什么是嵌入式系统？业界曾如此定义：基于电子和处理器、被设计用来执行单一任务的计算系统，通常具有实时计算能力和专用功能的控制器，例如，在行动设备执行复杂的图形用户接口 (GUI)，早期更多是直接用＂微处理器系统＂来称呼它；然而，传感器及输入／输出 (I/O) 等模拟组件在嵌入式系统亦不容忽视。值得留意的是，通用器件及现场可编程逻辑门阵列 (FPGA) 厂商多认同：软件可能成为创造差异化的关键！正如本刊上期专题所提及——相较于硬件，算法对改善计算效能的帮助更大，甚至出现软件定义芯片 (SDX) 一词。
市调机构 Insight Partners 列示嵌入式系统包括：微处理器 (MPU)、微控制器 (MCU)、专用芯片 (ASIC)、数字信号处理器 (DSP)、FPGA、内存和软件等，应用涵盖从低端到高端的消费电子产品、医疗设备、工业设备、武器控制系统、娱乐设备、航空航天系统、学术设备等；预估 2018 年全球嵌入式计算市场达 320.9 亿美元，且在 2018～2027 年的预测期内，将以 8.7% 的年复合成长率 (CAGR) 增长，最终达 672.9 亿美元。消费电子产品的增长、以及对更高性能和更多功能的需求，正在推动 MCU 市场。
图1：插卡之嵌入式系统，具有处理器、内存、电源和外部接口
资料来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Embedded_system
资料来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Embedded_system
＂智能边缘设备＂促使嵌入式增长，汽车将成主力
放眼未来，汽车行业将成为嵌入式计算市场的主要动能。现代车辆具备 25～100 个电子控制单元 (ECU)，通常每个 ECU 都集成一个单核／多核处理器、内存、加密或图像处理引擎等专用加速器、电源组件、传感器接口、执行器和网络。无独有偶，美国顾问公司 ARC Advisory Group 亦赞同汽车应用最具潜力——混合动力电动汽车 (HEV) 和纯电动车 (EV) 兴起，带领智能系统控制不断扩张，全自动驾驶尤需运行多个复杂的人工智能 (AI) 软件和系统。随着物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 出现，嵌入式技术已成智能生态迅速拓展的推动者。
放眼未来，汽车行业将成为嵌入式计算市场的主要动能。现代车辆具备 25～100 个电子控制单元 (ECU)，通常每个 ECU 都集成一个单核／多核处理器、内存、加密或图像处理引擎等专用加速器、电源组件、传感器接口、执行器和网络。无独有偶，美国顾问公司 ARC Advisory Group 亦赞同汽车应用最具潜力——混合动力电动汽车 (HEV) 和纯电动车 (EV) 兴起，带领智能系统控制不断扩张，全自动驾驶尤需运行多个复杂的人工智能 (AI) 软件和系统。随着物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 出现，嵌入式技术已成智能生态迅速拓展的推动者。
ARC 指出，嵌入式系统的硬件组件包括芯片、印刷电路板 (PCB)、固件和目标设备等；软件元素包括开发平台、实时操作系统 (RTOS) 和测试等。嵌入式设备通常由系统单芯片 (SoC) 与 FPGA 等＂与硬件集成的软件＂提供动力，以便开发人员针对特定功能进行编程集成电路 (IC) 和其他固件版本，意谓软件和硬件已然密不可分。简单、大批量消费市场的嵌入式系统多由 99% 硬件＋1% 软件所组成，但飞机、汽车或高度可靠的工控应用，则以高度专业化、小批量为主；若测试及应用程序繁复，软件所占嵌入式系统成本的比例甚或可高达 95%！
ARC 认为，嵌入式系统虽是非常成熟的技术，但新一代功能强大的处理器不断发展，使嵌入式系统几与＂智能互联＂画上等号，而＂智能边缘设备＂(Edge AI) 将促使整个嵌入式系统显著增长。在分众市场分面，数十年来，消费电子一直是嵌入式系统的主要市场，但物联网的出现将赋予它们全新意义——新型传感器和软件等嵌入式智能已成为主要元素。医疗保健则是嵌入式系统开发最快的应用之一，例如，手持式／可携式治疗设备及用于监测生命体征的设备；另拜监视心率或识别动脉阻塞的小型嵌入式系统之赐，嵌入式技术亦参与复杂的手术过程。
