今天嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在，以至于我們幾乎已經(jīng)忘記什么是嵌入式系統(tǒng)，正如硅谷知名嵌入式專家Jack Ganssle說(shuō)過(guò)一句話：在使用微處理器之前，考慮將計(jì)算機(jī)添加到產(chǎn)品中是不切實(shí)際事情。現(xiàn)在電子產(chǎn)品沒(méi)有嵌入式智能的已經(jīng)很少看見(jiàn)。

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能，技術(shù)創(chuàng)新一波接著一波，嵌入式系統(tǒng)作為連接芯片-產(chǎn)品-應(yīng)用之間的紐帶作用不可替代。物聯(lián)網(wǎng)催生了嵌入式向無(wú)線、低功耗和輕量化方向發(fā)展，人工智能和邊緣計(jì)算讓嵌入式向智能計(jì)算領(lǐng)域邁進(jìn)。嵌入式系統(tǒng)一直在創(chuàng)新中求發(fā)展，每次技術(shù)革命都將帶動(dòng)嵌入式系統(tǒng)邁入新的臺(tái)階，今天依托物聯(lián)網(wǎng)和5G 產(chǎn)業(yè)發(fā)展，擁抱人工智能技術(shù)， 嵌入式系統(tǒng)正在走向智聯(lián)網(wǎng)（AIoT） 時(shí)代。

什么是AIoT ？

嵌入式計(jì)算雜志主編Richard Nass說(shuō)：AIoT 是把AI 技術(shù)嵌入到IoT 設(shè)備之中。從市場(chǎng)層面我們看到AIoT是 AI技術(shù)與IoT在實(shí)際應(yīng)用中的落地融合，比如智慧城市，物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)，智能制造和新零售。傳統(tǒng)的嵌入式和IoT 是包含計(jì)算機(jī)的機(jī)器系統(tǒng)，AIoT系統(tǒng)里的人機(jī)交互走向人機(jī)融合，系統(tǒng)都會(huì)包含控制和決策部分，從系統(tǒng)架構(gòu)看AIoT 更多是與邊緣計(jì)算連接與互動(dòng)，人機(jī)融合的AIoT系統(tǒng)，功能安全更加重要，AIoT從傳統(tǒng)封閉系統(tǒng)走向開(kāi)放互聯(lián)網(wǎng)世界，封閉系統(tǒng)的安全應(yīng)對(duì)開(kāi)放的挑戰(zhàn)，信息安全依然重要， 封閉系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和確定性如何在開(kāi)放系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)均是AIoT 面臨的挑戰(zhàn)，總之AIoT 不完全等同 AI+IoT。

AIoT 的技術(shù)挑戰(zhàn)

1?AIoT 一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)高效低耗AI 芯片。背靠云計(jì)算的“算力”，物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的“大數(shù)據(jù)”和AI 的“算法”，三大要素匯集到AI芯片，尤其是SoC AI芯片，將成為AIoT 系統(tǒng)的靈魂。AIoT 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 選擇何種AI 芯片 不僅是芯片本身，看軟件和生態(tài)環(huán)境，目前GPU 在通用AI 有優(yōu)勢(shì)， SoC 在嵌入式端側(cè)AI 有優(yōu)勢(shì)，比如市場(chǎng)流行的嘉楠K210和瑞芯微RK1808是通用性AI SoC芯片。華米科技最近發(fā)布的“黃山2號(hào)” 設(shè)計(jì)了AI本地生物數(shù)據(jù)計(jì)算NPU，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速技術(shù)，提升本地AI數(shù)據(jù)計(jì)算的性能，加快了識(shí)別速度。華米稱，基于心率數(shù)據(jù)“黃山2號(hào)”的房顫識(shí)別速度是“黃山1號(hào)”的7倍，是市面上其它軟件算法的26倍， 這是典型的嵌入式AI專用芯片。

2?AIoT一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)就是軟件，過(guò)去30年，集成電路在摩爾定律推動(dòng)下快速發(fā)展，遺憾的是軟件發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后了！以自動(dòng)駕駛為代表的AIOT應(yīng)用驅(qū)動(dòng)功能安全（Safety）需求旺盛，硬件超速發(fā)展，軟件需適配多核異構(gòu)、AI 和GPU等不同處理器體系架構(gòu)，微內(nèi)核操作系統(tǒng)發(fā)展提速，規(guī)模應(yīng)用需要虛擬化和容器技術(shù)以及新一代的編譯技術(shù)。比如， 大眾汽車一款車型目前有70個(gè)控制單元，來(lái)自200個(gè)不同供應(yīng)商使用不同操作系統(tǒng)軟件，大眾開(kāi)發(fā)的vx.OS軟件平臺(tái)將為大眾旗下所有品牌提供核心功能，推動(dòng)同一軟件平臺(tái)，適應(yīng)電動(dòng)化和自動(dòng)化的需求，首款搭載vw.OS操作系統(tǒng)的車型是純電動(dòng)汽車ID.3，該車計(jì)劃在2020年開(kāi)始正式交付，見(jiàn)下圖1。

