Evolusi perangkat tertanam:Mengatasi tantangan desain yang kompleks

Perangkat yang disematkan dulu relatif mudah untuk dirancang sebelum Internet of Things. Perancang alat, pengontrol industri, atau sensor lingkungan hanya perlu menghubungkan sinyal input, memprosesnya dengan mikrokontroler, dan menyediakan kontrol output. Sistem berdiri sendiri; dan selain rekayasa balik, tidak ada insentif bagi peretas untuk mengakses sistem.

Dengan diperkenalkannya smartphone, kami sekarang mengharapkan perangkat kami menjadi cerdas, dapat diupgrade, dan dapat diakses melalui Internet. Keamanan bukanlah pilihan – jika keamanan tidak ditanggapi dengan serius, data, reputasi merek, dan aliran pendapatan akan terpengaruh. Selain itu, sistem tertanam menjadi lebih kompleks dan Anda tidak bisa menjadi ahli dalam segala hal! Untungnya, Anda dapat menggunakan standar yang ada dan pustaka tumpukan untuk menyelesaikan proyek secara tepat waktu dan aman.

Artikel ini menguraikan tantangan desain utama yang dihadapi pengembang tertanam saat ini, dan beberapa teknologi baru yang akan membantu desainer mengatasi tantangan ini.

Tantangan desain utama dan ekspektasi pasar

1. Antarmuka pengguna yang kaya

Smartphone pertama memperkenalkan antarmuka pengguna yang kaya dengan tampilan dan layar sentuh berkualitas tinggi. Perangkat tertanam kelas atas telah menambahkan layar LCD dan OLED dan layar sentuh. Ini telah meningkatkan persyaratan pemrosesan dan kebutuhan akan prosesor aplikasi dan sistem operasi yang kaya. Bagi mereka yang tidak memerlukan prosesor aplikasi, kemajuan teknologi telah mendorong kecepatan clock mikrokontroler dari puluhan megahertz menjadi beberapa ratus megahertz, dan ukuran memori hingga beberapa megabita. Hal ini memungkinkan desainer untuk terus memanfaatkan arsitektur yang sudah dikenal, seperti yang digunakan untuk Arm Cortex-M.

Banyak sistem tertanam hanya memerlukan antarmuka pengguna untuk konfigurasi dan kontrol sesekali. Perangkat IoT konsumen dan industri peka terhadap harga dan memanfaatkan koneksi internet untuk memungkinkan kontrol melalui antarmuka web atau aplikasi ponsel cerdas. Sebagai contoh, data dari sensor industri dapat dipantau dari jarak jauh untuk mengelola kinerja dan kesalahan, serta mencegah potensi kegagalan. Ini menghadirkan tantangan baru bagi insinyur tertanam. Mereka sekarang harus tahu tentang RF, tumpukan protokol, keamanan, manajemen jarak jauh, dan pembaruan firmware.

Gambar 1:Kontrol rumah pintar (Sumber:Getty Images, ID 908590688, Elena Pejchinova)

2. Kontrol lokal dan jarak jauh

Anda dapat menerapkan kontrol lokal dan jarak jauh melalui Ethernet, WiFi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee, atau Thread – masing-masing memiliki manfaat dalam hal konsumsi daya, kerumitan, dan biaya . Secara umum, protokol berdaya rendah seperti Bluetooth hemat energi, Z-Wave dan Zigbee adalah solusi yang baik untuk aplikasi baterai. Ini termasuk kunci pintu, sensor lingkungan dan sistem alarm nirkabel. Perangkat yang membutuhkan lebih banyak bandwidth, seperti kamera keamanan dan gerbang sensor, akan terhubung melalui WiFi. Atau, perangkat di lokasi terpencil akan menggunakan seluler. Pilihan yang menarik adalah menggabungkan WiFi dan Bluetooth hemat energi. Bluetooth kemudian digunakan untuk commissioning dan akses lokal untuk latensi rendah, dan WiFi digunakan untuk akses jarak jauh melalui Internet.

Tantangan bagi pengembang desain tertanam bukan hanya bagaimana memilih solusi yang tepat untuk produk mereka, tetapi juga kerumitan dalam mengintegrasikan radio, tumpukan komunikasi, dan mengelola daya, semuanya tanpa menambah biaya.

