RTOS 所造成的額外時(shí)間、成本和安全漏洞。一旦連接云臺(tái)，Google Cloud IoT Core 即可提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)和分析功能，幫助設(shè)計(jì)人員制作更好、更聰明的產(chǎn)品。

圖4：MPLAB Harmony v3 嵌入式軟件開發(fā)框架組件
資料來源：Microchip；https://www.microchip.com/mplab/mplab-harmony

機(jī)器視覺上位，F(xiàn)PGA 星勢力來襲
PIC-IoT WG 開發(fā)板由完整的電路板原理圖和展示程序代碼——MPLAB X IDE 和程序產(chǎn)生器 (MCC) 快速原型開發(fā)工具提供支持，可協(xié)助用戶快速開發(fā)差異化物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品。它還與超過 450 個(gè) MikroElektronika Click 板兼容，可擴(kuò)展傳感器和執(zhí)行器選項(xiàng)；開發(fā)者可存取在線網(wǎng)站，立即將發(fā)布的傳感器數(shù)據(jù)可視化。PIC-IoT WG 開發(fā)板已加入新近發(fā)布的 AVR-IoT WG 開發(fā)板行列，開發(fā)者可靈活使用屬意的 MCU 架構(gòu)創(chuàng)建云臺(tái)連接應(yīng)用，PIC MCU 用戶可借助 www.PIC-IoT.com 免費(fèi)入口網(wǎng)站資源使用開發(fā)板。PIC-IoT WG 關(guān)鍵組件包括：
1. 具有整合核心獨(dú)立周邊 (CIP) 的 eXtreme 低功耗 PIC MCU：PIC24FJ128GA705 MCU 適用于電池供電的實(shí)時(shí)感測和控制，PIC 架構(gòu)簡單、增加儲(chǔ)存器并整合先進(jìn)模擬組件，能以更少的程序代碼、更低的功耗處理復(fù)雜應(yīng)用，兼顧效能和功耗；
2. 安全組件以保護(hù)硬件中的信任根：ATECC608A CryptoAuthentication 設(shè)備為每個(gè)可以安全認(rèn)證的設(shè)備提供受信任且受保護(hù)的識(shí)別，ATECC608A 設(shè)備已在 Google Cloud IoT Core 預(yù)先注冊，可隨時(shí)使用零接觸配置；
3. 與 Google Cloud 的Wi-Fi連接：ATWINC1510 是一款工業(yè)級(jí)、經(jīng)全面認(rèn)證的 IEEE 802.11 b/g/n IoT 網(wǎng)絡(luò)控制器，可通過靈活的 SPI 接口連接到所選MCU。該模塊使設(shè)計(jì)人員無需具備網(wǎng)絡(luò)協(xié)議專業(yè)知識(shí)亦可輕松駕馭。

圖5：AVR-IoT WG 開發(fā)板
資料來源：Microchip 提供

連接后，可使用 Microchip 的 MPLAB 程序產(chǎn)生器 (MCC) 的開發(fā)工具達(dá)到快速設(shè)計(jì)、調(diào)整和客制化。結(jié)合 Google Cloud Platform 的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和 Google 的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，任何人都能輕松將強(qiáng)大的分析工具和獨(dú)特的機(jī)器學(xué)習(xí)功能納入產(chǎn)品。PIC-IoT WG 開發(fā)板 (AC164164) 現(xiàn)已批量生產(chǎn)，每片售價(jià) 29 美元。另一方面，由于視覺計(jì)算密集型系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)邊緣的整合度越來越高，F(xiàn)PGA 正迅速成為下世代設(shè)計(jì)的優(yōu)選靈活平臺(tái)。除需要高帶寬處理能力之外，這些智能系統(tǒng)還裝設(shè)在對散熱和功率都有嚴(yán)格限制的小尺寸環(huán)境中。

為提升開發(fā)速度，Microchip 宣布旗下子公司 Microsemi (美高森美) 基于 Microchip 低功耗 PolarFire FPGA 推出智能型嵌入式視覺項(xiàng)目——新增加強(qiáng)型高速成像接口、MIPI-CSI-2 等用于機(jī)器學(xué)習(xí)圖像處理的智財(cái) (IP) 套件，并藉此擴(kuò)大合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，例如，提供核心深度學(xué)習(xí) (CDL) 框架的 AI 伙伴——ASIC Design Services，為嵌入式和邊緣計(jì)算提供高效 CNN 成像和視頻平臺(tái)，進(jìn)而豐富 Microchip 高分辨率智能嵌入式視覺 FPGA 產(chǎn)品組合，以用于工業(yè)、醫(yī)療、廣播電視、汽車、航天和國防等行業(yè)的低功耗小型機(jī)器視覺設(shè)計(jì)。

