嵌入式系統其實早已存在多年。本文將帶你了解嵌入式系統是什麼、有哪些安全相關的考量，以及如何透過適當的測試讓系統達到安全與資安的要求。
重點整理
嵌入式系統是現代產品與基礎設施背後的專用運算核心，讓裝置能夠以高效且可靠的方式感測、處理並回應實體世界的變化。
嵌入式系統是為特定用途打造並整合於產品中的電腦系統，專注於執行特定功能，而非通用運算能力，應用範圍從家用電子產品到複雜的交通系統皆有。
這類系統通常在嚴格限制下運作，例如有限的運算能力、記憶體、儲存空間與電力，同時還需要滿足嚴格的即時性與可靠性要求。
嵌入式系統廣泛存在於各產業中，例如支援 Waymo 的自動駕駛技術、Medtronic 的生命關鍵醫療設備、西門子(Siemens)的工業自動化平台，以及波音公司( Boeing )的航太系統。
其架構複雜度會隨應用需求而提升，從簡單的控制迴圈，到中斷驅動、多工處理，以及基於 RTOS 的設計，以支援並行處理、即時回應與長期維護。
安全性、資安與嚴謹測試是不可或缺的，尤其在關鍵領域中，系統失效可能造成嚴重的人員傷亡、營運中斷或經濟損失。
嵌入式系統簡介
嵌入式系統是以微處理器為基礎的電腦系統，通常內建於某個系統或產品中，並負責特定的運作功能。換句話說，嵌入式系統就是我們日常使用的裝置、駕駛的汽車、搭乘的飛機與火車背後的「隱形智慧」。
不同於桌機或伺服器這類由多個獨立元件組成的運算系統，嵌入式系統是直接整合在產品中的，並同時包含硬體與軟體。
嵌入式系統有哪些應用範例？
嵌入式系統幾乎存在於所有產業中，它們不是可有可無的附加功能，而是現代科技運作的核心。以下是一些常見範例。
應用1. 消費性產品
嵌入式系統是我們日常依賴的產品與基礎設施中的隱形智慧。在消費性電子產品中，例如智慧型手機、智慧電視、穿戴裝置與智慧家庭設備，都仰賴嵌入式系統來運作，負責電源管理、無線通訊、感測器處理與使用者互動。
像 Apple 這類公司會在產品中整合數十個專用嵌入式控制器協同運作，以提供流暢的使用體驗。
應用2. 汽車產業
在汽車領域中，嵌入式系統的重要性更高。現代車輛（例如 Waymo 的技術）包含大量電子控制單元（ECU），負責自動駕駛、煞車、轉向、電池管理、安全氣囊以及先進駕駛輔助系統等功能。
這些系統必須在即時條件下穩定運作，且常常需要在嚴苛環境中保持可靠。
應用3. 醫療裝置
醫療領域也是重要應用之一。像 Medtronic 所開發的心律調節器、胰島素幫浦與病患監測系統，都仰賴高度精準且可靠的嵌入式軟體。一旦發生故障，不只是造成不便，甚至可能危及生命。
應用4. 工業與運輸
在工業與運輸領域中，嵌入式系統用於工廠自動化、機器人、鐵路號誌與航空電子系統。像 西門子會使用嵌入式控制器來管理電網與製造產線，而 波音公司的飛機則依賴多重冗餘的飛行控制電腦，以確保在高空飛行時的安全性。
嵌入式系統有哪些特性？
嵌入式系統與一般通用電腦最大的差異是什麼？答案是「專注於特定功能」。
特性1. 執行單一特定功能
嵌入式系統是為了執行單一且明確的功能而設計的，不多也不少。不同於桌機可以執行各種應用程式，煞車系統中的嵌入式控制器只有一個任務：偵測狀態並立即做出反應。這樣的單一目標會影響所有架構設計的決策。
特性2. 在嚴格資源限制下運作
嵌入式系統通常運行在嚴格的資源限制下，例如有限的運算能力、極少的記憶體，以及嚴格的功耗限制。工程師必須撰寫高效率的程式碼，並在效能與硬體限制之間取得平衡。最佳化不是加分項，而是基本要求。
特性3. 精準的時序要求
