2025年需要考慮的6大實時嵌入式技術(shù)

在高級計算能力、人工智能和互聯(lián)系統(tǒng)日益增長的需求的融合的推動下，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域正在經(jīng)歷前所未有的變革。隨著我們邁向 2025 年，傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)和復(fù)雜計算平臺之間的區(qū)別繼續(xù)模糊，為開發(fā)人員和系統(tǒng)架構(gòu)師創(chuàng)造了新的機遇和挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和工業(yè) 4.0 不再是新興趨勢，而是技術(shù)創(chuàng)新的基本驅(qū)動力，推動了實時嵌入式系統(tǒng)的可能性。

在這個快速發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)中，我們見證了從孤立的嵌入式系統(tǒng)到能夠?qū)崟r決策和自主作的互連智能平臺的根本轉(zhuǎn)變。半導(dǎo)體技術(shù)的進步、人工智能的民主化以及對邊緣計算解決方案不斷增長的需求推動了這種轉(zhuǎn)變。各行各業(yè)的組織越來越認(rèn)識到，要保持競爭力，需要采用這些先進技術(shù)，同時保持傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)所期望的可靠性和確定性行為。

展望不久的將來，幾個關(guān)鍵趨勢正在塑造嵌入式技術(shù)的發(fā)展。隨著量子計算的威脅越來越大，抗量子安全實施正成為當(dāng)務(wù)之急。在可持續(xù)性要求和自主運行需求的推動下，能量收集和超低功耗計算越來越受到重視。此外，將通用人工智能 （AGI） 原理集成到嵌入式系統(tǒng)中開始出現(xiàn)，有望在邊緣實現(xiàn)更復(fù)雜的決策能力。伴隨著這些發(fā)展，人們越來越關(guān)注軟件定義的硬件架構(gòu)，從而在系統(tǒng)設(shè)計和部署方面實現(xiàn)了前所未有的靈活性。

RISC-V 架構(gòu)

RISC-V 架構(gòu)已成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的游戲規(guī)則改變者，在 Western Digital、SiFive 和阿里巴巴等主要行業(yè)參與者中獲得了巨大的吸引力。最顯著的發(fā)展是出現(xiàn)了與傳統(tǒng) ARM 解決方案直接競爭的強大商用處理器。例如，SiFive 的 Performance P670 系列提供與 Cortex A-75 相當(dāng)?shù)男阅?，同時保持較低的功耗。

支持的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)大大擴展，具有先進的開發(fā)工具，例如 IAR Embedded Workbench for RISC-V 和 Eclipse IDE for RISC-V。Microchip 和 NXP 等行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在大力投資嵌入式系統(tǒng)的 RISC-V 解決方案，從而拓寬了開發(fā)人員可用的選擇。

一個顯著的優(yōu)勢是能夠?qū)崿F(xiàn)自定義擴展。汽車公司正在開發(fā)用于圖像處理和發(fā)動機控制的專用擴展，以便針對特定應(yīng)用要求進行精確優(yōu)化。這種靈活性，加上較低的許可成本和更高的設(shè)計自由度，使 RISC-V 成為未來嵌入式項目越來越有吸引力的選擇。 

實時作系統(tǒng) （RTOS）

RTOS 環(huán)境正在不斷發(fā)展，更加注重云集成和高級安全功能。FreeRTOS 整合了 OTA 更新和安全啟動功能，這是現(xiàn)代 IoT 系統(tǒng)的基本功能。Zephyr OS 現(xiàn)在提供對低功耗藍(lán)牙 5.3 和 Thread 網(wǎng)絡(luò)的改進支持，從而支持開發(fā)節(jié)能應(yīng)用程序。

一個值得注意的創(chuàng)新是支持硬件虛擬化，允許多個作系統(tǒng)在同一硬件上同時運行。這種能力在汽車和工業(yè)系統(tǒng)中尤為重要，因為在這些系統(tǒng)中，安全關(guān)鍵型和非關(guān)鍵型系統(tǒng)必須分開。

DevSecOps 工具在 RTOS 環(huán)境中的集成代表了另一項重大進步。Azure RTOS（以前稱為 ThreadX）等系統(tǒng)現(xiàn)在提供與云服務(wù)和高級監(jiān)視工具的內(nèi)置集成，從而實現(xiàn)實時隊列管理和監(jiān)視功能。

時間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN）

TSN 技術(shù)已成為高級工業(yè)通信的基礎(chǔ)，在汽車和自動化行業(yè)中取得了令人印象深刻的實施。Siemens 、 Rockwell Automation 和 Cisco 等公司提供全面的 TSN 解決方案，包括交換機、控制器和管理軟件。

一項重大創(chuàng)新是將 TSN 與 OPC UA 集成，實現(xiàn)從傳感器層到云的統(tǒng)一通信。BMW 和 Volkswagen 等汽車制造商正在將 TSN 集成到其車輛系統(tǒng)中，以便在 ADAS 和車輛控制系統(tǒng)之間進行通信。

