開(kāi)源硬件與MCU應(yīng)用

作者/ 林金龍 北京大學(xué) 軟件與微電子學(xué)院(北京 102600)

摘要：本文從六個(gè)方面探討開(kāi)源硬件及其對(duì)MCU產(chǎn)業(yè)的影響。

　　2016年是微控制器(MCU)發(fā)展40年，同時(shí)也是我國(guó)MCU發(fā)展30年。目前MCU已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)控制、家電和娛樂(lè)設(shè)備等多個(gè)產(chǎn)業(yè)，僅MCU的產(chǎn)值就達(dá)到數(shù)百億美元規(guī)模。近年來(lái)，智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)以及開(kāi)源硬件的發(fā)展為MCU提供了新的發(fā)展機(jī)遇。本文從六個(gè)方面探討開(kāi)源硬件及其對(duì)MCU產(chǎn)業(yè)的影響。

從OHS2016看開(kāi)源硬件發(fā)展

　　2009年開(kāi)始每年舉辦的開(kāi)放硬件峰會(huì)(Open Hardware Summit, OHS)是開(kāi)源硬件社區(qū)最重要的活動(dòng)之一，常出現(xiàn)一些對(duì)開(kāi)源硬件發(fā)展有影響的事件。2009年在紐約召開(kāi)的第一屆峰會(huì)上，成立了開(kāi)放硬件設(shè)計(jì)聯(lián)盟(Open Hardware and Design Alliance，OHANDA);2010年在紐約舉辦的第二屆峰會(huì)上推出了開(kāi)源硬件定義1.0草案;著名的開(kāi)源硬件項(xiàng)目Arduino開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，在2011年峰會(huì)上展示了相關(guān)成果，峰會(huì)后成立了開(kāi)源硬件協(xié)會(huì)(Open Source Hardware Association，OSWA);2012年的紐約峰會(huì)上討論了開(kāi)源硬件的商業(yè)模式。2013年紐約峰會(huì)關(guān)注開(kāi)源硬件生態(tài)環(huán)境;2014年峰會(huì)移到羅馬，首次離開(kāi)美國(guó);2015年的峰會(huì)也從紐約移到了費(fèi)城。

　　2016年峰會(huì)于10月7日在美國(guó)波特蘭舉行。這次峰會(huì)得到34家廠商的贊助，圖2中是主要贊助商。這些廠商中包括開(kāi)源硬件項(xiàng)目創(chuàng)建者，開(kāi)發(fā)平臺(tái)和工具提供者，技術(shù)、生產(chǎn)以及法律等方面的服務(wù)者。其中包括Intel和Google這兩家最具影響力的芯片和軟件廠商。Intel積極參與并推動(dòng)開(kāi)源硬件活動(dòng)，推出了兼容Arduino接口的Galileo板和開(kāi)源IoT平臺(tái)Curie;Google創(chuàng)建了開(kāi)源計(jì)算機(jī)項(xiàng)目。贊助商中也有3D打印機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡、醫(yī)療儀器等開(kāi)源硬件項(xiàng)目創(chuàng)建者或產(chǎn)品提供商。另外，還有六家做網(wǎng)上PCB加工服務(wù)，兩家做系統(tǒng)設(shè)計(jì)服務(wù)，一家做法律咨詢服務(wù)。2016峰會(huì)上共有18個(gè)主題發(fā)言或展示，其中有7個(gè)人的演講討論開(kāi)源硬件的一般性問(wèn)題，如開(kāi)源硬件的市場(chǎng)、生態(tài)系統(tǒng)、合作方式、開(kāi)源硬件認(rèn)證等;有六個(gè)開(kāi)源硬件的應(yīng)用，如用于老年人行動(dòng)能力評(píng)測(cè)的開(kāi)源醫(yī)療設(shè)備、開(kāi)源樂(lè)器。最吸引人的是由波特蘭的一些航天愛(ài)好者創(chuàng)建的開(kāi)源火箭項(xiàng)目，可以直接從網(wǎng)站下載資料，自己制作火箭。

　　從OHS2016表明，開(kāi)源硬件運(yùn)動(dòng)正受到愈來(lái)愈多的關(guān)注，眾多的企業(yè)和愛(ài)好者不斷加入其中，開(kāi)源硬件產(chǎn)品逐步得到市場(chǎng)的認(rèn)可與肯定。