時序是另一個關鍵特性。許多嵌入式系統屬於即時系統（Real-Time Systems），必須在精準的時間內完成回應。在安全關鍵場景中，例如汽車煞車、醫療設備或航太系統，錯過時序就可能導致系統失效。系統是否正確，不只取決於做了什麼，也取決於何時完成。
特性4. 長期穩定運作
可靠性與可預測性也是嵌入式系統的重要特徵。這些系統通常需要在嚴苛環境中連續運作多年且不中斷，並且必須具備穩定行為、容錯能力與長期穩定性。不同於可頻繁更新的消費性軟體，嵌入式系統多部署在更新困難、成本高或受到法規限制的環境中。
特性5. 與硬體高度整合
最後，嵌入式系統與硬體是高度整合的。它們直接控制感測器、致動器、馬達與通訊介面。硬體與軟體通常是共同設計、共同最佳化，並以整體系統方式驗證。這種深度整合與高風險特性，正是嵌入式系統與通用電腦最大的差異。
嵌入式系統如何被應用？
嵌入式系統的有趣之處在於其應用範圍極廣，從智慧家庭中的小型控制器，到飛機上的航電系統，再到電信網路中的大型交換設備皆包含在內。
這也讓其設計與開發變得更加困難，因為產品本身的限制會直接影響嵌入式硬體與軟體的效能範圍。
嵌入式系統雖然無所不在，但一般消費者通常不會察覺。現代汽車內部可能包含高達一億行程式碼，而且大多數並不在資訊娛樂系統中，而是分布在各種微控制器與引擎控制單元中，負責控制與監測各項功能。
嵌入式系統架構
如前所述，嵌入式系統由硬體與軟體組成，通常應用於需要感測環境變化並進行控制回應的場景。
一個簡單的例子是具備嵌入式溫控器的 HVAC 系統。該系統會偵測室內溫度，並控制加熱或冷氣設備，同時可能透過網路介面進行通訊，並在 LCD 螢幕（人機介面，HMI）上顯示溫度資訊。
這類系統通常被稱為「即時系統（real-time）」或「事件驅動（event-driven）」系統，因為它們必須即時回應現實世界中的事件。依據應用類型與關鍵程度，是否能在指定時間內完成反應非常重要。
像汽車中的防鎖死煞車系統（ABS）這類安全關鍵系統，必須在毫秒等級內做出反應。這類系統稱為「硬即時（hard real-time）」，也就是必須滿足時限，否則就視為系統失效。
相對地，時限較寬鬆的系統稱為「軟即時（soft real-time）」。在大多數情況下，這些系統會運作在某種即時作業系統（RTOS）之上。
以下是一個簡單的嵌入式系統架構範例：
嵌入式系統另一個特點是使用微控制器架構。不同於桌機或伺服器系統，微控制器通常會將 RAM、ROM 與 I/O 整合在單一晶片上。
這些控制器具備與感測器、致動器互動所需的 I/O 能力，並可整合各種網路與通訊介面。
簡單式與控制迴圈架構
在最基本層級，許多嵌入式系統採用簡單架構，也就是單一程式在無限迴圈中持續執行。這種設計通常稱為 super loop，會不斷重複讀取輸入、處理資料、更新輸出，然後再重新開始。
由於沒有作業系統或排程機制的額外負擔，其行為高度可預測且容易驗證。這種方式常見於功能較單純、時序要求不高的裝置，例如基礎感測器或低成本控制器。
與此相近的是控制迴路架構，廣泛應用於需要持續調節實體系統狀態的場景。
在這種模型中，軟體會持續量測系統狀態（例如溫度、速度或位置），與目標值比較後，再透過致動器調整，使差異最小化。常見例子包括溫控器、馬達轉速控制器，以及簡單的工業自動化元件。
控制迴圈設計的優點在於：
- 可預測性（Determinism）
- 低資源使用量
- 實作簡單
然而，這類架構也有明顯的限制。
由於所有操作都是依序執行，較長時間的任務可能會延遲時間敏感的功能，對突發事件的反應能力也較差。