IEEE 802.1AS-2020 標(biāo)準(zhǔn)在同步精度方面帶來了顯著的改進，實現(xiàn)了亞微秒級的精度。這種精度對于機器人應(yīng)用和精確的運動控制至關(guān)重要，為工業(yè)自動化帶來了新的可能性。

邊緣 AI 和機器學(xué)習(xí)

借助 Google 的 Edge TPU 和 NVIDIA Jetson 等處理器，智能邊緣計算已成為現(xiàn)實，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)了令人印象深刻的 AI 處理能力。適用于微控制器的 TensorFlow Lite 現(xiàn)在支持在內(nèi)存小于 100KB 的微控制器上執(zhí)行機器學(xué)習(xí)模型。

一個重要的發(fā)展是創(chuàng)建針對嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化的輕量級模型。量化和修剪等技術(shù)可以在保持高精度的同時顯著減小模型大小。這一進步使資源受限的設(shè)備能夠使用 AI 功能。

實際應(yīng)用包括用于工業(yè)質(zhì)量控制的計算機視覺系統(tǒng)、預(yù)測性維護系統(tǒng)和實時異常檢測。博世和西門子等公司正在將邊緣 AI 集成到他們的自動化產(chǎn)品中，展示了該技術(shù)的工業(yè)可行性。

安全關(guān)鍵系統(tǒng)開發(fā)

隨著采用適應(yīng)性 DevOps 方法，安全關(guān)鍵型系統(tǒng)開發(fā)正在經(jīng)歷轉(zhuǎn)型。LDRA 和 Vector 的 PREEvision 等工具提供完全自動化的驗證和確認(rèn)流程，同時保持對嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性。

用于復(fù)雜系統(tǒng)驗證的高級形式驗證方法是一項重大創(chuàng)新。ANSYS SCADE 和 AdaCore SPARK 等工具支持軟件正確性的數(shù)學(xué)證明，這對于關(guān)鍵應(yīng)用至關(guān)重要。

在自動駕駛汽車中，ISO 21448 （SOTIF） 標(biāo)準(zhǔn)對 AI 系統(tǒng)安全提出了新的要求。新的開發(fā)工具專注于 AI 系統(tǒng)驗證和邊緣案例測試，解決了自治系統(tǒng)的獨特挑戰(zhàn)。 

面向 IoT 的無線技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)的無線通信環(huán)境繼續(xù)快速發(fā)展。最新版本的 Matter 協(xié)議支持 Thread 和 WiFi 6，強調(diào)安全性和能源效率。

5G-URLLC 技術(shù)可實現(xiàn)低于 1ms 延遲的通信，這對于機器人和自動駕駛汽車應(yīng)用至關(guān)重要。Qualcomm 和 MediaTek 等制造商現(xiàn)在提供支持 5G RedCap 的集成調(diào)制解調(diào)器，專為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計。

通過支持后量子加密和零信任機制，通信安全性得到了顯著增強。Azure Sphere 等解決方案將硬件和軟件安全性與安全的云連接相結(jié)合，為 IoT 安全設(shè)定了新標(biāo)準(zhǔn)。

展望未來

隨著我們邁向 2025 年及以后，嵌入式實時系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)快速發(fā)展。集成這些技術(shù)需要仔細(xì)考慮特定的應(yīng)用程序要求、預(yù)算限制和最終用戶需求。成功在于能夠以最佳方式組合這些技術(shù)，同時保持安全性、可靠性和性能標(biāo)準(zhǔn)。

從長遠(yuǎn)來看，對理解和采用這些技術(shù)的投資將被證明是有價值的，在性能、可靠性和市場競爭優(yōu)勢方面具有顯著優(yōu)勢。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，隨時了解這些技術(shù)進步對于在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的成功變得越來越重要。

新興重點領(lǐng)域

嵌入式系統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)專注于幾項有望在未來幾年內(nèi)成熟的突破性發(fā)展。一個重要領(lǐng)域是嵌入式系統(tǒng)中神經(jīng)形態(tài)計算的演變，這有望徹底改變我們在邊緣處理人工智能的方式。主要半導(dǎo)體制造商投入巨資開發(fā)更接近人腦功能的神經(jīng)形態(tài)處理器，這可能會使 AI 應(yīng)用的能效提高幾個數(shù)量級。

另一個新興的重點是開發(fā)包含高級容錯和恢復(fù)機制的自我修復(fù)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)將利用機器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測潛在故障并自動實施糾正措施，從而顯著提高系統(tǒng)可靠性并降低維護成本。此外，該行業(yè)對可生物降解電子產(chǎn)品和可持續(xù)計算解決方案的興趣日益濃厚，在滿足現(xiàn)代嵌入式應(yīng)用需求的同時解決了日益增長的環(huán)境問題。

6G 研究與嵌入式系統(tǒng)的融合也越來越受到關(guān)注，早期工作重點是將 sub-THz 通信功能集成到嵌入式設(shè)備中。這一發(fā)展有望在全息通信和高精度工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用。此外，人們越來越重視為邊緣-云混合架構(gòu)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化框架，旨在優(yōu)化實時應(yīng)用程序中本地處理和云功能之間的平衡。