什么是開(kāi)源硬件

　　開(kāi)源硬件最初由黑客(hacker)們發(fā)起，旨在已有硬件平臺(tái)上增加新的功能或改變已有功能，后來(lái)逐漸演化成一種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式、一種理念。

　　1997年，BrucePerens制定了開(kāi)放硬件(Open Hardware)認(rèn)證規(guī)則，并注冊(cè)了“Open Hardware”;2007年，Tucson業(yè)余無(wú)線電分組網(wǎng)(Tucson amateur packet radio，TAPR)授權(quán)了第一個(gè)開(kāi)源硬件許可;2010年，發(fā)布了開(kāi)源硬件定義OSHW1.0。2011年開(kāi)源硬件協(xié)會(huì)成立(Open Source Hardware Association)。

　　根據(jù)OSHW1.0定義，開(kāi)源硬件包括兩個(gè)方面：(1)項(xiàng)目源文件向包括用戶、其他制造商、其他設(shè)計(jì)商和銷售商在內(nèi)的所有人公開(kāi);(2)通過(guò)許可證的方式向使用者開(kāi)放，不需要向最初設(shè)計(jì)者支付任何費(fèi)用。目前的許可證版本已經(jīng)到4.0(Attribution-ShareAlike 4.0 International)。

　　開(kāi)源硬件要求公開(kāi)硬件設(shè)計(jì)和制造涉及的所有源文件，包括硬件機(jī)械設(shè)計(jì)和加工圖，原理以及電路設(shè)計(jì)圖，元器件及材料清單，布線圖，內(nèi)核和固件代碼，應(yīng)用軟件和應(yīng)用接口庫(kù)代碼，開(kāi)發(fā)工具。只要得到開(kāi)放的源文件，可以完全復(fù)制原有產(chǎn)品，或者改進(jìn)產(chǎn)品。

　　開(kāi)源硬件不僅獲得產(chǎn)業(yè)界的重視，也獲得學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。在ACM和IEEE兩大學(xué)術(shù)論文數(shù)據(jù)庫(kù)中以“OpenHardware” 和“OpenSourceHardware”為關(guān)鍵詞檢索到的論文數(shù)，與近年來(lái)學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)“DeepLearning”關(guān)鍵詞相關(guān)的論文數(shù)相當(dāng)。目前開(kāi)源硬件項(xiàng)目有開(kāi)源開(kāi)發(fā)平臺(tái)和開(kāi)源應(yīng)用。開(kāi)源應(yīng)用涉及的領(lǐng)域廣泛，如3D打印機(jī)、可穿戴設(shè)備、傳感器和醫(yī)療設(shè)備等。

　　開(kāi)源硬件將會(huì)像開(kāi)源軟件一樣取得成功。它將漸漸地改變產(chǎn)品的生態(tài)，改變MCU或嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方式。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式從獲取需求、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、組織生產(chǎn)、完全由企業(yè)自主組織。開(kāi)源硬件產(chǎn)品將采取社區(qū)式的開(kāi)發(fā)形式。開(kāi)源社區(qū)中，根據(jù)在產(chǎn)品形成過(guò)程中所發(fā)揮的作用，把參與者分為四類角色：發(fā)起者、開(kāi)發(fā)者、生產(chǎn)者和使用者。發(fā)起者創(chuàng)建一個(gè)新的開(kāi)源硬件項(xiàng)目并完成最初的原型開(kāi)發(fā);開(kāi)發(fā)者對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行完善、改進(jìn)和增強(qiáng)，并貢獻(xiàn)于項(xiàng)目;生產(chǎn)者從創(chuàng)建者和開(kāi)發(fā)者獲取授權(quán)，制造產(chǎn)品并進(jìn)行銷售，使用者是產(chǎn)品的用戶。

　　在社區(qū)中，不同的角色可以相互轉(zhuǎn)換，甚至可以多重角色集于一身。例如，用戶可以利用開(kāi)源資料和平臺(tái)，改進(jìn)和擴(kuò)展所使用開(kāi)源產(chǎn)品的功能，成為開(kāi)發(fā)者;用戶又可以制造、生產(chǎn)甚至銷售產(chǎn)品，轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)者。開(kāi)源社區(qū)參與者可以通過(guò)銷售產(chǎn)品，技術(shù)咨詢，技術(shù)培訓(xùn)等方式獲得收益。

