임베디드 장치의 진화:복잡한 설계 문제 해결

임베디드 장치는 사물 인터넷 이전에 설계하기가 비교적 간단했습니다. 기기, 산업용 컨트롤러 또는 환경 센서의 설계자는 입력 신호를 인터페이스하고 마이크로 컨트롤러와 처리하고 출력 제어를 제공하는 데만 필요합니다. 시스템은 독립형이었습니다. 리버스 엔지니어링 외에는 해커가 시스템에 액세스할 동기가 없었습니다.

스마트폰의 도입으로 우리는 이제 우리의 장치가 스마트하고 업그레이드 가능하며 인터넷을 통해 액세스할 수 있기를 기대합니다. 보안은 선택 사항이 아닙니다. 보안을 심각하게 고려하지 않으면 데이터, 브랜드 평판 및 수익 흐름이 모두 영향을 받습니다. 또한 임베디드 시스템은 점점 더 복잡해지고 있으며 모든 분야의 전문가가 될 수는 없습니다! 다행히도 기존 표준과 스택 라이브러리를 사용하여 프로젝트를 적시에 안전하게 완료할 수 있습니다.

이 기사에서는 임베디드 개발자가 오늘날 직면한 주요 설계 과제와 설계자가 이러한 과제를 해결하는 데 도움이 될 몇 가지 새로운 기술에 대해 간략히 설명합니다.

주요 설계 과제 및 시장 기대치

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풍부한 사용자 인터페이스

최초의 스마트폰은 고품질 디스플레이와 터치스크린을 갖춘 풍부한 사용자 인터페이스를 도입했습니다. 고급 임베디드 장치에는 LCD 및 OLED 디스플레이와 터치스크린이 추가되었습니다. 이로 인해 처리 요구 사항과 애플리케이션 프로세서 및 풍부한 운영 체제에 대한 필요성이 높아졌습니다. 애플리케이션 프로세서가 필요하지 않은 경우 기술 발전으로 마이크로컨트롤러의 클록 속도가 수십 메가헤르츠에서 수백 메가헤르츠로, 메모리 크기가 수 메가바이트로 높아졌습니다. 이를 통해 설계자는 Arm Cortex-M에 사용된 것과 같은 친숙한 아키텍처의 이점을 계속 누릴 수 있습니다.

많은 임베디드 시스템은 구성 및 가끔 제어를 위한 사용자 인터페이스만 필요합니다. 소비자 및 산업용 IoT 장치는 가격에 민감하며 웹 인터페이스 또는 스마트폰 앱을 통해 제어할 수 있는 인터넷 연결의 이점이 있습니다. 예를 들어 산업용 센서의 데이터를 원격으로 모니터링하여 성능 및 오류를 관리하고 잠재적인 오류를 사전에 예방할 수 있습니다. 이는 임베디드 엔지니어에게 새로운 과제를 제시합니다. 이제 RF, 프로토콜 스택, 보안, 원격 관리 및 펌웨어 업데이트에 대해 알아야 합니다.

그림 1:스마트 홈 컨트롤(출처:Getty Images, ID 908590688, Elena Pejchinova)

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로컬 및 원격 제어

이더넷, WiFi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee 또는 Thread를 통해 로컬 및 원격 제어를 구현할 수 있습니다. 각각은 전력 소비, 복잡성 및 비용 면에서 이점이 있습니다. . 일반적으로 Bluetooth 저에너지, Z-Wave 및 Zigbee와 같은 저전력 프로토콜은 배터리 애플리케이션에 적합한 솔루션입니다. 여기에는 도어록, 환경 센서 및 무선 경보 시스템이 포함됩니다. 보안 카메라 및 센서 게이트웨이와 같이 더 많은 대역폭이 필요한 장치는 WiFi를 통해 연결됩니다. 또는 원격 위치에 있는 장치는 셀룰러를 사용합니다. 흥미로운 옵션은 WiFi와 Bluetooth 저에너지를 결합하는 것입니다. 그런 다음 Bluetooth는 짧은 대기 시간을 위한 시운전 및 로컬 액세스에 사용되고 WiFi는 인터넷을 통한 원격 액세스에 사용됩니다.

임베디드 디자인 개발자의 과제는 제품에 적합한 솔루션을 선택하는 방법뿐 아니라 라디오, 통신 스택 및 전력 관리를 통합하는 복잡성입니다. 비용 증가 없이.