當系統複雜度提升，例如需要同時處理多個感測器、通訊介面或使用者互動時，super loop 會變得難以維護與擴展。因此，這類簡單迴圈架構較適合用於規模小、功能明確且並行需求低的應用。
中斷驅動與多工架構
當嵌入式系統需要快速回應外部事件時，中斷驅動架構能提供更即時的反應方式。系統不需等待主迴圈檢查狀態，而是由硬體訊號直接中斷當前執行流程，立即觸發對應處理程序。
這種機制讓系統能即時回應關鍵事件，例如按鍵輸入、感測器觸發門檻、通訊資料到達或錯誤狀況。透過非同步處理緊急任務，中斷驅動設計可以大幅提升反應速度，而不需要完整作業系統的支援。
多工架構則進一步延伸這個概念，讓多個軟體任務能「看起來同時」執行。在許多嵌入式系統中，通常透過以下方式實現：
- 時間分割（Time slicing）
- 優先權排程（Priority-based scheduling）
- 協同式任務切換（Cooperative task switching）
不同任務可分別負責感測器處理、使用者介面更新、資料記錄與網路通訊等功能，並共享同一顆處理器。這種架構提升了模組化與可擴展性，使新增功能時不會影響整體系統穩定性。
當系統需要同時處理多個任務、維持即時回應能力，或與外部裝置通訊時，通常會優先採用這類架構。
汽車控制網路、醫療監測設備以及連網消費性產品，通常都仰賴中斷驅動或多工設計。雖然比簡單迴圈架構更複雜，但在效能、彈性與資源使用之間提供了良好的平衡，適用於中等規模的嵌入式應用。
核心式與分層架構
對於較複雜的嵌入式系統，會採用核心式（kernel-based）架構，引入正式的作業環境來管理硬體資源與軟體任務。其核心通常為即時作業系統（RTOS），提供以下功能：
- 任務排程
- 任務間通訊
- 時序服務
- 記憶體管理
像 VxWorks、QNX、RTLinux、ThreadX 等 RTOS 平台，廣泛應用於需要高可預測性、高可靠性與結構化並行處理的系統。透過將底層管理交由核心處理，開發者可以專注於應用邏輯，同時維持穩定的即時行為。
分層架構（layered architecture）則常與核心式設計搭配，將軟體劃分為多個階層，每一層都有明確的責任範圍。
- 底層通常負責硬體控制與裝置驅動程式。
- 中間層提供系統服務與中介軟體（middleware）。
- 上層則實作應用層的功能。
這種關注點分離（separation of concerns）能提升系統的可維護性、可移植性與可測試性，特別適用於長期運作且各元件可能獨立演進的系統。
這類進階架構的優勢，在大型或安全關鍵應用中特別明顯，例如航電系統、先進車用平台、醫療設備、鐵道系統、工業自動化與電信基礎設施。
這些架構能支援複雜功能、故障隔離、安全機制與長期維護，是簡單架構難以達成的能力。雖然開發成本與資源需求較高，但核心式與分層架構能提供現代嵌入式系統所需的可靠性、可擴展性與系統成熟度。
嵌入式系統的硬體限制
嵌入式系統運作在依產品需求所設計的硬體上，這些硬體通常同時需要滿足商業目標（例如成本）與技術規格。這類產品可能出貨數量達數百萬台，並且需要運作數十年，因此對硬體與軟體的可靠性與品質都有極高要求。
硬體限制條件
嵌入式系統常見的硬體限制包括：
- 有限的運算能力
- 記憶體限制
- 儲存空間限制
這些限制會直接影響系統能支援的效能與功能複雜度，進而提高設計與開發難度，特別是在需要整合更多功能時更為明顯。
嵌入式硬體的限制通常來自商業需求，並直接影響最終產品的獲利能力。
物料成本（BOM）：硬體越簡單，採購成本越低、利潤越高。但隨著軟體複雜度提升，很快就會超出硬體負荷。升級到更高階處理器，意味著 BOM 成本增加，並對軟體造成顯著影響。
