來源：電子工程專輯?

據(jù)權(quán)威市調(diào)機(jī)構(gòu)預(yù)測，2021年全球微控制器（MCU）市場總銷售額預(yù)計可達(dá)190億美元，出貨量超過250億顆。從2021至2028年，MCU復(fù)合年增長率（CAGR）約為10%，到2028年將增至360億美元。IC Insights今年八月份發(fā)布的報告顯示，汽車MCU占據(jù)全球MCU市場的40%，預(yù)計2021年汽車MCU銷售額將達(dá)到76億美元，相比去年增長23%，其中約77%都是32位MCU。

除汽車市場外，MCU第二大市場是工業(yè)應(yīng)用（占比30%），剩余的30%主要應(yīng)用于消費電子/家電、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能卡，以及計算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

基于Arm?Cortex的MCU生態(tài)

32位MCU基本上都是采用Arm Cortex-M系列微處理器內(nèi)核，主要MCU廠商包括：ST、瑞薩、英飛凌、NXP和Microchip。Cortex-M處理器系列基于Arm M-Profile架構(gòu)，專為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計，具有低延遲和高確定性操作等優(yōu)點。該系列處理器有不同性能規(guī)格的型號，包括M0、M0+、M1、M23、M3、M4、M33、M35P、M55和M7，可滿足不同性能、功耗和成本的微處理器芯片需求。

基于Arm內(nèi)核的MCU生態(tài)經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)比較成熟。圍繞Cortex-M內(nèi)核，Arm提供了從開發(fā)環(huán)境到軟件等各種方便MCU開發(fā)者的工具。比如，集成開發(fā)環(huán)境（IDE）包括Arm Keil MDK、Arm Development Studio；編譯器包括Arm Compiler 6、GCC；軟件包括Cortex微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)(CMSIS)、Trusted Firmware-M (TF-M)；操作系統(tǒng)有Mbed OS、Keil RTX5；調(diào)試工具和開發(fā)板有JTAG和SWD調(diào)試硬件。此外，還有很多第三方軟件和開發(fā)工具鏈供選擇，比如編譯器、調(diào)試器、RTOS和軟件庫等。

為增強(qiáng)市場領(lǐng)導(dǎo)力和增加客戶粘性，領(lǐng)先的MCU廠商也在積極構(gòu)建以自家MCU芯片為核心的生態(tài)，STM32 MCU生態(tài)就是一個典型。作為Arm Cortex 32位MCU和MPU的領(lǐng)導(dǎo)者，ST不但描繪和搭建了完整的STM32 MCU芯片開發(fā)線路圖，而且還為客戶和開發(fā)者提供了完善的學(xué)習(xí)、開發(fā)、測試和評估環(huán)境，比如STM32 Cube。

STM32 MCU生態(tài)還匯聚了很多第三方開發(fā)工具及合作伙伴，包括全球主要的云接入平臺；支持中國市場的主流RTOS，比如OneOS、TencentOS Tiny和RT-Thread；硬件開發(fā)工具有各種開發(fā)板和調(diào)試及燒錄工具；軟件開發(fā)工具有RT-Thread Studio等。

RISC-V和MCU

源于加州大學(xué)-伯克利分校的RISC-V最近幾年在全球開源硬件社區(qū)掀起了不小的風(fēng)波，大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、芯片廠商和互聯(lián)網(wǎng)巨頭紛紛采用和支持這一有希望與Arm抗衡的指令集架構(gòu)（ISA）。中國在獨立可控的微處理器開發(fā)之路上嘗試多年，但仍然受制于X86、MIPS和Arm等國際主流架構(gòu)，RISC-V燃起了國產(chǎn)CPU的新希望。倪光南、戴偉民和包云崗等學(xué)術(shù)和企業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)者都在積極推動以RISC-V為核心的開源硬件創(chuàng)新。

RISC-V現(xiàn)已得到全球范圍的支持和積極參與，除了專門負(fù)責(zé)RISC-V推廣的RISC-V國際基金會外，單在中國就有多家行業(yè)組織致力于推廣RISC-V和開源硬件，其中包括中國RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟，以及臺灣RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。支持RISC-V的全球廠商包括Intel、Google、英偉達(dá)、西部數(shù)據(jù)、高通、NXP、華為、阿里、中興和紫光展銳等。

目前專注于開發(fā)RISC-V內(nèi)核IP的廠商有SiFive、賽昉科技、芯來科技、阿里平頭哥和晶心科技等。這些IP廠商提供的RISC-V內(nèi)核IP有開源的，也有商用的，還有專為自己的芯片而開發(fā)的。從RISC-V芯片的應(yīng)用來看，從多達(dá)1000個內(nèi)核的高性能計算處理器，到超低功耗的單發(fā)射/二級流水線微處理器，都可以看到RISC-V?的身影。就RISC-V在微控制器（MCU）市場的應(yīng)用和發(fā)展來說，國內(nèi)已經(jīng)有多家MCU廠商開發(fā)出基于RISC-V內(nèi)核的MCU芯片。RISC-V MCU開發(fā)商包括兆易創(chuàng)新、沁恒微、樂鑫科技、博流智能、泰凌微電子、中微半導(dǎo)和航順等。