圖6：Microchip PolarFire FPGA 應(yīng)用
資料來源：Microchip 提供

FPGA 暴紅原因：設(shè)計(jì)彈性、可抵御逆向工程、信任保護(hù)
事實(shí)上，F(xiàn)PGA 在嵌入式計(jì)算的發(fā)揮空間越來越大，ARC 解析緣由如下：除了設(shè)計(jì)彈性外，對于嵌入式安全亦貢獻(xiàn)卓著。其安全根 (RoS) 可抵御逆向工程，且在某些設(shè)備中提供黑鍵儲(chǔ)存或抗側(cè)信道加密功能，可藉以建立增強(qiáng)的受信任啟動(dòng)保護(hù)；它還允許用戶客制化其他保護(hù)措施，以滿足特定程序需求，同時(shí)讓 RoS 與安全的傳感器和處理器介接，并在整個(gè)導(dǎo)入過程中保持系統(tǒng)安全性。這些增強(qiáng)的受信任啟動(dòng)技術(shù)可確保將任何新代碼儲(chǔ)存到非揮發(fā)性內(nèi)存 (NVM) 之前，對用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證，并在啟動(dòng)過程中提供其他受信任的計(jì)算檢查和緩解措施。

為擴(kuò)大應(yīng)用，近年 FPGA 在本質(zhì)上也有了變化：一是整合應(yīng)特定用途的處理器做異構(gòu)計(jì)算，二是軟核 (軟件為基礎(chǔ)的 IP 內(nèi)核) 崛起，三是完善開發(fā)環(huán)境，四是與云臺(tái)結(jié)盟。市占過半的領(lǐng)導(dǎo)廠商賽靈思 (Xilinx) 即并駕特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP) 或 ASIC，將 Arm-based IP 內(nèi)核集成在 FPGA 器件上，且著眼于靈活度與擴(kuò)展性，偏好使用軟核；再者，為拉近與開發(fā)者的距離，原本特立獨(dú)行的開發(fā)工具也變得平易近人，且所屬不少 FPGA 已被亞馬遜 AWS、阿里巴巴、百度、騰訊和華為等一線 CSP 納入公有云＂軟件即服務(wù)＂(SaaS) 一部分。

無線射頻 (RF) 是另一個(gè)競逐焦點(diǎn)。Xilinx 有 Zynq UltraScale+ RFSoC，通用芯片供貨商芯科科技 (Silicon Labs)，亦傾力發(fā)展低功耗無線通信的 IIoT 應(yīng)用，例如：智能能源管理、商業(yè)和樓宇自動(dòng)化、資產(chǎn)追蹤、商業(yè)、天井燈照明、工藝自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)，提供無線 SoC／模塊、MCU 和傳感器，支持 ZigBee、Thread、Bluetooth Mesh、藍(lán)牙低功耗 (BLE)、Wi-Fi 和專有規(guī)格等多種無線協(xié)議。與此同時(shí)，身為電動(dòng)汽車數(shù)字隔離器第一大廠的芯科，以廣泛、高度集成、基于 CMOS 的方案組合滿足高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、自動(dòng)駕駛和無線電等安全性和地區(qū)要求。

圖7：Zynq UltraScale +RFSoC 具有 Arm Cortex-A53 處理子系統(tǒng)和 UltraScale + 可編程邏輯，為模擬、數(shù)字和嵌入式設(shè)計(jì)簡化信號(hào)鏈的校準(zhǔn)和同步
資料來源：Xilinx；https://www.xilinx.com/products/silicon-devices/soc/rfsoc.html

除了 EV / HEV 的電池管理和充電系統(tǒng)的數(shù)字隔離器、傳感器和 MCU 組合，以及經(jīng) AEC-Q100 認(rèn)證、適用于座椅、門窗等觸控性能和價(jià)值驅(qū)動(dòng)型 8 位 MCU，其微型無線 MCU 使 OEM 供貨商能為汽車市場設(shè)計(jì)并交付可靠、具成本效益的遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入 (RKE) 系統(tǒng)。芯科不僅提供開發(fā)工具，讓開發(fā)者便于創(chuàng)建連接 AWS 和 Google 云臺(tái)的 IoT 產(chǎn)品——其受歡迎的 Thunderboard Sense 2 評估套件是連接＂無線傳感器＂終端節(jié)點(diǎn)到云臺(tái)創(chuàng)新的有力幫手。特別一提的是，他們還是 Microsoft Azure 認(rèn)證的 IoT 計(jì)劃成員。

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