　　開(kāi)源硬件使大眾參與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，將提高產(chǎn)品的質(zhì)量。另外，由于省去了開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，可以降低生產(chǎn)者制造產(chǎn)品的成本。

開(kāi)源硬件項(xiàng)目

　　目前開(kāi)源硬件項(xiàng)目很多。開(kāi)源中國(guó)社區(qū)列出了125個(gè)有影響的開(kāi)源硬件開(kāi)源軟件項(xiàng)目，其中112項(xiàng)是開(kāi)源硬件項(xiàng)目。開(kāi)源硬件項(xiàng)目中有49項(xiàng)是開(kāi)源硬件平臺(tái)，55項(xiàng)是開(kāi)源硬件產(chǎn)品或應(yīng)用，8項(xiàng)是開(kāi)源CPU核。

　　開(kāi)源硬件平臺(tái)中有最具代表性，也是最有影響力Arduino、Raspberry Pi、Beaglebone開(kāi)發(fā)平臺(tái)，也有在此基礎(chǔ)上的演化而來(lái)的Microduino、BananaPi、Kiwiboard等;開(kāi)源硬件應(yīng)用中包括Robotcup、OpenRAVE、OpenHAND、Pibot等機(jī)器人項(xiàng)目，RepRap、Mamba3D等3D打印機(jī)項(xiàng)目，PX4、Mikrokopter、Ardupilot無(wú)人機(jī)相關(guān)項(xiàng)目，Project_Olympus開(kāi)源服務(wù)器項(xiàng)目，OpenBCI腦機(jī)交互項(xiàng)目，Axion開(kāi)源攝影機(jī)項(xiàng)目，Tabby開(kāi)源汽車項(xiàng)目，等等，涉及到工業(yè)控制、消費(fèi)電子、醫(yī)療以及、通信、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域;8個(gè)開(kāi)源軟核分別為：OpenCore, OpenRisc, Espruino, LEON,RISC-V, GPLCPU, MIAOW, OpenHPI。

　　雖然目前開(kāi)源項(xiàng)目中平臺(tái)所占的比重較大，但隨著開(kāi)源硬件應(yīng)用項(xiàng)目增加，開(kāi)源硬件產(chǎn)品覆蓋的領(lǐng)域以及規(guī)模將不斷拓展。產(chǎn)品將進(jìn)入市場(chǎng)并得到用戶接受，這也是開(kāi)源硬件能否成功的關(guān)鍵。

開(kāi)源硬件與MCU

　　開(kāi)源硬件給MCU產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇和更大的發(fā)展空間。在第三部分開(kāi)源中國(guó)社區(qū)列出的112項(xiàng)開(kāi)源項(xiàng)目中65個(gè)項(xiàng)目采用了MCU。例如：市場(chǎng)規(guī)模最大的Arduino，最初采用的處理器是Atmel公司的AVR系列處理器;機(jī)器人項(xiàng)目Pibot則采用Arduino作為核心控制板。采用MCU或基于開(kāi)源MCU控制板實(shí)現(xiàn)開(kāi)源硬件產(chǎn)品，是開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、開(kāi)源控制器及其他開(kāi)源智能產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。

　　開(kāi)源項(xiàng)目使基于MCU的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)變得更加容易。

　　首先，簡(jiǎn)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程是先有一個(gè)想法，然后做原理設(shè)計(jì)，再制版，同時(shí)在硬件上做軟件開(kāi)發(fā)，最后合成產(chǎn)品。在開(kāi)源硬件環(huán)境下，開(kāi)發(fā)過(guò)程完全改變了?？梢圆蛔鲭娐吩O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，直接用開(kāi)源的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，只要通過(guò)軟件把想法實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品就出來(lái)了;也可以不做軟件，直接修改硬件后利用現(xiàn)有軟件實(shí)現(xiàn)新的產(chǎn)品。