그림 2:도시 네트워크(출처:Getty Images, ID 811360940, Dong Wenjie)

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낮고 낮은 전력

낮은 전력 소비는 배터리 구동 애플리케이션에서 매우 중요합니다. 예를 들어 스마트 수도 계량기는 최대 20년까지 사용할 수 있는 계량기 수명 동안 단일 배터리로 작동해야 합니다. 반면 도어록은 배터리를 1년에 한 번 교체할 수 있어 세심한 설계가 필요하다. 절전에 사용되는 기술 중 하나는 사용자 상호 작용을 감지하기 위해 매우 짧은 시간 동안 켜지는 초저전력 마이크로컨트롤러를 설계하는 것입니다. 그러면 더 오랜 시간 동안 잠자기 상태가 됩니다.

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더 똑똑해지는 기기

디자이너는 스마트 기능을 추가하여 제품을 차별화할 수 있는 방법을 찾고 있습니다. 스마트 기능은 일반적으로 기기가 사용자, 환경 및 시스템에 대해 더 많이 학습하고 기능을 조정할 수 있음을 의미합니다.

머신 러닝은 학습하고 적응할 수 있는 알고리즘을 사용하여 스마트 기능을 추가하는 한 가지 방법입니다. 오늘날 우리는 지문 잠금 해제(작은 지문 이미지 집합과 일치) 또는 Facebook 자동 태그 지정 기능에서 기계 학습을 볼 수 있습니다. 그러나 비용이 제한된 임베디드 시스템에서는 상당히 새로운 솔루션입니다.

임베디드 머신 러닝의 좋은 예는 스마트 온도 조절 장치입니다. 온도 조절기는 사용자의 라이프스타일에 따라 사용자의 행동을 학습한 다음 시간이 지남에 따라 자동으로 가장 편안한 설정으로 온도를 조정합니다. 산업 시장의 경우 모터용 진동 센서를 예로 들 수 있습니다. 센서는 모터의 정상적인 진동 신호를 학습한 다음 장치에 유지 관리가 필요하거나 고장이 발생하려고 할 때 직원에게 경고할 수 있습니다.

임베디드 설계자의 과제는 기계 학습 알고리즘을 시작하고 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 알고리즘을 조정할 수 있다는 것입니다.

그림 3:스마트 홈 실내 온도 조절 시스템(출처:Getty Images, ID 474200292, MaxiPhoto)

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제품 업데이트 필요

오늘날 제품은 최종 기능 세트와 함께 제공되는 경우가 거의 없습니다. 무선(OTA) 업데이트를 통해 새 펌웨어를 다운로드하여 기능을 추가하거나 버그를 수정하거나 보안 허점을 패치하여 제품의 사용 수명을 크게 연장할 수 있습니다. 또한 제품은 코드 크기와 기능을 증가시킬 수 있도록 메모리와 처리 능력에서 충분한 여유 공간을 갖도록 설계되어야 합니다.

한 가지 문제는 펌웨어 업데이트와 모든 통신이 안전한지 확인하는 것입니다. 펌웨어 취약점이 패치되면 시스템은 펌웨어 롤백을 허용하지 않아야 합니다. 그렇다면 취약점이 노출될 것입니다.

그림 4:OTA 업데이트가 필요할 수 있는 임베디드 애플리케이션의 예(출처:Getty Images의 이미지, ID 145676156, Earl Wilkerson. 아이콘:Arm)

디자이너가 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 되는 새로운 기술

임베디드 디자이너가 직면한 과제와 이를 이끄는 업계 동향에 대해 설명했지만 잠재적 솔루션은 어떻습니까? 위에 정의된 모든 영역에 영향을 미치는 세 가지 기본 설계 기술이 있다고 주장합니다. 신호 처리 구현, 장치 보안, 기계 학습을 통한 인텔리전스 추가입니다.

신호 처리를 단순화하고 비용을 절감하려면 어떻게 해야 합니까?

대부분의 임베디드 시스템에는 아날로그 인터페이스가 있습니다. 이는 아날로그-디지털 변환기를 통해 온도를 읽는 것처럼 간단할 수 있으며 여러 마이크의 사운드 처리(빔 형성) 및 음성 인식과 같은 더 복잡한 시스템에 이르기까지 다양합니다.

아날로그 영역에서 대부분의 응용 프로그램과 필터링을 수행하는 데 사용된 구형 설계는 전용 DSP(디지털 신호 프로세서)를 사용하여 처리가 디지털 영역으로 이동했습니다. DSP가 제조 과정에서 더 정확하고 반복 가능하며 시간이 지남에 따라 조정할 수 있기 때문입니다.

