嵌入式技術現狀及趨勢發展研究

趙明

（電子科技大學成都學院，四川 成都 611731）

1 引言

隨著信息技術的飛速發展，嵌入式系統已經深入生活的方方面面。從手持終端到智能家電、從深空探測到軌道交通，嵌入式設備的實例隨處可見。如今，嵌入式技術已是物聯網、云計算、大數據、工業4.0、和智能化發展的重要基礎。同時，在萬物互聯和智能化的浪潮中，它已經滲透到集成電路、通信、人工智能等技術領域。在新產品和新系統的設計中采用嵌入式技術，既可以推動創新和產品升級換代，也有利于從工業化到智能化的轉變[1]。以下，筆者將從硬件、軟件、系統、應用、安全五個方面對嵌入式技術的最新發展進行梳理。

2 硬件

嵌入式系統極其廣泛的應用，決定了其技術架構的多樣性。目前，就嵌入式處理芯片而言，有最低端的4 位處理器（如玩具中使用的處理器），也有高端定制的128位處理器；有常見于桌面計算機系統的x86系列處理器，也有ARM、PowerPC、MIPS等其他系列處理器。此外，專業市場的嵌入式系統還經常采用圖形處理器（GPU）、網絡處理器（NPU）、現場可編程邏輯陣列（FPGA）和數字信號處理器（DSP）等作為承載核心功能的器件[2]。

就總線和接口而言，嵌入式領域存在多個標準組織。這些組織面向不同的行業制定了不同的標準，有的標準針對高端市場，有的針對中低端應用。表1列出了目前嵌入式領域主要的總線/接口標準。

除了表1中列出的具有跨行業影響力的主流標準以外，嵌入式領域還有專門針對某一行業的標準。例如，AUTOSAR就是一個制定汽車電子標準的組織，它定義了針對汽車電子的“汽車開發系統架構”[3]，對新一代車載嵌入式系統有很大影響。

嵌入式系統復雜多樣的技術架構與標準，都是在發展過程中為了滿足行業需求、推動技術進步、增強兼容性和一致性而逐步形成的。正是因為無法以少數幾種技術架構或標準體系來滿足所有應用領域的需求，最終才形成了技術架構與標準的多樣化，再加上嵌入式產品經常需要滿足用戶不盡相同的定制化需求，這就造成了嵌入式領域是一個專業化程度很高、分工很細的市場。在這一背景下，創新驅動力較強的中小型科技企業，往往能夠成為嵌入式領域細分市場的領導者。

3 軟件

嵌入式系統中的基礎軟件平臺是嵌入式操作系統。經過長期的市場選擇，目前嵌入式操作系統領域的格局已經有了很大的變化，主流的產品均有其主要的應用領域。Vx-Works主要應用于航空航天、軌道交通、醫療等對安全性要求很高的行業；Android和iOS主要應用于手持智能終端；嵌入式Linux的應用則更為廣泛[4]。

可裁剪性、可擴展性、可移植性、高穩定性，已是業界對嵌入式操作系統的共識。受市場需求的推動，嵌入式操作系統的定制能力、互聯能力、數據處理能力、交互能力和安全能力將顯著提高。同時可以預見，開源的操作系統將大行其道，嵌入式Linux和Android的成功就是例證[5]。

表1 目前主要的嵌入式接口/總線標準

4 系統

從系統層面分析，PC 化是當前嵌入式系統發展最為顯著的特征[6]。

軟硬件技術的飛速發展為嵌入式系統帶來了革命性的變革，通用性和開放性已不再是PC系統的專利。時至今日，一個典型的嵌入式系統已經包含完整的操作系統、設備驅動、網絡、文件、圖形處理和各種應用，非常接近人們熟悉的PC環境，可以適應多種應用需求。

尤其是在移動互聯設備、數字多媒體中心等有高性能計算要求的場合，傳統嵌入式系統的交叉開發方式顯得掣肘頗多，而PC化的思路回避了嵌入式軟件的移植問題，從而帶來了明顯的優勢。

此外，從人機交互技術的發展來看，嵌入式系統PC化的趨勢也較為明顯。人機交互功能較弱，曾經是人們對嵌入式系統的刻板印象之一。然而，如今的嵌入式系統已經能夠提供生動、豐富的多媒體人機界面[7]，從而提升用戶體驗。

5 應用

物聯網、大數據、云計算和人工智能是當今信息技術領域最熱門的應用，這幾項技術彼此關聯，并且都離不開嵌入式設備的支持。

首先，遍布各個場景的嵌入式傳感器是大數據的重要來源。這些傳感器不僅承擔著收集數據的角色，還具備一定的數據處理功能，能夠實現智能化的信息采集與交換，為上層的大數據應用提供原始數據。

其次，面向網絡應用的嵌入式設備是實現萬物互聯的基礎。海量的網絡終端以及將這些終端接入互聯網的末端交換機/路由器都是嵌入式設備。這些設備都具有標準的網絡通信接口，支持各種網絡協議，能夠輕松地接入網絡。正是有了這些嵌入式網絡設備和具備網絡接口的嵌入式終端設備，無處不在的物聯網和云計算才得以實現。同時，由于嵌入式系統固有的簡潔性、創新的設計能夠讓嵌入式設備以更加簡單、可靠的方式連接到云端。

此外，盡管基于云計算的人工智能主要依托云端的服務器實現智能化處理，但隨著云應用復雜性的增加以及對智能決策速度的要求（如機器人、工業控制、自動駕駛等場景），眾多的嵌入式終端設備正在被賦予自主決策的能力，這就是所謂的“邊緣智能”[8]。Intel的NCS2 神經計算棒就是這樣一款具備“邊緣智能”的嵌入式AI 開發平臺。該平臺簡單易用，支持常用的應用程序框架，配合解決方案開發部署工具包Open VINO?，可以在不依賴云端的前提下使用具有USB 端口的任何平臺進行原型設計和操作，從而實現了AI 應用的快速原型設計[9]。

6 安全性

嵌入式技術在安全性方面的發展，主要表現為設計理念和設計方法的進步。隨著嵌入式設備與互聯網越來越緊密地結合，如今的嵌入式系統安全問題，早已超越了加密算法和安全協議的范疇[10]。它不再是產品的一種終極狀態，而是一個動態的、與具體系統相關的過程，在系統的設計之初就應當加以考慮。目前，典型的嵌入式系統安全性保障過程可歸納為四個環節：（1）識別系統面臨的威脅并對其建模；（2）對威脅進行評估，明確其發生概率及危害程度；（3）針對威脅制定相應的安全策略；（4）設計并實施針對安全性目標的防范措施[11]。

7 結語

嵌入式系統是一個較為寬泛的概念，隨著軟硬件技術及大數據、云計算等新興應用的飛速發展，其內涵與外延正在不斷被突破。嵌入式硬件的多樣性正愈演愈烈；開源軟件將大行其道；嵌入式系統的PC化、嵌入式應用的智能化已是必然趨勢；在萬物互聯的時代，相關的安全技術也已受到高度關注。可以預見，嵌入式技術將更加深入生活的方方面面，帶給用戶更多的驚喜。