如何使用 Silicon Labs 的 PG23 MCU 設計安全的低功耗邊緣物聯(lián)網(wǎng)設備

作者：Jacob Beningo

對于一些列消費和工業(yè)邊緣物聯(lián)網(wǎng) （IoT）應用的設計者來說，從電燈開關、抄表機和智能鎖到太陽能逆變器和安全面板，都需要在高性能和低功耗之間權衡利弊，找到一個合適的平衡點，特別是在進行電池供電設計時，同時還要確保其實施的安全性。許多情況下，這類設計基于微控制器（MCU），所以設計者必須認真考慮使用哪一種微控制器。

除了堅定支持安全外，還需考慮處理器內(nèi)核性能、能效、外設和 I/O 支持、整體外形尺寸以及生態(tài)系統(tǒng)支持。雖然 MCU可能在性能和功率方面滿足設計要求，但安全設計的實施有一個學習曲線，這可能會造成延遲或?qū)е聼o法充分地實施安全。

本文將簡要討論邊緣物聯(lián)網(wǎng)設備的安全注意事項。然后，介紹 Silicon Labs 的 EFM32PG23 MCU，展示如何在強調(diào)低功耗的同時，將其應用于安全邊緣物聯(lián)網(wǎng)設計。

物聯(lián)網(wǎng)設備的安全問題

互聯(lián)網(wǎng)連接設備受到的遠程攻擊數(shù)量在持續(xù)上升。嵌入式開發(fā)人員可能會認為，他們的物聯(lián)網(wǎng)邊緣設備不需要安全，因為這些設備中沒有“任何有價值的東西”。事實上，黑客能在幾乎每臺設備中發(fā)現(xiàn)有價值的東西，無論是傳感器數(shù)據(jù)、客戶數(shù)據(jù)、設備上的實際固件，還是設備作為連接網(wǎng)絡的后門提供的權限。安全是關鍵功能，必須從一開始就設計到每個物聯(lián)網(wǎng)邊緣設備中：不應在設計周期結(jié)束時才將安全綁到系統(tǒng)上。否則，該設備將極易受到攻擊。

每個物聯(lián)網(wǎng)邊緣設備都有幾個方面需要考慮安全，如設備識別、設備配置和軟件/固件更新等。圖 1所示為常見問題清單，以及這些問題如何轉(zhuǎn)化為設備安全要求。每個安全要求都有相關的技術，通常用于滿足該要求并挫敗潛在的攻擊者。

對于很多開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)邊緣應用的嵌入式團隊來講，缺乏內(nèi)部安全專業(yè)知識是個大問題。結(jié)果是他們要么在內(nèi)部盡最大努力學習并實施安全，要么利用外部資源。無論哪種方式，其成本和時間都可能異乎尋常。

還有一種選擇：開發(fā)團隊可以選擇在設計時就考慮了安全問題的 MCU。這種 MCU 就是現(xiàn)成的安全解決方案，只需對手頭的應用進行小的配置調(diào)整。

Silicon Labs PG23 系列 MCU 器件簡介

Silicon Labs EFM32PG23 系列微控制器是物聯(lián)網(wǎng)邊緣設備應用的一個有趣選擇，原因如下。首先，PG23 MCU 可以運行 Silicon Labs 自己的 Secure Vault 物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案。Secure Vault 是一個保護物聯(lián)網(wǎng)設備安全和面向未來的平臺，最近成為首個獲得 PSA認證的 3 級物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案。Secure Vault 為 PG23 MCU 帶來的一些功能包括安全設備身份、安全密鑰管理和存儲，以及高級篡改檢測。

Secure Vault 利用了由物理不可克隆函數(shù) （PUF） 生成的獨特數(shù)字指紋。PUF 可以用來創(chuàng)建 AES對稱密鑰，當系統(tǒng)斷電時，該密鑰會物理性地消失。當芯片關閉時，AES對稱密鑰甚至不存在，使其不可能從設備中移除。對于許多物聯(lián)網(wǎng)邊緣應用面臨的密鑰管理挑戰(zhàn)而言，PUF 是一種有效解決方案。事實上，PUF可以擴展，以支持某個應用所需的盡可能多的密鑰。Secure Vault還包括一個篡改檢測系統(tǒng)，能夠在設備發(fā)生篡改事件后即可將其關閉，使得鑰匙無法重建。主要安全特性總結(jié)如下：

