赵明

（电子科技大学成都学院，四川 成都 611731）

1 引言

随着信息技术的飞速发展，嵌入式系统已经深入生活的方方面面。从手持终端到智能家电、从深空探测到轨道交通，嵌入式设备的实例随处可见。如今，嵌入式技术已是物联网、云计算、大数据、工业4.0、和智能化发展的重要基础。同时，在万物互联和智能化的浪潮中，它已经渗透到集成电路、通信、人工智能等技术领域。在新产品和新系统的设计中采用嵌入式技术，既可以推动创新和产品升级换代，也有利于从工业化到智能化的转变[1]。以下，笔者将从硬件、软件、系统、应用、安全五个方面对嵌入式技术的最新发展进行梳理。

2 硬件

嵌入式系统极其广泛的应用，决定了其技术架构的多样性。目前，就嵌入式处理芯片而言，有最低端的4 位处理器（如玩具中使用的处理器），也有高端定制的128位处理器；有常见于桌面计算机系统的x86系列处理器，也有ARM、PowerPC、MIPS等其他系列处理器。此外，专业市场的嵌入式系统还经常采用图形处理器（GPU）、网络处理器（NPU）、现场可编程逻辑阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）等作为承载核心功能的器件[2]。

就总线和接口而言，嵌入式领域存在多个标准组织。这些组织面向不同的行业制定了不同的标准，有的标准针对高端市场，有的针对中低端应用。表1列出了目前嵌入式领域主要的总线/接口标准。

除了表1中列出的具有跨行业影响力的主流标准以外，嵌入式领域还有专门针对某一行业的标准。例如，AUTOSAR就是一个制定汽车电子标准的组织，它定义了针对汽车电子的“汽车开发系统架构”[3]，对新一代车载嵌入式系统有很大影响。

嵌入式系统复杂多样的技术架构与标准，都是在发展过程中为了满足行业需求、推动技术进步、增强兼容性和一致性而逐步形成的。正是因为无法以少数几种技术架构或标准体系来满足所有应用领域的需求，最终才形成了技术架构与标准的多样化，再加上嵌入式产品经常需要满足用户不尽相同的定制化需求，这就造成了嵌入式领域是一个专业化程度很高、分工很细的市场。在这一背景下，创新驱动力较强的中小型科技企业，往往能够成为嵌入式领域细分市场的领导者。

3 软件

嵌入式系统中的基础软件平台是嵌入式操作系统。经过长期的市场选择，目前嵌入式操作系统领域的格局已经有了很大的变化，主流的产品均有其主要的应用领域。Vx-Works主要应用于航空航天、轨道交通、医疗等对安全性要求很高的行业；Android和iOS主要应用于手持智能终端；嵌入式Linux的应用则更为广泛[4]。

可裁剪性、可扩展性、可移植性、高稳定性，已是业界对嵌入式操作系统的共识。受市场需求的推动，嵌入式操作系统的定制能力、互联能力、数据处理能力、交互能力和安全能力将显著提高。同时可以预见，开源的操作系统将大行其道，嵌入式Linux和Android的成功就是例证[5]。

表1 目前主要的嵌入式接口/总线标准

4 系统

从系统层面分析，PC 化是当前嵌入式系统发展最为显著的特征[6]。

软硬件技术的飞速发展为嵌入式系统带来了革命性的变革，通用性和开放性已不再是PC系统的专利。时至今日，一个典型的嵌入式系统已经包含完整的操作系统、设备驱动、网络、文件、图形处理和各种应用，非常接近人们熟悉的PC环境，可以适应多种应用需求。

尤其是在移动互联设备、数字多媒体中心等有高性能计算要求的场合，传统嵌入式系统的交叉开发方式显得掣肘颇多，而PC化的思路回避了嵌入式软件的移植问题，从而带来了明显的优势。

此外，从人机交互技术的发展来看，嵌入式系统PC化的趋势也较为明显。人机交互功能较弱，曾经是人们对嵌入式系统的刻板印象之一。然而，如今的嵌入式系统已经能够提供生动、丰富的多媒体人机界面[7]，从而提升用户体验。

5 应用

物联网、大数据、云计算和人工智能是当今信息技术领域最热门的应用，这几项技术彼此关联，并且都离不开嵌入式设备的支持。

首先，遍布各个场景的嵌入式传感器是大数据的重要来源。这些传感器不仅承担着收集数据的角色，还具备一定的数据处理功能，能够实现智能化的信息采集与交换，为上层的大数据应用提供原始数据。

其次，面向网络应用的嵌入式设备是实现万物互联的基础。海量的网络终端以及将这些终端接入互联网的末端交换机/路由器都是嵌入式设备。这些设备都具有标准的网络通信接口，支持各种网络协议，能够轻松地接入网络。正是有了这些嵌入式网络设备和具备网络接口的嵌入式终端设备，无处不在的物联网和云计算才得以实现。同时，由于嵌入式系统固有的简洁性、创新的设计能够让嵌入式设备以更加简单、可靠的方式连接到云端。

此外，尽管基于云计算的人工智能主要依托云端的服务器实现智能化处理，但随着云应用复杂性的增加以及对智能决策速度的要求（如机器人、工业控制、自动驾驶等场景），众多的嵌入式终端设备正在被赋予自主决策的能力，这就是所谓的“边缘智能”[8]。Intel的NCS2 神经计算棒就是这样一款具备“边缘智能”的嵌入式AI 开发平台。该平台简单易用，支持常用的应用程序框架，配合解决方案开发部署工具包Open VINO™，可以在不依赖云端的前提下使用具有USB 端口的任何平台进行原型设计和操作，从而实现了AI 应用的快速原型设计[9]。

6 安全性

嵌入式技术在安全性方面的发展，主要表现为设计理念和设计方法的进步。随着嵌入式设备与互联网越来越紧密地结合，如今的嵌入式系统安全问题，早已超越了加密算法和安全协议的范畴[10]。它不再是产品的一种终极状态，而是一个动态的、与具体系统相关的过程，在系统的设计之初就应当加以考虑。目前，典型的嵌入式系统安全性保障过程可归纳为四个环节：（1）识别系统面临的威胁并对其建模；（2）对威胁进行评估，明确其发生概率及危害程度；（3）针对威胁制定相应的安全策略；（4）设计并实施针对安全性目标的防范措施[11]。

7 结语

嵌入式系统是一个较为宽泛的概念，随着软硬件技术及大数据、云计算等新兴应用的飞速发展，其内涵与外延正在不断被突破。嵌入式硬件的多样性正愈演愈烈；开源软件将大行其道；嵌入式系统的PC化、嵌入式应用的智能化已是必然趋势；在万物互联的时代，相关的安全技术也已受到高度关注。可以预见，嵌入式技术将更加深入生活的方方面面，带给用户更多的惊喜。