L'évolution des appareils embarqués :relever des défis de conception complexes

Les appareils embarqués étaient relativement simples à concevoir avant l'Internet des objets. Le concepteur d'un appareil, d'un contrôleur industriel ou d'un capteur environnemental n'avait besoin que d'interfacer les signaux d'entrée, de traiter avec un microcontrôleur et de fournir un contrôle de sortie. Les systèmes étaient autonomes ; et à part l'ingénierie inverse, il n'y avait aucune incitation pour un pirate informatique à accéder à un système.

Avec l'introduction du smartphone, nous attendons désormais de nos appareils qu'ils soient intelligents, évolutifs et accessibles sur Internet. La sécurité n'est pas facultative - si la sécurité n'est pas prise au sérieux, les données, la réputation de la marque et les flux de revenus seront tous affectés. De plus, les systèmes embarqués deviennent de plus en plus complexes et vous ne pouvez pas être un expert en tout ! Heureusement, vous pouvez utiliser les normes existantes et les bibliothèques de piles pour terminer un projet en temps voulu et en toute sécurité.

Cet article décrit les principaux défis de conception auxquels un développeur intégré est confronté aujourd'hui, et certaines des nouvelles technologies qui aideront les concepteurs à relever ces défis.

Principaux défis de conception et attentes du marché

1. Interfaces utilisateur riches

Les premiers smartphones ont introduit une interface utilisateur riche avec un affichage et un écran tactile de haute qualité. Les appareils embarqués haut de gamme ont ajouté des écrans LCD et OLED et des écrans tactiles. Cela a augmenté les exigences de traitement et le besoin d'un processeur d'application et d'un système d'exploitation riche. Pour ceux qui n'ont pas besoin d'un processeur d'application, les avancées technologiques ont poussé les vitesses d'horloge des microcontrôleurs de dizaines de mégahertz à plusieurs centaines de mégahertz, et les tailles de mémoire à plusieurs mégaoctets. Cela a permis aux concepteurs de continuer à bénéficier d'architectures familières, telles que celle utilisée pour Arm Cortex-M.

De nombreux systèmes embarqués n'ont besoin d'une interface utilisateur que pour la configuration et le contrôle occasionnel. Les appareils IoT grand public et industriels sont sensibles au prix et bénéficient de la connexion Internet pour permettre un contrôle via une interface Web ou une application pour smartphone. Par exemple, les données des capteurs industriels peuvent être surveillées à distance pour gérer les performances et les erreurs, ainsi que pour anticiper les pannes potentielles. Cela présente de nouveaux défis pour l'ingénieur embarqué. Ils doivent désormais connaître les RF, les piles de protocoles, la sécurité, la gestion à distance et les mises à jour du firmware.

Figure 1 : Commandes de la maison intelligente (Source :Getty Images, ID 908590688, Elena Pejchinova)

2. Contrôle local et à distance

Vous pouvez mettre en œuvre un contrôle local et à distance via Ethernet, WiFi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee ou Thread - chacun présente des avantages en termes de consommation d'énergie, de complexité et de coût . En général, les protocoles basse consommation tels que Bluetooth low energy, Z-Wave et Zigbee sont de bonnes solutions pour les applications de batterie. Il s'agit notamment des serrures de porte, des capteurs environnementaux et des systèmes d'alarme sans fil. Les appareils qui ont besoin de plus de bande passante, tels que les caméras de sécurité et les passerelles de capteurs, seront connectés via WiFi. Ou, les appareils situés dans des endroits éloignés utiliseront le cellulaire. Une option intéressante est de combiner le WiFi et le Bluetooth low energy. Le Bluetooth est ensuite utilisé pour la mise en service et l'accès local pour une faible latence, et le WiFi est utilisé pour l'accès à distance via Internet.

Le défi pour le développeur de conception embarquée n'est pas seulement de savoir comment choisir la bonne solution pour son produit, mais aussi la complexité de l'intégration de la radio, des piles de communication et de la gestion de l'alimentation, tous sans augmenter les coûts.

