2024年嵌入式系统将走向何方？

2024年，嵌入式系统将走向何方？如何才能走在趋势的前沿？从工厂到家电，从医院里昂贵的医疗设备，到随处可见的可穿戴设备，我们身边的联网设备越来越多，生活更加绿色低碳，嵌入式系统功不可没。ST于3月19日成功举办STM32全球在线峰会，不仅让业界了解到影响行业发展趋势的新技术，还与大家共同展望了2024年这些新技术将把产业带向何方。

计算效率：花小钱办大事    

更高的效率是系统创新的关键驱动力。效率是完成工作与所花费能量的比率。对微控制器来说就是电能效率。提高效率意味着在提供相同或更多的计算吞吐量的同时降低功耗。但随着嵌入式系统应用不断优化，一个新的效率比率诞生了：给定计算吞吐量的应用复杂性。

想象一下，把今天的高性能MCU带回五年前。它根本无法运行今天能运行的神经网络或丰富UI，因为那时的框架和机器学习算法远不如现在精细。现在的嵌入式系统不仅性能更加强大，而且进行了新的应用优化。因此，同样的算力今天可以运行更强大的应用。

▲使用TAO工具箱训练与剪枝量化的对比

例如，神经网络的量化能实现更强大的边缘AI系统。ST最近与施耐德电气共同演示了一个深度量化的神经网络，在STM32H7上运行人数统计应用。NVIDIA在运行一个用其TAO工具包优化的网络时，也采用了同款MCU和STM32Cube.AI。同样，新的电机控制算法，如ZeST，让MCU可以更准确、更高效地驱动电机，而新的UI框架优化让MCU可以运行更丰富的图形用户界面，同时还能降低对存储器的需求。例如，ST新版TouchGFX支持矢量字体，ST近期推出的STM32U5具有IP加速的矢量图形处理功能，有了图形界面开发框架的加持，STM32U5的图显效果会更加出色。

工程师必须确保自己的嵌入式处理解决方案不仅能够降低功耗，而且其所运行的应用也是最近优化改进的。在许多情况下，实时应用不再是while循环中运行的基本代码。开发人员必须充分利用云计算、机器学习、传感器融合或图形界面。因此，找到合适的并配有完备生态系统的MCU至关重要，生态系统可以提供新的解决方案，帮助开发者优化应用。工程师必须考虑设备的运行速度，以及对复杂的、功能丰富的应用的支持能力。

支持多种无线协议，与世界无缝沟通    

目前，嵌入式应用联网主要是选择某一种通信模式，要么有线，要么无线。如果是后者，通常会选择一种无线协议，例如蜂窝、Wi-Fi或蓝牙。过去几年，嵌入式行业的无线通信协议激增，从6LoWPAN到LoRaWAN、Zigbee、Thread、NB-IoT，新协议层出不穷，但却没有实现统一的标准，而是各种协议混战。

以2.4GHz频谱为例，虽然蓝牙仍然是这个市场的主角，但Zigbee和Thread的热度不断上升。出于竞争或监管原因，许多公司还开发IEEE 802.15.4定制协议。为结束无线网络协议数量激增造成的混乱局面，家庭自动化统一标准Matter问世，该标准运行在Wi-Fi、Thread、蓝牙等多种无线技术之上，并支持许多2.4 GHz桥接器，包括Zigbee和Z-Wave，而不是仅仅采用一种无线技术。

因此，工程师面临着一个新的挑战：为保持竞争力，必须创建一个支持多种无线协议的系统。如果采用一个支持多种无线技术的MCU，公司就可以用一个硬件平台满足多元市场的需求。例如，开发人员可以在一个区域使用专有的IEEE 802.15.4协议，在另一个区域采用Thread，无需更换硬件平台，只需修改代码库。这样就可以缩短产品上市时间，并获得更大的设计灵活性。总之，到2024年，嵌入式系统开发人员在设计时必须考虑到多协议支持，并选择能够满足当前和未来需求的产品。

强大安全性：保护未来投资    

物联网会带来很多安全威胁。人们已经深刻认识到，嵌入式系统安全性是至关重要的。必须保护服务器、代码、终端用户数据，甚至实体设备，防止网络攻击。否则就可能会对产品及其品牌产生严重影响。而监管部门的干预也为嵌入式安全带来了新的挑战。欧盟、美国和许多其他国家和标准化机构已经颁布了新的信息安全法规。这些新规尚不明确或不是最终的，有些内容还在制定中。

业界一直在采用更正式的安全标准来应对这一新挑战。例如，平台安全架构 (PSA)和物联网平台安全评估标准(SESIP)两大认证组织提供了一整套完备的安全设计方法，帮助工程师保护嵌入式系统的信息安全。这些认证有助于工程师开发面向未来的设计，并确保满足各种严格的网络安全要求。但这也意味着开发者不能事后添加安全功能，也不能在完成系统设计后再去认证，而是在首次概念验证时就要考虑安全性，并采用能够满足相应认证级别的微控制器。

以智能家居应用为例，智能家居应用需要与云服务共享个人数据和敏感数据。越来越多的政府要求智能家居设备具有加密通信、物理攻击防御、软件入侵防护、安全无线更新系统、数据泄露检测等功能。一般情况下，SESIP三级认证能保证系统满足这些安全要求。但如果工程师未能选择能够获得此类认证的MCU，就可能让整个项目的安全性大打折扣。为确保产品能够满足特定的安全认证要求，硬件和平台都是需要考虑的因素，因此，开发人员在选择MCU时必须采用新的思维方式。

STM32峰会：共同展望行业未来    

在分析那些影响2024年及以后的行业趋势时，不难发现，生态系统的培育者至关重要。计算能效取决于MCU，以及其上运行的应用框架、中间件和算法。支持多种无线协议需要新的开发工具，而保护嵌入式系统则需要基于硬件IP的实用软件解决方案。

STM32全球在线峰会邀请了部分客户分享他们的实际研发经验，向观众展示他们是如何基于ST的嵌入式平台应对未来挑战的。

审核编辑：黄飞