DSC(디지털 신호 컨트롤러) 또는 DSP 확장 기능이 있는 마이크로 컨트롤러의 도입으로 설계자는 이제 두 가지 장점을 모두 누릴 수 있습니다. DSP 및 제어 기능을 수행할 수 있는 단일 컨트롤러는 비용, 보드 공간 및 전력 소비를 줄입니다.

디지털 신호 처리는 복잡할 수 있지만 설계자가 고급 처리를 사용하기 위해 전문가일 필요는 없습니다. 예를 들어 Arm은 임베디드 애플리케이션을 위한 무료 소프트웨어 프레임워크인 CMSIS-DSP 라이브러리를 제공합니다.

보안에 신경을 써야 하는 이유는 무엇인가요?

부적절한 보안과 함께 제공되는 제품은 데이터 손실, 난처한 홍보, 재정적 비용 및 고객 불만으로 이어질 수 있습니다. 보안 공격은 홈 자동화 시스템에 대한 액세스 권한 획득 및 조명 켜기 및 끄기, 산업 스파이 활동 및 IoT 장치를 통한 네트워크 액세스 권한 획득에 이르기까지 모든 부문에 걸쳐 영향을 미칠 수 있으며 다양한 수준의 영향을 미칠 수 있습니다.

외부 위협은 통신, 수명 주기, 소프트웨어 및 물리적 공격의 4가지 공격 유형으로 분류할 수 있습니다. 그러나 보호해야 하는 위협과 장치에 적합한 보안 수준으로 설계하는 방법을 어떻게 알 수 있습니까? 작년에 우리는 연결된 장치를 설계하는 모든 사람을 위한 보안 프레임워크인 PSA(플랫폼 보안 아키텍처)를 출시했습니다. 디자이너와 개발자가 선택해야 하는 보안 수준과 위협 완화를 결정하는 데 필요한 모든 것을 제공하는 3단계 프로세스입니다. PSA 문서 및 오픈 소스 코드(Trusted Firmware-M)를 통해 개발자가 보다 쉽게 ​​시작할 수 있습니다.

그림 5:보안 취약점을 완화하는 데 사용할 수 있는 Arm 기술(출처:Arm)

스마트 기능은 어떻게 추가하나요?

데이터 과학자가 작성한 복잡한 알고리즘을 구현하여 스마트 기능을 추가할 수 있습니다. 음성 명령에 응답하는 시스템은 사운드 샘플을 분석하고 이를 각 명령에 대한 템플릿과 비교하여 구현될 수 있습니다. 이 접근 방식의 문제는 한 사용자에게는 잘 작동할 수 있지만 광범위한 사용자에게는 작동하지 않을 수 있으며 시끄럽거나 변화하는 환경에서는 강력하지 않을 수 있다는 것입니다.

머신 러닝을 사용하는 스마트 기능을 사용하려면 다양한 환경 및 조건에서 많은 화자가 말하는 음성 명령과 같은 데이터 세트를 사용하여 시스템을 훈련해야 합니다. 이 교육은 일반적으로 클라우드 서버를 사용합니다. 모델이 구축되고 최적화되면 임베디드 프로세서에서 모델의 추론 또는 사용을 완료할 수 있습니다.

한 가지 솔루션은 Cortex-M 프로세서 코어에서 성능을 최대화하고 신경망의 메모리 공간을 최소화하기 위해 개발된 무료 신경망 라이브러리인 CMSIS-NN입니다.

새로운 시대 – 새로운 기회와 새로운 도전

임베디드 장치가 그 어느 때보다 복잡하다는 점은 의심의 여지가 없습니다. 제품 요구 사항이 증가하고 비용에 대한 압박이 커지고 특히 연결된 장치에 대한 보안 문제가 계속해서 증가하고 있습니다.

이러한 요소는 모두 개발자에게 심각한 문제를 제기합니다. 하지만 좋은 소식은 업계가 IP, 소프트웨어, 도구 및 교육 리소스를 통해 이를 지원하도록 진화하고 있어 임베디드 개발자가 가능성의 한계를 뛰어넘을 수 있도록 지원한다는 것입니다.

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Phil Burr는 Arm의 Embedded Group 내 기존 제품 포트폴리오의 이사입니다. 그는 Arm의 CPU 포트폴리오를 담당하는 팀을 이끌고 이러한 프로세서가 신규 및 기존 파트너가 혁신할 수 있도록 지원합니다. 또한 Phil은 Arm IP에 대한 저렴하고 쉽게 액세스할 수 있는 Arm DesignStart 프로그램을 관리합니다.