尺寸與重量：產品在體積與重量上有限制，會影響硬體選型。更複雜的硬體可能需要更大的電路板、電源供應與散熱設計。
功耗：嵌入式系統常用於電池供電設備，因此功耗必須嚴格控管；即使在高階系統中，散熱問題同樣是重要考量。
常見的目標硬體包含以下微控制器：
- 常見的 8-bit 8051 架構
- Microchip 的 PIC16 微控制器
- ST 的 STM32 32 位元 ARM Cortex 微控制器
- 系統單晶片（SoC），例如 TI OMAP 或 Raspberry Pi
- 大型多處理器 64 位元系統（基於 ARM、Intel、AMD 架構）
嵌入式系統的軟體
嵌入式系統的工程投入大多集中在軟體上。事實上，多數製造商都需要專門的軟體團隊來開發產品中的應用程式。甚至有 CEO 開玩笑地說：「我們其實是披著硬體外皮的軟體公司。」
現實是，在許多市場中，軟體已成為差異化與創新的關鍵，即使這些公司的主要產品並非軟體。
如同硬體一樣，軟體複雜度取決於應用需求，差異可能很大。不過大致可分為三種類型：
- 小型系統
- 中型系統
- 大型系統
小型系統（裸機 Bare Metal）
這類應用通常運作在 8 或 16 位元微控制器上，沒有正式作業系統，也就是所謂的裸機（bare metal）。通常只控制單一子系統，依據少數感測器進行運作，可能不連網且獨立執行。
較高層級的控制則由其他系統負責，例如 SCADA 系統，其硬體與軟體通常更為複雜。
中型系統
這類系統通常使用商用或開源的嵌入式作業系統，且多半為即時系統（RTOS）。這些作業系統提供硬體抽象、多工、多執行緒、網路與介面函式庫等功能。
常見例子包括 FreeRTOS、VxWorks、QNX，以及某些情況下的嵌入式 Linux。應用範圍從硬即時的航電系統，到無線路由器與 HVAC 系統皆有。
這類系統通常使用 32 位元微控制器或 SoC，並具備比小型系統更多的 RAM 與 Flash。不過其軟體複雜度高出數個數量級，程式碼規模可能從數萬行到上百萬行不等。
大型系統
這類系統通常非常複雜，具備多項功能與能力，並運作於類似伺服器的多處理器硬體上。應用通常需要即時處理能力，並可能使用高階 RTOS 或 Linux。
典型例子包括企業級網路交換器、電信骨幹網路、證券交易系統與空中交通管制系統。這些系統高度複雜且互相連結，程式碼規模可達數百萬行以上。
儘管應用多樣，嵌入式系統仍有一些共通特性，例如專用性強、全年無休（24/7）運作，並需要具備高可靠性、安全性、省電與成本效益。此外，資安需求也變得越來越重要。
嵌入式系統的應用
嵌入式系統的應用多到難以一一列舉，以下是一些較具代表性的高關注應用：
- 救命設備，例如心律調節器
- 關鍵應用，例如飛機飛行控制系統與自動駕駛輔助系統
- 支撐各類裝置與智慧家庭設備運作的軟體
我們的智慧型手機、平板、智慧手錶與智慧電視，其實都是嵌入式系統！以下是更多應用範例：
- 工業自動化
- 核能電廠、發電與電力調度的監控系統
- 維持經濟運作所需的電力、供熱與照明系統
- 應用於火車、飛機與汽車的安全關鍵軟體
- 支援網際網路與電信運作的基地台、樞紐、交換器與路由器
- 先進武器系統、戰鬥機、坦克與飛彈等核心也都依賴嵌入式系統
事實上，全球生產的微處理器中，有高達 98% 是用於嵌入式系統。
哪些不屬於嵌入式系統？
雖然嵌入式系統無所不在，但仍有許多系統與軟體不屬於此類。例如桌面軟體（如辦公軟體、瀏覽器、遊戲）都不算嵌入式系統，企業軟體、雲端基礎設施與後端系統也不屬於。