图2：汽车应用之嵌入式系统组件
资料来源：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来临，将使嵌入式系统扩展预测性和规范性，基于 AI 和机器学习 (ML) 实现完全自主和自我修复。AI 创新能量蓬勃，算法每几个月就有大跃进，如何让电子器件的开发环境与其无缝接轨，成为影响采用意愿的要素之一。于是，各家处理器供货商无不绞尽脑汁在整合开发环境 (IDE)、打包软件套件、创造固件差异、各式开发板，乃至与云台服务供货商 (CSP) 的合作上，目标是为各有专长的工程师形塑＂工具链＂、铺设一条康庄大道，让底层基本核心、固件、中间件 (Middleware) 和最上层的应用软件毫无隔阂。
图3：传统云台计算 vs. 边缘识别模型
资料来源：联发科技；https://www.mediatek.com/blog/how-edge-ai-is-widely-changing-smart-devices
Microchip 新推统一软件开发平台＆ IoT 快速开发板
常被学界视为培训范本的微芯科技 (Microchip) 今年新推 MPLAB Harmony 3.0，为所有 32 位 PIC / SAM MCU 提供统一软件开发平台，主打增强的工具链允许＂模块化软件下载＂并简化驱动程序。若只需使用部分链接库或组件驱动——例如，欲下载基本的芯片驱动程序或可重用的 TCP / IP 软件协议堆栈，不必耗时下载整个软件套件，可节省下载时间和硬盘空间。Microchip 表示，从基础驱动程序配置到 RTOS 设计，32 位 MCU 应用的复杂性和开发模型差异甚大，故首次为 SAM 系列 Arm-based MCU 提供支持，协助工程师简化、调整设计。
常被学界视为培训范本的微芯科技 (Microchip) 今年新推 MPLAB Harmony 3.0，为所有 32 位 PIC / SAM MCU 提供统一软件开发平台，主打增强的工具链允许＂模块化软件下载＂并简化驱动程序。若只需使用部分链接库或组件驱动——例如，欲下载基本的芯片驱动程序或可重用的 TCP / IP 软件协议堆栈，不必耗时下载整个软件套件，可节省下载时间和硬盘空间。Microchip 表示，从基础驱动程序配置到 RTOS 设计，32 位 MCU 应用的复杂性和开发模型差异甚大，故首次为 SAM 系列 Arm-based MCU 提供支持，协助工程师简化、调整设计。
新版本还增加简化设计的功能，例如，通过与 wolfSSL 合作的免版权费安全套件软件及模块化软件下载，方便开发者各取所需。该软件提供简化的驱动程序、优化的周边链接库 (PLIB) 和泛用中间件支持，可进一步缩短开发流程，减少开发者花费在低端驱动程序的时间和精力，转而专注于应用程序的多样性。MPLAB Harmony v3 可从Microchip 官网免费下载，现支持用于 SAM MCU 的 Xplained Pro 和 Ultra 实验板，与 MPLAB X IDE 紧密结合，可适用于 Microchip 整个 MCU 产品线，为客户提供统一的软件开发框架。
Microchip 阐述，从咖啡机到恒温器、再到灌溉系统，MCU 是数百万嵌入式应用的心脏；因应 MCU 应用迁移到云台，开发者必须克服由通信协议、安全性和硬件兼容性所形成的复杂性难题。为此，Microchip 专为 Google Cloud IoT Core 推出全新 PIC-IoT WG 快速开发板，结合低功耗 PIC MCU、CryptoAuthentication 安全组件 IC 和完全认证的 Wi-Fi 网络控制器，避免大型软件框架和 RTOS 所造成的额外时间、成本和安全漏洞。一旦连接云台，Google Cloud IoT Core 即可提供强大的数据和分析功能，帮助设计人员制作更好、更聪明的产品。
机器视觉上位，FPGA 星势力来袭