　　其次，編程更加方便。由于MCU品種繁多差異較大，使用前需要閱讀乏味的數(shù)據(jù)手冊(cè)，掌握IO及內(nèi)部寄存器的使用，在程序中還要直接對(duì)寄存器等進(jìn)行操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。開(kāi)源硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)將MCU底層操作封裝成標(biāo)準(zhǔn)訪問(wèn)接口，程序員可以不關(guān)心MCU的底層，提高程序開(kāi)發(fā)效率。另外，一些開(kāi)源硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，提供圖形化的編程工具，如：ArduBlock，通過(guò)圖符號(hào)的拖拉就可以實(shí)現(xiàn)編程，非常簡(jiǎn)單。

　　最后，產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)更加快捷。開(kāi)源硬件社區(qū)提供了豐富的資源，直接利用這些資源可以節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　在開(kāi)源硬件環(huán)境下，只會(huì)軟件或只會(huì)硬件都可以實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意產(chǎn)品。甚至沒(méi)有開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)，只有創(chuàng)意，也可以實(shí)現(xiàn)自己的產(chǎn)品。開(kāi)發(fā)門(mén)檻的降低，將吸引更多的人實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意，極大地增加產(chǎn)品的種類和數(shù)量，從而導(dǎo)致對(duì)MCU需求的增長(zhǎng)。

開(kāi)源硬件在中國(guó)

　　由于豐富的人才資源、齊全的產(chǎn)業(yè)鏈、快速的加工服務(wù)，深圳已經(jīng)成為全球創(chuàng)客的天堂。創(chuàng)客們匯聚深圳，大部分開(kāi)源硬件產(chǎn)品也在這里生產(chǎn)，OHS2017也將在這里召開(kāi)。

　　深圳企業(yè)也積極參與開(kāi)源硬件活動(dòng)。矽遞科技(SEEED)是一家專注于開(kāi)源硬件服務(wù)的企業(yè)，其開(kāi)發(fā)開(kāi)源硬件套件，面向全球市場(chǎng);并發(fā)布了Beaglebone Green開(kāi)發(fā)平臺(tái)。SEEED也是在OHS2016上專題演講的唯一中國(guó)企業(yè)。此外，深圳英蓓特也推廣Raspberry Pi 和Beaglebone Balck開(kāi)發(fā)平臺(tái);深圳四博智聯(lián)公司發(fā)布并維護(hù)Espduino項(xiàng)目等。

　　在其他地方開(kāi)源硬件項(xiàng)目和產(chǎn)品也在蓬勃發(fā)展。上海朗譯電子科技是國(guó)內(nèi)銷售Arduino開(kāi)發(fā)板最多的企業(yè)之一;廣州比派科技發(fā)布了Banana Pi開(kāi)發(fā)平臺(tái);北京美科科技發(fā)布了Microduino開(kāi)源硬件平臺(tái)。

　　開(kāi)源硬件已經(jīng)引入各個(gè)層次的教育實(shí)踐。浙江把Arduino訓(xùn)練引入中學(xué)教學(xué)活動(dòng);上海電子職業(yè)學(xué)校將開(kāi)源硬件技術(shù)引入電子實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)實(shí)踐;北京大學(xué)用開(kāi)源硬件平臺(tái)進(jìn)行嵌入式專業(yè)課程教學(xué)，并引導(dǎo)學(xué)生參加開(kāi)源實(shí)踐活動(dòng)。培訓(xùn)機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始基于開(kāi)源硬件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)輔導(dǎo)。

　　與美國(guó)相比開(kāi)源硬件發(fā)展較遲，但由于人才、配套等方面的優(yōu)勢(shì)，以及政府的支持，它將助力于我國(guó)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

展望

　　開(kāi)源硬件將來(lái)的發(fā)展的趨勢(shì)包括三個(gè)方面：1.將來(lái)會(huì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的完全開(kāi)源，器件設(shè)計(jì)文件到產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)，所有資料完全開(kāi)放;2.將來(lái)一定有真正的開(kāi)源產(chǎn)品形成大規(guī)模的市場(chǎng)。3.產(chǎn)品的演化真正在社區(qū)中完成。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]Alicia Gibb.開(kāi)源硬件DIY[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2016

　　[2]OSHWA[R/OL].http://www.oshwa.org

　　[3]開(kāi)源中國(guó)社區(qū)[R/OL].http://www.oschina.net/project/tag/396/open?lang=0&os=0&sort=time&p=6

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第21頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。