一般來說，只要是運作在通用硬體（例如一般 PC 或伺服器）上的軟體，就不會被視為嵌入式系統。這類軟體與硬體並非緊密綁定，也不是不可分離的整體。
例如 PC 出廠時可能搭載 Microsoft Windows 作業系統，但該系統可以被替換或移除，而不會影響 PC 的基本功能。
非嵌入式軟體通常屬於應用程式，可以在不同硬體平台上執行，並可在本地或遠端運作。
嵌入式系統的安全與資安議題
嵌入式系統在安全與資安關鍵設備中扮演重要角色，例如心律調節器與 ABS 煞車控制器都不能失效，因為人命完全仰賴其正常運作。
歷史上也曾發生重大事故，例如 Therac-25 放射治療設備因軟體問題導致病患過量照射，或 Ariane 5 火箭因整數溢位錯誤而爆炸。
隨著越來越多嵌入式系統透過網路連線（物聯網 IoT），資安問題已成為重大議題。這種連結帶來新功能與機會，同時也增加被攻擊的風險。
不安全的裝置本質上就是不安全的系統，因此在關鍵設備中，資安與功能安全必須同等重視。
如何確保嵌入式系統的安全與資安？
確保嵌入式系統安全與資安的唯一方法，就是透過測試，更精確地說，是在整個開發生命週期中進行嚴謹的驗證（Verification）與確認（Validation）。
在安全要求極高的產業中，必須遵循特定標準，例如：
- 汽車（ISO 26262）
- 航空（DO-178C）
- 醫療設備（IEC 62304）
- 工業自動化（IEC 61508）
- 鐵道（EN 50716 / EN 50128）
這些裝置的製造商必須遵循相關標準，並透過稽核證明其已善盡應有的審查與責任（due diligence），且已完整處理所有安全（safety）與資安（security）風險。
此類硬體與軟體的開發與測試過程通常耗時且成本高昂，但對於確保系統在實際部署後能正確運作，是不可或缺的。
確保嵌入式系統安全與資安
嵌入式系統，尤其是安全與資安關鍵（safety-critical / security-critical）的系統，不能發生失效。一旦失效，後果將非常嚴重，可能造成人員死亡或重傷，亦可能導致財產損失。因此，軟體測試至關重要。
軟體測試可確保嵌入式系統具備安全性（safety）、資安性（security）與可靠性（reliability），同時也是取得相關認證的重要依據。
前一節提到的功能安全標準，提供了明確指引，並建議採用多種測試與分析方法，例如靜態程式碼分析（static code analysis）、單元測試（unit testing）、整合測試（integration testing）、系統測試（system testing）、回歸測試（regression testing）、結構覆蓋率（structural code coverage），以及各類危害分析（hazard analysis）、威脅分析（threat analysis）與風險評估（risk assessment），以確保系統達到最高等級的安全與資安要求。
許多嵌入式系統還需符合各國主管機關所制定的認證要求。
例如在美國，醫療設備由 FDA 監管、航電系統由 FAA 管理、汽車由 NHTSA 管轄、鐵道則由 FRA 負責，此外還有其他相關機構。
這些單位透過法規確保公共安全與資安。同時，企業本身也會積極追求品質，因為產品召回、法律訴訟與長期糾紛，都可能對公司造成重大衝擊甚至致命影響。
歡迎前往 ➤ 與 FSG 功能安全專家們繼續深入探討
本文由Parasoft提供