安全認證

安全密鑰管理

確保關鍵存儲安全

防篡改

PG23 MCU 非常適合物聯(lián)網(wǎng)邊緣應用的另一個原因是其低功耗設計。PG23 的有效電流消耗為 21 微安每兆赫茲 （μA/MHz）。在 EM2模式下，16 千字節(jié) （KB） 的 RAM 處于激活狀態(tài)，電流消耗為 1.03 μA；或者在 EM4 模式下，啟用實時時鐘 （RTC） 時電流消耗為 0.7μA。如此低的電流消耗水平有助于開發(fā)人員設計節(jié)能設備，無論是通過墻插電源還是電池供電。

本文要研究的 PG23 的最后一個特點是 MCU 能力。PG23 采用 Arm?Cortex?-M33 處理器，時鐘高達 80MHz。這款處理器可以在1.71 V 至 3.8 V 的范圍內(nèi)使用單電源工作。對于從事傳感器應用的開發(fā)者來說，可使用低功耗傳感器接口 （LESENSE）。這款 MCU 采用 5×5mm 40 引腳 QFN 封裝或 6×6 mm 48 引腳 QFN 封裝。PG23 的方框圖見圖 2。這款 MCU 也有五個電源狀態(tài)：運行模式 EM0、睡眠模式
EM1、深度睡眠模式 EM2、停止模式 EM3 以及關斷模式 EM4。

PG23-PK2504A 開發(fā)板入門

PG23 入門的最好方法是使用 PG23-PK2504A 開發(fā)板。該板采用 EFM32PG23B310F512 處理器，自帶 512KB 閃存和 64KB內(nèi)存。該開發(fā)板配備了各種板載傳感器、接口和一個 4×10 段 LCD 顯示屏（圖 3）。

拿到開發(fā)板后，開發(fā)者可以下載并安裝 Simplicity Studio（在入門標簽下）。Simplicity Studio是一個啟動平臺，可提供評估、配置 EFM32 微控制器和使用該控制器進行開發(fā)所有的一切。軟件包括入門材料、說明文檔、兼容工具和資源。

當打開 Simplicity Studio 并插入開發(fā)板時，軟件將識別該板并提供有關示例項目、說明文檔和演示的建議（圖 4）。然后，開發(fā)者可以選擇最適合的途徑，開始對 PG23 的實驗。

值得強調(diào)的是，PG23-PK2504A 開發(fā)板上決定開發(fā)板供電方式的開關。有兩種選擇；AEM 或 BAT（圖 5）。在 AEM 模式下，有電流檢測電阻與LDO 電源和 PG23 串聯(lián)。這種模式優(yōu)點在于，開發(fā)人員可以測量處理器的電流消耗，這有助于功率優(yōu)化。一旦應用經(jīng)過優(yōu)化，開發(fā)人員就可以切換到 BAT模式，通過鈕扣電池為開發(fā)板供電。

在物聯(lián)網(wǎng)應用中盡量降低能耗的技巧和竅門

無論采用電池供電與否，最大限度地降低功耗對于每一個物聯(lián)網(wǎng)邊緣設計都至關重要。如果開發(fā)者不小心，對設計進行能耗優(yōu)化可能會很耗時。以下是開發(fā)人員應牢記的幾個“技巧和竅門”，這有助于對物聯(lián)網(wǎng)應用進行低功耗優(yōu)化：

使用事件驅(qū)動型軟件架構(gòu)。當系統(tǒng)不處理事件時，使其進入低功耗狀態(tài)。

概括在幾個充/放電周期內(nèi)對系統(tǒng)的電池消耗情況。記錄電流消耗和工作電壓，并繪制其時間變化的曲線。

充分利用低功耗模式，自動禁用時鐘、外設和 CPU。

在簡單應用中，探索使用 Arm Cortex-M 的“退出時睡眠”功能，以盡量減少喚醒系統(tǒng)時的中斷開銷。

如果使用 RTOS，要利用其“tickless”模式來防止 RTOS 意外喚醒系統(tǒng)。

在迭代優(yōu)化時，跟蹤每個變化的節(jié)能效果。在某一點上，開發(fā)商發(fā)現(xiàn)了一個“拐點”，此時優(yōu)化所花費的時間在節(jié)能方面的回報是很低的。是時候停止優(yōu)化并進入下一階段了。

開發(fā)者遵循這些“技巧和竅門”，可以在開始新的安全低功耗物聯(lián)網(wǎng)設計時節(jié)省更多的時間并省去更多的麻煩。

結(jié)語