Gambar 2:Jaringan kota (Sumber:Getty Images, ID 811360940, Dong Wenjie)

3. Daya rendah dan rendah

Konsumsi daya yang rendah sangat penting dalam aplikasi bertenaga baterai. Misalnya, meteran air pintar perlu berfungsi dengan satu baterai untuk masa pakai meteran, yang bisa sampai 20 tahun. Di sisi lain, di kunci pintu baterai dapat diganti setahun sekali dan ini membutuhkan desain yang cermat. Salah satu teknik yang digunakan untuk menghemat daya adalah dengan merancang mikrokontroler berdaya sangat rendah agar dapat menyala dalam waktu yang sangat singkat untuk merasakan interaksi pengguna. Kemudian akan tidur lebih lama.

4. Perangkat menjadi lebih pintar

Desainer mencari cara untuk membedakan produk mereka dengan menambahkan fitur pintar. Fitur cerdas biasanya menyiratkan bahwa perangkat belajar lebih banyak tentang pengguna, lingkungan, dan sistem, serta dapat menyesuaikan fungsinya.

Pembelajaran mesin adalah salah satu cara untuk menambahkan fitur pintar menggunakan algoritme yang dapat dipelajari dan beradaptasi. Kami melihat pembelajaran mesin di sekitar kita hari ini:dari buka kunci sidik jari Anda (cocok dengan sekumpulan kecil gambar sidik jari) atau fungsi penandaan otomatis Facebook. Namun, ini adalah solusi yang cukup baru dalam sistem tertanam dengan biaya terbatas.

Contoh yang bagus dari pembelajaran mesin untuk tersemat adalah termostat pintar. Termostat akan mempelajari perilaku pengguna berdasarkan gaya hidup mereka, dan kemudian seiring waktu, akan secara otomatis menyesuaikan suhu ke pengaturan yang paling nyaman. Untuk pasar industri, contohnya adalah sensor getaran untuk motor. Sensor dapat mempelajari tanda getaran normal motor dan kemudian memperingatkan personel saat unit memerlukan perawatan atau hampir rusak.

Tantangan bagi desainer tersemat adalah memulai algoritme pembelajaran mesin dan mampu mengadaptasi algoritme untuk kebutuhan aplikasi.

Gambar 3:Sistem kontrol iklim rumah pintar (Sumber:Getty Images, ID 474200292, MaxiPhoto)

5. Produk perlu diperbarui

Produk saat ini jarang dikirimkan dengan set fitur terakhir. Melalui pembaruan over-the-air (OTA), firmware baru dapat diunduh untuk menambahkan fitur, memperbaiki bug, atau menambal lubang keamanan, secara signifikan memperpanjang masa pakai produk. Produk juga harus dirancang dengan ruang kepala yang cukup dalam memori dan kekuatan pemrosesan untuk memungkinkan peningkatan ukuran dan fungsionalitas kode.

Salah satu tantangannya adalah memastikan pembaruan firmware dan semua komunikasi aman. Saat kerentanan firmware ditambal, sistem seharusnya tidak mengizinkan pengembalian firmware. Jika ya, kerentanan akan terungkap.

Gambar 4:Contoh aplikasi tersemat yang mungkin memerlukan pembaruan OTA (Sumber:Gambar dari Getty Images, ID 145676156, Earl Wilkerson. Ikon:Lengan)

Teknologi baru untuk membantu desainer mengatasi tantangan ini

Saya telah menguraikan tantangan yang dihadapi desainer tertanam dan tren industri yang mendorong mereka, tetapi bagaimana dengan solusi potensial? Menurut saya, ada tiga teknik desain mendasar yang memengaruhi semua area yang ditentukan di atas:menerapkan pemrosesan sinyal, mengamankan perangkat Anda, dan menambahkan kecerdasan melalui pembelajaran mesin.

Bagaimana cara menyederhanakan pemrosesan sinyal dan menghemat biaya?

Sebagian besar sistem tertanam memiliki antarmuka analog. Ini bisa sesederhana membaca suhu melalui konverter analog-ke-digital, hingga sistem yang lebih kompleks seperti memproses suara dari beberapa mikrofon (pembentukan sinar) dan pengenalan suara.

Desain lama digunakan untuk melakukan sebagian besar aplikasi dan penyaringan dalam domain analog, tetapi dengan prosesor sinyal digital khusus (DSP), pemrosesan telah dipindahkan ke domain digital. Ini karena DSP lebih akurat, dapat diulang dalam manufaktur, dan dapat disesuaikan dari waktu ke waktu.