PIC-IoT WG 开发板由完整的电路板原理图和展示程序代码——MPLAB X IDE 和程序产生器 (MCC) 快速原型开发工具提供支持，可协助用户快速开发差异化物联网终端产品。它还与超过 450 个 MikroElektronika Click 板兼容，可扩展传感器和执行器选项；开发者可存取在线网站，立即将发布的传感器数据可视化。PIC-IoT WG 开发板已加入新近发布的 AVR-IoT WG 开发板行列，开发者可灵活使用属意的 MCU 架构创建云台连接应用，PIC MCU 用户可借助 www.PIC-IoT.com 免费入口网站资源使用开发板。PIC-IoT WG 关键组件包括：
1. 具有整合核心独立周边 (CIP) 的 eXtreme 低功耗 PIC MCU：PIC24FJ128GA705 MCU 适用于电池供电的实时感测和控制，PIC 架构简单、增加储存器并整合先进模拟组件，能以更少的程序代码、更低的功耗处理复杂应用，兼顾效能和功耗；
2. 安全组件以保护硬件中的信任根：ATECC608A CryptoAuthentication 设备为每个可以安全认证的设备提供受信任且受保护的识别，ATECC608A 设备已在 Google Cloud IoT Core 预先注册，可随时使用零接触配置；
3. 与 Google Cloud 的Wi-Fi连接：ATWINC1510 是一款工业级、经全面认证的 IEEE 802.11 b/g/n IoT 网络控制器，可通过灵活的 SPI 接口连接到所选MCU。该模块使设计人员无需具备网络协议专业知识亦可轻松驾驭。
PIC-IoT WG 开发板由完整的电路板原理图和展示程序代码——MPLAB X IDE 和程序产生器 (MCC) 快速原型开发工具提供支持，可协助用户快速开发差异化物联网终端产品。它还与超过 450 个 MikroElektronika Click 板兼容，可扩展传感器和执行器选项；开发者可存取在线网站，立即将发布的传感器数据可视化。PIC-IoT WG 开发板已加入新近发布的 AVR-IoT WG 开发板行列，开发者可灵活使用属意的 MCU 架构创建云台连接应用，PIC MCU 用户可借助 www.PIC-IoT.com 免费入口网站资源使用开发板。PIC-IoT WG 关键组件包括：
1. 具有整合核心独立周边 (CIP) 的 eXtreme 低功耗 PIC MCU：PIC24FJ128GA705 MCU 适用于电池供电的实时感测和控制，PIC 架构简单、增加储存器并整合先进模拟组件，能以更少的程序代码、更低的功耗处理复杂应用，兼顾效能和功耗；
2. 安全组件以保护硬件中的信任根：ATECC608A CryptoAuthentication 设备为每个可以安全认证的设备提供受信任且受保护的识别，ATECC608A 设备已在 Google Cloud IoT Core 预先注册，可随时使用零接触配置；
3. 与 Google Cloud 的Wi-Fi连接：ATWINC1510 是一款工业级、经全面认证的 IEEE 802.11 b/g/n IoT 网络控制器，可通过灵活的 SPI 接口连接到所选MCU。该模块使设计人员无需具备网络协议专业知识亦可轻松驾驭。
图5：AVR-IoT WG 开发板
资料来源：Microchip 提供
连接后，可使用 Microchip 的 MPLAB 程序产生器 (MCC) 的开发工具达到快速设计、调整和客制化。结合 Google Cloud Platform 的网络基础设施和 Google 的物联网服务，任何人都能轻松将强大的分析工具和独特的机器学习功能纳入产品。PIC-IoT WG 开发板 (AC164164) 现已批量生产，每片售价 29 美元。另一方面，由于视觉计算密集型系统在网络边缘的整合度越来越高，FPGA 正迅速成为下世代设计的优选灵活平台。除需要高带宽处理能力之外，这些智能系统还装设在对散热和功率都有严格限制的小尺寸环境中。