3?AIoT另外一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是“安全”，嵌入式系統(tǒng)功能安全 （如汽車電子系統(tǒng)）技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但I(xiàn)oT安全（security）還遠(yuǎn)未獲得廣泛的重視，IoT 安全隱患不少，系統(tǒng)防護(hù)措施不夠。保護(hù)代碼、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)功能是實(shí)施IoT 安全性三大目標(biāo)，安全架構(gòu)上無(wú)外乎硬件和軟件兩個(gè)方面，硬件，比如目前流行基于ARM TrustZone芯片，比如， 基于TrustZone for Armv8-M針對(duì)IoT 芯片。軟件：安全協(xié)議和OTA安全升級(jí)，，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)里面并不是有安全專家，服務(wù)安全和工具需求增加。

RISC-V 處理器的機(jī)遇

RISC-V是一種開(kāi)源指令集架構(gòu)，它不是處理器芯片也不是軟核，甚至不是指令集，指令集架構(gòu)就是規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，目前RISC-V協(xié)會(huì)公開(kāi)了兩份各200多頁(yè)P(yáng)DF 文檔。RISC-V 源自加州大學(xué)伯克利分校的暑期研究項(xiàng)目， Krste Asanovic 教授和他的學(xué)生希望開(kāi)發(fā)出一個(gè)更理想的處理器架構(gòu)。RISC-V的指令集最大的特色是模塊化結(jié)構(gòu)，最基本也是唯一強(qiáng)制要求實(shí)現(xiàn)的指令集是由整數(shù)指令子集I 指令，比如GD32VF103 芯片內(nèi)核 RV32IMAC，意味著除了I 指令，實(shí)現(xiàn)了M-乘法除法指令，A-原子指令和C- 壓縮指令。

RISC-V指令集中一組，它沒(méi)有預(yù)定義的指令，設(shè)計(jì)人員可以為他們想要加速應(yīng)用程序添加所需的任何指令，它不會(huì)破壞軟件兼容性，為行業(yè)應(yīng)用帶來(lái)無(wú)與倫比的新體驗(yàn)。產(chǎn)業(yè)界對(duì)指令擴(kuò)展的擔(dān)心是軟件生態(tài)碎片化，目前擴(kuò)展指令數(shù)量不大，在內(nèi)嵌匯編中使用.insn 模板描述定制化指令或者手寫宏定義，如果指令較多的確會(huì)比較繁瑣，比如，開(kāi)源GCC和IAR embeddd workbench 編譯器可以支持指令擴(kuò)展。

市場(chǎng)上可以看到RISC-V AIoT 芯片有K210 ，從內(nèi)核架構(gòu)看64GC ， 它是基礎(chǔ)I 指令集外的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，MFD-乘除，單雙精度指令。此外K210 做了KPU 通用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，F(xiàn)FT 硬件加速器 ，SHA256 加速器都在RISC-V 架構(gòu)基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)。K210 已經(jīng)成功應(yīng)用在人臉識(shí)別和智能抄表等機(jī)器視覺(jué)和機(jī)器聽(tīng)覺(jué)領(lǐng)域。

IoT 保護(hù)的一種通用的途徑是分層，分為信任執(zhí)行環(huán)境（TEE）和非信任環(huán)境。RISC-V ISA的設(shè)計(jì)將TEE硬件要求定義為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的一部分，可以在任何RISC-V 芯片上實(shí)現(xiàn)，包括配置物理內(nèi)存保護(hù)（PMP），PMP類似 ARM MPU- 內(nèi)存保護(hù)單元。HEX-FIVE 公司在RV32 Core 做了IoT 分區(qū)保護(hù)的應(yīng)用案例。

小結(jié)

在許多針對(duì) AIoT 應(yīng)用 新型RISC-V 芯片紛紛問(wèn)世的同時(shí)，我們看到，ARM借助生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)AIoT技術(shù)發(fā)展迅速，比如，ArmNN是Arm開(kāi)源的基于Arm嵌入式設(shè)備的inference框架，Arm 在與Google 合作 ，使用TensorFlow Lite 在Arm M系列低功耗的微處理器上開(kāi)發(fā)人工智能應(yīng)用?？梢灶A(yù)測(cè)，未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)， ARM和RISC-V將同行發(fā)展， 嵌入式系統(tǒng)將迎來(lái)AIoT發(fā)展的新一輪熱潮，嵌入式端側(cè)AI 產(chǎn)品將給用戶帶來(lái)全新的體驗(yàn)， RISC-V 處理器也將進(jìn)入黃金發(fā)展時(shí)期。

作者： 何小慶是嵌入式系統(tǒng)知名專家，嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)，單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)雜志副主編，長(zhǎng)期從事嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和教育方面工作。何小慶出版有《嵌入式操作系統(tǒng)風(fēng)云錄-歷史演進(jìn)與物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)》等著作，在科技期刊上發(fā)表論文80余篇，并在高校和企業(yè)兼職授課。
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