Dengan diperkenalkannya pengontrol sinyal digital (DSC), atau mikrokontroler dengan ekstensi DSP, desainer sekarang dapat memiliki yang terbaik dari kedua dunia. Kontroler tunggal yang dapat melakukan DSP dan fungsi kontrol menawarkan pengurangan biaya, ruang papan, dan konsumsi daya.

Pemrosesan Sinyal Digital bisa rumit, tetapi desainer tidak harus menjadi ahli untuk menggunakan pemrosesan tingkat lanjut. Misalnya, Arm menyediakan kerangka kerja perangkat lunak gratis untuk aplikasi yang disematkan, pustaka CMSIS-DSP.

Mengapa saya harus peduli dengan keamanan?

Produk yang dikirimkan dengan keamanan yang tidak memadai dapat menyebabkan hilangnya data, publisitas yang memalukan, biaya keuangan, dan frustrasi pelanggan. Serangan keamanan dapat menjangkau semua sektor dan memiliki berbagai tingkat dampak, mulai dari mendapatkan akses ke sistem otomatisasi rumah dan menyalakan dan mematikan lampu, hingga spionase industri dan mendapatkan akses ke jaringan melalui perangkat IoT.

Ancaman eksternal dapat dikategorikan ke dalam empat jenis serangan:komunikasi, siklus hidup, perangkat lunak, dan fisik. Tetapi bagaimana Anda tahu ancaman mana yang perlu Anda waspadai dan bagaimana merancang dengan tingkat keamanan yang tepat untuk perangkat Anda? Tahun lalu kami meluncurkan kerangka kerja keamanan untuk siapa pun yang merancang perangkat yang terhubung, Platform Security Architecture (PSA). Ini adalah proses tiga tahap yang memberi desainer dan pengembang semua yang mereka butuhkan untuk menentukan tingkat keamanan dan mitigasi ancaman yang harus mereka pilih. Dokumentasi PSA dan kode sumber terbuka (Trusted Firmware-M) memudahkan pengembang untuk memulai.

Gambar 5:Teknologi Arm tersedia untuk mengurangi kerentanan keamanan (Sumber:Arm)

Bagaimana cara menambahkan fitur pintar?

Fitur pintar dapat ditambahkan dengan menerapkan algoritme kompleks yang ditulis oleh ilmuwan data. Sebuah sistem yang merespon perintah suara dapat diimplementasikan dengan menganalisis sampel suara dan membandingkannya dengan template untuk setiap perintah. Masalah dengan pendekatan ini adalah bahwa pendekatan ini dapat bekerja dengan baik untuk satu pengguna, tetapi tidak untuk berbagai pengguna, dan tidak akan kuat dalam lingkungan yang bising atau berubah.

Fitur cerdas yang menggunakan pembelajaran mesin memerlukan sistem untuk dilatih menggunakan kumpulan data seperti perintah suara yang diucapkan oleh banyak pembicara di lingkungan dan kondisi yang berbeda. Pelatihan ini biasanya menggunakan server cloud. Setelah model dibuat dan dioptimalkan, inferensi, atau penggunaan model, dapat diselesaikan pada prosesor tertanam.

Salah satu solusinya adalah CMSIS-NN, perpustakaan jaringan saraf gratis yang dikembangkan untuk memaksimalkan kinerja dan meminimalkan jejak memori jaringan saraf pada inti prosesor Cortex-M.

Era baru – baik peluang baru maupun tantangan baru

Tidak diragukan lagi bahwa perangkat yang disematkan lebih kompleks dari sebelumnya – persyaratan produk meningkat, ada tekanan yang meningkat pada biaya dan masalah keamanan terus meningkat, terutama untuk perangkat yang terhubung.

Semua faktor ini menimbulkan tantangan yang signifikan bagi pengembang. Namun, kabar baiknya adalah bahwa industri berkembang untuk mendukung hal ini dengan IP, perangkat lunak, alat, dan sumber daya pelatihan untuk membantu pengembang tertanam mendorong batas-batas dari apa yang mungkin.

---

Phil Burr adalah direktur untuk portofolio produk yang mapan dalam Grup Tertanam di Arm. Dia memimpin tim yang bertanggung jawab atas portofolio CPU Arm, membantu memastikan bahwa prosesor ini memungkinkan mitra baru dan yang sudah ada untuk berinovasi. Phil juga mengelola program Arm DesignStart – rute berbiaya rendah dan akses mudah ke IP Arm.