開(kāi)源硬件與MCU應用

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MCU發(fā)展30年。目前MCU已經(jīng)應用到工業(yè)控制、家電和娛樂(lè )設備等多個(gè)產(chǎn)業(yè)，僅MCU的產(chǎn)值就達到數百億美元規模。近年來(lái)，智能設備、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)展機遇。本文從六個(gè)方面探討開(kāi)源硬件及其對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)源硬件社區最重要的活動(dòng)之一，常出現一些對開(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)放硬件設計聯(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(zhù)名的開(kāi)源硬件項目Arduino開(kāi)發(fā)團隊，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;2015年的峰會(huì )也從紐約移到了費城。

　　2016年峰會(huì )于10月7日在美國波特蘭舉行。這次峰會(huì )得到34家廠(chǎng)商的贊助，圖2中是主要贊助商。這些廠(chǎng)商中包括開(kāi)源硬件項目創(chuàng )建者，開(kāi)發(fā)平臺和工具提供者，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(chǎng)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Curie;Google創(chuàng )建了開(kāi)源計算機項目。贊助商中也有3D打印機、虛擬現實(shí)眼鏡、醫療儀器等開(kāi)源硬件項目創(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)，兩家做系統設計服務(wù)，一家做法律咨詢(xún)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、合作方式、開(kāi)源硬件認證等;有六個(gè)開(kāi)源硬件的應用，如用于老年人行動(dòng)能力評測的開(kāi)源醫療設備、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)認證規則，并注冊了“Open Hardware”;2007年，Tucson業(yè)余無(wú)線(xiàn)電分組網(wǎng)(Tucson amateur packet radio，TAPR)授權了第一個(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OSHW1.0定義，開(kāi)源硬件包括兩個(gè)方面：(1)項目源文件向包括用戶(hù)、其他制造商、其他設計商和銷(xiāo)售商在內的所有人公開(kāi);(2)通過(guò)許可證的方式向使用者開(kāi)放，不需要向最初設計者支付任何費用。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)硬件設計和制造涉及的所有源文件，包括硬件機械設計和加工圖，原理以及電路設計圖，元器件及材料清單，布線(xiàn)圖，內核和固件代碼，應用軟件和應用接口庫代碼，開(kāi)發(fā)工具。只要得到開(kāi)放的源文件，可以完全復制原有產(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A(yíng)CM和IEEE兩大學(xué)術(shù)論文數據庫中以“OpenHardware” 和“OpenSourceHardware”為關(guān)鍵詞檢索到的論文數，與近年來(lái)學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)“DeepLearning”關(guān)鍵詞相關(guān)的論文數相當。目前開(kāi)源硬件項目有開(kāi)源開(kāi)發(fā)平臺和開(kāi)源應用。開(kāi)源應用涉及的領(lǐng)域廣泛，如3D打印機、可穿戴設備、傳感器和醫療設備等。

　　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。傳統的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式從獲取需求、設計開(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)品將采取社區式的開(kāi)發(fā)形式。開(kāi)源社區中，根據在產(chǎn)品形成過(guò)程中所發(fā)揮的作用，把參與者分為四類(lèi)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)源硬件項目并完成最初的原型開(kāi)發(fā);開(kāi)發(fā)者對項目進(jìn)行完善、改進(jìn)和增強，并貢獻于項目;生產(chǎn)者從創(chuàng )建者和開(kāi)發(fā)者獲取授權，制造產(chǎn)品并進(jìn)行銷(xiāo)售，使用者是產(chǎn)品的用戶(hù)。

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

　　開(kāi)源硬件使大眾參與產(chǎn)品的設計與改進(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)源硬件項目

　　目前開(kāi)源硬件項目很多。開(kāi)源中國社區列出了125個(gè)有影響的開(kāi)源硬件開(kāi)源軟件項目，其中112項是開(kāi)源硬件項目。開(kāi)源硬件項目中有49項是開(kāi)源硬件平臺，55項是開(kāi)源硬件產(chǎn)品或應用，8項是開(kāi)源CPU核。

