在高級(jí)計(jì)算能力、人工智能和互聯(lián)系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求的融合的推動(dòng)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(jì)算平臺(tái)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(jī)遇和挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和工業(yè) 4.0 不再是新興趨勢(shì)，而是技術(shù)創(chuàng)新的基本驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)了實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的可能性。

在這個(gè)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(shí)決策和自主作的互連智能平臺(tái)的根本轉(zhuǎn)變。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步、人工智能的民主化以及對(duì)邊緣計(jì)算解決方案不斷增長(zhǎng)的需求推動(dòng)了這種轉(zhuǎn)變。各行各業(yè)的組織越來越認(rèn)識(shí)到，要保持競(jìng)爭(zhēng)力，需要采用這些先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)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(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)正在塑造嵌入式技術(shù)的發(fā)展。隨著量子計(jì)算的威脅越來越大，抗量子安全實(shí)施正成為當(dāng)務(wù)之急。在可持續(xù)性要求和自主運(yùn)行需求的推動(dòng)下，能量收集和超低功耗計(jì)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(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的決策能力。伴隨著這些發(fā)展，人們?cè)絹碓疥P(guān)注軟件定義的硬件架構(gòu)，從而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部署方面實(shí)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(jìng)爭(zhēng)的強(qiáng)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(shí)保持較低的功耗。

支持的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)大大擴(kuò)展，具有先進(jìn)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(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)崿F(xiàn)自定義擴(kuò)展。汽車公司正在開發(fā)用于圖像處理和發(fā)動(dòng)機(jī)控制的專用擴(kuò)展，以便針對(duì)特定應(yīng)用要求進(jìn)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(jì)自由度，使 RISC-V 成為未來嵌入式項(xiàng)目越來越有吸引力的選擇。 

實(shí)時(shí)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(jí)安全功能。FreeRTOS 整合了 OTA 更新和安全啟動(dòng)功能，這是現(xiàn)代 IoT 系統(tǒng)的基本功能。Zephyr OS 現(xiàn)在提供對(duì)低功耗藍(lán)牙 5.3 和 Thread 網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)支持，從而支持開發(fā)節(jié)能應(yīng)用程序。

一個(gè)值得注意的創(chuàng)新是支持硬件虛擬化，允許多個(gè)作系統(tǒng)在同一硬件上同時(shí)運(yùn)行。這種能力在汽車和工業(yè)系統(tǒng)中尤為重要，因?yàn)樵谶@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(xiàng)重大進(jìn)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(jí)監(jiān)視工具的內(nèi)置集成，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)隊(duì)列管理和監(jiān)視功能。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN）

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

一項(xiàng)重大創(chuàng)新是將 TSN 與 OPC UA 集成，實(shí)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(jìn)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(jìn)，實(shí)現(xiàn)了亞微秒級(jí)的精度。這種精度對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用和精確的運(yùn)動(dòng)控制至關(guān)重要，為工業(yè)自動(dòng)化帶來了新的可能性。

邊緣 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)

借助 Google 的 Edge TPU 和 NVIDIA Jetson 等處理器，智能邊緣計(jì)算已成為現(xiàn)實(shí)，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)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(jī)器學(xué)習(xí)模型。

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

實(shí)際應(yīng)用包括用于工業(yè)質(zhì)量控制的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)、預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)異常檢測(cè)。博世和西門子等公司正在將邊緣 AI 集成到他們的自動(dòng)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(dòng)化的驗(yàn)證和確認(rèn)流程，同時(shí)保持對(duì)嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性。

用于復(fù)雜系統(tǒng)驗(yàn)證的高級(jí)形式驗(yàn)證方法是一項(xiàng)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(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用至關(guān)重要。

在自動(dòng)駕駛汽車中，ISO 21448 （SOTIF） 標(biāo)準(zhǔn)對(duì) 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(yàn)證和邊緣案例測(cè)試，解決了自治系統(tǒng)的獨(dú)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(qiáng)調(diào)安全性和能源效率。

5G-URLLC 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低于 1ms 延遲的通信，這對(duì)于機(jī)器人和自動(dòng)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(jì)。

通過支持后量子加密和零信任機(jī)制，通信安全性得到了顯著增強(qiáng)。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(shí)時(shí)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(shí)保持安全性、可靠性和性能標(biāo)準(zhǔn)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，對(duì)理解和采用這些技術(shù)的投資將被證明是有價(jià)值的，在性能、可靠性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，隨時(shí)了解這些技術(shù)進(jìn)步對(duì)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(diǎn)領(lǐng)域

嵌入式系統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)專注于幾項(xiàng)有望在未來幾年內(nèi)成熟的突破性發(fā)展。一個(gè)重要領(lǐng)域是嵌入式系統(tǒng)中神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的演變，這有望徹底改變我們?cè)谶吘壧幚砣斯ぶ悄艿姆绞健Ｖ饕雽?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(huì)使 AI 應(yīng)用的能效提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

另一個(gè)新興的重點(diǎn)是開發(fā)包含高級(jí)容錯(cuò)和恢復(fù)機(jī)制的自我修復(fù)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)將利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測(cè)潛在故障并自動(dòng)實(shí)施糾正措施，從而顯著提高系統(tǒng)可靠性并降低維護(hù)成本。此外，該行業(yè)對(duì)可生物降解電子產(chǎn)品和可持續(xù)計(jì)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(shí)解決了日益增長(zhǎng)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(diǎn)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(dòng)化領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用。此外，人們?cè)絹碓街匾暈檫吘?云混合架構(gòu)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化框架，旨在優(yōu)化實(shí)時(shí)應(yīng)用程序中本地處理和云功能之間的平衡。