Figure 2 :Réseau d'une ville (Source :Getty Images, ID 811360940, Dong Wenjie)

3. Puissance faible et inférieure

Une faible consommation d'énergie est essentielle dans les applications alimentées par batterie. Par exemple, les compteurs d'eau intelligents doivent fonctionner sur une seule batterie pendant toute la durée de vie du compteur, qui peut aller jusqu'à 20 ans. D'autre part, dans une serrure de porte, la batterie peut être remplacée une fois par an et cela nécessite une conception soignée. L'une des techniques utilisées pour économiser l'énergie consiste à concevoir un microcontrôleur à très faible consommation qui s'allume pendant de très courtes périodes pour détecter l'interaction de l'utilisateur. Il dormira alors plus longtemps.

4. Les appareils deviennent plus intelligents

Les concepteurs recherchent des moyens de différencier leurs produits en ajoutant des fonctionnalités intelligentes. Les fonctionnalités intelligentes impliquent généralement qu'un appareil en apprend davantage sur l'utilisateur, l'environnement et le système, et qu'il peut ajuster la fonctionnalité.

L'apprentissage automatique est un moyen d'ajouter des fonctionnalités intelligentes à l'aide d'un algorithme capable d'apprendre et de s'adapter. Nous voyons l'apprentissage automatique tout autour de nous aujourd'hui :à partir de votre déverrouillage par empreinte digitale (correspondant à un petit ensemble d'images d'empreintes digitales) ou de la fonctionnalité de marquage automatique de Facebook. Cependant, il s'agit d'une solution relativement nouvelle dans les systèmes embarqués à coûts limités.

Les thermostats intelligents sont un excellent exemple d'apprentissage automatique pour l'embarqué. Le thermostat apprendra le comportement de l'utilisateur en fonction de son mode de vie, puis au fil du temps, ajustera automatiquement la température au réglage le plus confortable. Pour le marché industriel, un exemple pourrait être un capteur de vibrations pour moteurs. Le capteur peut apprendre la signature de vibration normale du moteur, puis avertir le personnel lorsque l'unité nécessite une maintenance ou est sur le point de tomber en panne.

Le défi pour les concepteurs embarqués est de se lancer dans les algorithmes d'apprentissage automatique et de pouvoir adapter les algorithmes aux besoins de l'application.

Figure 3 : Système de climatisation domestique intelligent (Source :Getty Images, ID 474200292, MaxiPhoto)

5. Les produits doivent être mis à jour

Les produits d'aujourd'hui sont rarement livrés avec l'ensemble de fonctionnalités final. Grâce aux mises à jour OTA (over-the-air), un nouveau micrologiciel peut être téléchargé pour ajouter des fonctionnalités, corriger des bogues ou corriger des failles de sécurité, prolongeant ainsi considérablement la durée de vie utile du produit. Les produits doivent également être conçus avec suffisamment de marge en mémoire et en puissance de traitement pour permettre une augmentation de la taille et des fonctionnalités du code.

Un défi consiste à s'assurer que les mises à jour du micrologiciel et toutes les communications sont sécurisées. Lorsqu'une vulnérabilité du micrologiciel est corrigée, le système ne doit pas autoriser une restauration du micrologiciel. Si c'est le cas, la vulnérabilité sera exposée.

Figure 4 :Exemples d'applications intégrées pouvant nécessiter des mises à jour OTA (Source :Image de Getty Images, ID 145676156, Earl Wilkerson. Icônes :Arm)

De nouvelles technologies pour aider les concepteurs à relever ces défis

J'ai décrit les défis auxquels sont confrontés les concepteurs embarqués et les tendances de l'industrie qui les motivent, mais qu'en est-il des solutions potentielles ? Je dirais qu'il existe trois techniques de conception fondamentales qui ont un impact sur tous les domaines définis ci-dessus :la mise en œuvre du traitement du signal, la sécurisation de votre appareil et l'ajout d'intelligence grâce à l'apprentissage automatique.

Comment puis-je simplifier le traitement du signal et réduire les coûts ?

La plupart des systèmes embarqués ont des interfaces analogiques. Ceux-ci peuvent être aussi simples que la lecture de la température via un convertisseur analogique-numérique, à des systèmes plus complexes tels que le traitement du son provenant de plusieurs microphones (formation de faisceaux) et la reconnaissance vocale.