　　開(kāi)源硬件平臺中有最具代表性，也是最有影響力Arduino、Raspberry Pi、Beaglebone開(kāi)發(fā)平臺，也有在此基礎上的演化而來(lái)的Microduino、BananaPi、Kiwiboard等;開(kāi)源硬件應用中包括Robotcup、OpenRAVE、OpenHAND、Pibot等機器人項目，RepRap、Mamba3D等3D打印機項目，PX4、Mikrokopter、Ardupilot無(wú)人機相關(guān)項目，Project_Olympus開(kāi)源服務(wù)器項目，OpenBCI腦機交互項目，Axion開(kāi)源攝影機項目，Tabby開(kāi)源汽車(chē)項目，等等，涉及到工業(yè)控制、消費電子、醫療以及、通信、計算機等領(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)源項目中平臺所占的比重較大，但隨著(zhù)開(kāi)源硬件應用項目增加，開(kāi)源硬件產(chǎn)品覆蓋的領(lǐng)域以及規模將不斷拓展。產(chǎn)品將進(jìn)入市場(chǎng)并得到用戶(hù)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)展機遇和更大的發(fā)展空間。在第三部分開(kāi)源中國社區列出的112項開(kāi)源項目中65個(gè)項目采用了MCU。例如：市場(chǎng)規模最大的Arduino，最初采用的處理器是Atmel公司的AVR系列處理器;機器人項目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)現開(kāi)源硬件產(chǎn)品，是開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)設備、開(kāi)源控制器及其他開(kāi)源智能產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的趨勢。

　　開(kāi)源項目使基于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。傳統的開(kāi)發(fā)過(guò)程是先有一個(gè)想法，然后做原理設計，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計和實(shí)現，直接用開(kāi)源的開(kāi)發(fā)平臺，只要通過(guò)軟件把想法實(shí)現，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有軟件實(shí)現新的產(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據手冊，掌握IO及內部寄存器的使用，在程序中還要直接對寄存器等進(jìn)行操作，費時(shí)費力。開(kāi)源硬件開(kāi)發(fā)平臺將MCU底層操作封裝成標準訪(fǎng)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，提供圖形化的編程工具，如：ArduBlock，通過(guò)圖符號的拖拉就可以實(shí)現編程，非常簡(jiǎn)單。

　　最后，產(chǎn)品的實(shí)現更加快捷。開(kāi)源硬件社區提供了豐富的資源，直接利用這些資源可以節省開(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)現自己的創(chuàng )意產(chǎn)品。甚至沒(méi)有開(kāi)發(fā)基礎，只有創(chuàng )意，也可以實(shí)現自己的產(chǎn)品。開(kāi)發(fā)門(mén)檻的降低，將吸引更多的人實(shí)現創(chuàng )意，極大地增加產(chǎn)品的種類(lèi)和數量，從而導致對MCU需求的增長(cháng)。

開(kāi)源硬件在中國

　　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(zhuān)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。SEEED也是在OHS2016上專(zhuān)題演講的唯一中國企業(yè)。此外，深圳英蓓特也推廣Raspberry Pi 和Beaglebone Balck開(kāi)發(fā)平臺;深圳四博智聯(lián)公司發(fā)布并維護Espduino項目等。

　　在其他地方開(kāi)源硬件項目和產(chǎn)品也在蓬勃發(fā)展。上海朗譯電子科技是國內銷(xiāo)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;北京美科科技發(fā)布了Microduino開(kāi)源硬件平臺。

　　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)訓課程的教學(xué)實(shí)踐;北京大學(xué)用開(kāi)源硬件平臺進(jìn)行嵌入式專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)，并引導學(xué)生參加開(kāi)源實(shí)踐活動(dòng)。培訓機構已經(jīng)開(kāi)始基于開(kāi)源硬件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)輔導。

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

展望

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

參考文獻：

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

　　[2]OSHWA[R/OL].http://www.oshwa.org

　　[3]開(kāi)源中國社區[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。