为提升开发速度，Microchip 宣布旗下子公司 Microsemi (美高森美) 基于 Microchip 低功耗 PolarFire FPGA 推出智能型嵌入式视觉项目——新增加强型高速成像接口、MIPI-CSI-2 等用于机器学习图像处理的智财 (IP) 套件，并藉此扩大合作伙伴生态系统，例如，提供核心深度学习 (CDL) 框架的 AI 伙伴——ASIC Design Services，为嵌入式和边缘计算提供高效 CNN 成像和视频平台，进而丰富 Microchip 高分辨率智能嵌入式视觉 FPGA 产品组合，以用于工业、医疗、广播电视、汽车、航天和国防等行业的低功耗小型机器视觉设计。
图6：Microchip PolarFire FPGA 应用
资料来源：Microchip 提供
FPGA 暴红原因：设计弹性、可抵御逆向工程、信任保护
事实上，FPGA 在嵌入式计算的发挥空间越来越大，ARC 解析缘由如下：除了设计弹性外，对于嵌入式安全亦贡献卓著。其安全根 (RoS) 可抵御逆向工程，且在某些设备中提供黑键储存或抗侧信道加密功能，可藉以建立增强的受信任启动保护；它还允许用户客制化其他保护措施，以满足特定程序需求，同时让 RoS 与安全的传感器和处理器介接，并在整个导入过程中保持系统安全性。这些增强的受信任启动技术可确保将任何新代码储存到非挥发性内存 (NVM) 之前，对用户进行身份验证，并在启动过程中提供其他受信任的计算检查和缓解措施。
事实上，FPGA 在嵌入式计算的发挥空间越来越大，ARC 解析缘由如下：除了设计弹性外，对于嵌入式安全亦贡献卓著。其安全根 (RoS) 可抵御逆向工程，且在某些设备中提供黑键储存或抗侧信道加密功能，可藉以建立增强的受信任启动保护；它还允许用户客制化其他保护措施，以满足特定程序需求，同时让 RoS 与安全的传感器和处理器介接，并在整个导入过程中保持系统安全性。这些增强的受信任启动技术可确保将任何新代码储存到非挥发性内存 (NVM) 之前，对用户进行身份验证，并在启动过程中提供其他受信任的计算检查和缓解措施。
为扩大应用，近年 FPGA 在本质上也有了变化：一是整合应特定用途的处理器做异构计算，二是软核 (软件为基础的 IP 内核) 崛起，三是完善开发环境，四是与云台结盟。市占过半的领导厂商赛灵思 (Xilinx) 即并驾特定应用标准产品 (ASSP) 或 ASIC，将 Arm-based IP 内核集成在 FPGA 器件上，且着眼于灵活度与扩展性，偏好使用软核；再者，为拉近与开发者的距离，原本特立独行的开发工具也变得平易近人，且所属不少 FPGA 已被亚马逊 AWS、阿里巴巴、百度、腾讯和华为等一线 CSP 纳入公有云＂软件即服务＂(SaaS) 一部分。
无线射频 (RF) 是另一个竞逐焦点。Xilinx 有 Zynq UltraScale+ RFSoC，通用芯片供货商芯科科技 (Silicon Labs)，亦倾力发展低功耗无线通信的 IIoT 应用，例如：智能能源管理、商业和楼宇自动化、资产追踪、商业、天井灯照明、工艺自动化和农业，提供无线 SoC／模块、MCU 和传感器，支持 ZigBee、Thread、Bluetooth Mesh、蓝牙低功耗 (BLE)、Wi-Fi 和专有规格等多种无线协议。与此同时，身为电动汽车数字隔离器第一大厂的芯科，以广泛、高度集成、基于 CMOS 的方案组合满足高级驾驶辅助系统 (ADAS)、自动驾驶和无线电等安全性和地区要求。
图7：Zynq UltraScale +RFSoC 具有 Arm Cortex-A53 处理子系统和 UltraScale + 可编程逻辑，为模拟、数字和嵌入式设计简化信号链的校准和同步
资料来源：Xilinx；https://www.xilinx.com/products/silicon-devices/soc/rfsoc.html
除了 EV / HEV 的电池管理和充电系统的数字隔离器、传感器和 MCU 组合，以及经 AEC-Q100 认证、适用于座椅、门窗等触控性能和价值驱动型 8 位 MCU，其微型无线 MCU 使 OEM 供货商能为汽车市场设计并交付可靠、具成本效益的遥控无钥匙进入 (RKE) 系统。芯科不仅提供开发工具，让开发者便于创建连接 AWS 和 Google 云台的 IoT 产品——其受欢迎的 Thunderboard Sense 2 评估套件是连接＂无线传感器＂终端节点到云台创新的有力帮手。特别一提的是，他们还是 Microsoft Azure 认证的 IoT 计划成员。