Les conceptions plus anciennes réalisaient la plupart des applications et du filtrage dans le domaine analogique, mais avec des processeurs de signaux numériques (DSP) dédiés, le traitement est passé au domaine numérique. En effet, les DSP sont plus précis, reproductibles en fabrication et peuvent être ajustés au fil du temps.

Avec l'introduction des contrôleurs de signaux numériques (DSC) ou des microcontrôleurs avec extensions DSP, les concepteurs peuvent désormais avoir le meilleur des deux mondes. Un seul contrôleur qui peut exécuter les fonctions DSP et de contrôle offre une réduction des coûts, de l'espace sur la carte et de la consommation d'énergie.

Le traitement numérique du signal peut être complexe, mais les concepteurs n'ont pas besoin d'être des experts pour utiliser un traitement avancé. Par exemple, Arm fournit un framework logiciel gratuit pour les applications embarquées, les bibliothèques CMSIS-DSP.

Pourquoi devrais-je me soucier de la sécurité ?

Un produit livré avec une sécurité inadéquate peut entraîner la perte de données, une publicité embarrassante, des coûts financiers et la frustration des clients. Les attaques de sécurité peuvent couvrir tous les secteurs et avoir des niveaux d'impact variables, allant de l'accès à un système domotique à l'allumage et à l'extinction des lumières, à l'espionnage industriel et à l'accès à un réseau via des appareils IoT.

Les menaces externes peuvent être classées en quatre types d'attaques :communication, cycle de vie, logiciel et physique. Mais comment savoir contre quelles menaces vous devez vous prémunir et comment concevoir avec le bon niveau de sécurité pour votre appareil ? L'année dernière, nous avons lancé un cadre de sécurité pour toute personne concevant des appareils connectés, Platform Security Architecture (PSA). Il s'agit d'un processus en trois étapes qui donne aux concepteurs et aux développeurs tout ce dont ils ont besoin pour déterminer le niveau de sécurité et l'atténuation des menaces qu'ils doivent choisir. La documentation PSA et le code open source (Trusted Firmware-M) facilitent le démarrage des développeurs.

Figure 5 : technologie Arm disponible pour atténuer les vulnérabilités de sécurité (Source :Arm)

Comment ajouter des fonctionnalités intelligentes ?

Des fonctionnalités intelligentes peuvent être ajoutées en mettant en œuvre des algorithmes complexes écrits par des scientifiques des données. Un système qui répond aux commandes vocales peut être mis en œuvre en analysant des échantillons sonores et en les comparant à un modèle pour chaque commande. Le problème avec cette approche est qu'elle peut bien fonctionner pour un utilisateur, mais pas pour un large éventail d'utilisateurs, et ne serait pas robuste dans un environnement bruyant ou changeant.

Les fonctionnalités intelligentes utilisant l'apprentissage automatique nécessitent que le système soit formé à l'aide d'un ensemble de données telles que des commandes vocales prononcées par de nombreux haut-parleurs dans différents environnements et conditions. Cette formation utilise généralement des serveurs cloud. Une fois le modèle construit et optimisé, l'inférence ou l'utilisation du modèle peut être effectuée sur un processeur intégré.

Une solution est CMSIS-NN, une bibliothèque de réseaux neuronaux gratuite développée pour maximiser les performances et minimiser l'empreinte mémoire des réseaux neuronaux sur les cœurs de processeur Cortex-M.

Nouvelle ère – à la fois de nouvelles opportunités et de nouveaux défis

Il ne fait aucun doute que les appareils embarqués sont plus complexes que jamais :les exigences en matière de produits augmentent, il y a une pression croissante sur les coûts et les problèmes de sécurité continuent d'augmenter, en particulier pour les appareils connectés.

Ces facteurs posent tous des défis importants aux développeurs. Mais la bonne nouvelle, c'est que l'industrie évolue pour prendre en charge cela avec la propriété intellectuelle, des logiciels, des outils et des ressources de formation pour aider les développeurs embarqués à repousser les limites du possible.

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Phil Burr est directeur du portefeuille de produits établi au sein d'Embedded Group at Arm. Il dirige une équipe responsable du portefeuille de processeurs d'Arm, en veillant à ce que ces processeurs permettent aux partenaires nouveaux et existants d'innover. Phil gère également le programme Arm DesignStart, une route économique et facile d'accès vers Arm IP.