在MCU設(shè)計中，RISC-V內(nèi)核與Arm相比有哪些優(yōu)勢和劣勢呢？南京沁恒微電子技術(shù)總監(jiān)楊勇認(rèn)為，Arm經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，雖然比較成熟了，但其CPU架構(gòu)變得極為復(fù)雜，這點從其架構(gòu)文檔和指令數(shù)目復(fù)雜程度即可看出，同時還存在專利和架構(gòu)授權(quán)費用昂貴等問題。而RISC-V定位為完全開源，且架構(gòu)簡潔，模塊化的設(shè)計極大地方便客戶根據(jù)自己需求自由定制（從一開始就在規(guī)避Arm數(shù)十年發(fā)展中存在的問題）。但是，RISC-V發(fā)展時間還比較短，編譯器、開發(fā)工具等生態(tài)要素還在發(fā)展，不像Arm生態(tài)已經(jīng)比較成熟。

RT-Thread開發(fā)者生態(tài)運營總監(jiān)陳峰也認(rèn)同RISC-V的諸多優(yōu)勢，還特別強(qiáng)調(diào)RISC-V對MCU的價值。采用RISC-V指令集設(shè)計MCU可讓芯片廠商/開發(fā)者快速完成低門檻、低成本的芯片設(shè)計，并可針對特定應(yīng)用場景進(jìn)行定制化指令設(shè)計，具有很強(qiáng)的靈活性。但是，RISC-V相關(guān)的編譯器、工具鏈、IDE、OS支持等還不完善。此外，隨著越來越多的企業(yè)使用RISC-V架構(gòu)定制芯片，其碎片化問題也變得越發(fā)突顯。

如何構(gòu)建RISC-V MCU生態(tài)？

RISC-V要想在價值200億美元的MCU市場占據(jù)一席之地，就必須建立起健康的MCU生態(tài)，特別是在碎片化的新興IoT應(yīng)用市場。構(gòu)建RISC-V MCU生態(tài)面臨諸多挑戰(zhàn)，簡要列舉如下：

RISC-V處理器內(nèi)核混雜：開源、商用、自研RISC-V內(nèi)核都有，難以像Arm那樣形成統(tǒng)一生態(tài)；

RISC-V與Arm內(nèi)核的權(quán)衡：現(xiàn)有MCU廠商大都會選擇同時開發(fā)和支持Arm和RISC-V的MCU，而在通用型MCU市場上RISC-V可能難以獲得足夠的資源支持；

軟件和開發(fā)工具：相對Arm生態(tài)仍然不夠完善，功能、性能和易用性還有待提高；

開發(fā)者社區(qū)：培訓(xùn)教程、線下和網(wǎng)上交流會議、開發(fā)板和應(yīng)用方案都需要資源投入和持續(xù)維護(hù)；

開源硬件新模式：與開源軟件（比如Linux）不同，開源硬件需要芯片設(shè)計和流片成本，盈利模式還不清晰。

在MCU生態(tài)上，有哪些Arm MCU生態(tài)建設(shè)的成功經(jīng)驗值得RISC-V借鑒？除了前面提到的Arm和ST自己開發(fā)的開發(fā)工具外，吸引第三方商業(yè)軟件開發(fā)商支持也很重要。IAR Systems、Lauterbach和SEGGER現(xiàn)在都可以同時支持Arm和RISC-V。嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會秘書長何小慶認(rèn)為，RISC-V陣營應(yīng)該學(xué)習(xí)Arm積極參與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和標(biāo)準(zhǔn)制訂的做法。Arm?不僅是一家IP?公司，還是工具和軟件企業(yè)，而且積極參與各種產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和標(biāo)準(zhǔn)制訂。比如，最近Arm通過與多家汽車供應(yīng)鏈企業(yè)合作，推出新的軟件架構(gòu)和參考實現(xiàn)?— SOAFEE（Scalable Open Architecture for Embedded Edge）。

RT-Thread的陳峰站在OS的角度，為RISC-V開發(fā)商提出一些建議：1.?有更多讓用戶易獲得的RISC-V MCU芯片、評估板，能快速開發(fā)環(huán)境；2. RISC-V MCU芯片需要提供更多開放的驅(qū)動庫、示例代碼、應(yīng)用參考設(shè)計；3.?豐富的產(chǎn)品線滿足不同用戶需求。

RISC-V MCU的發(fā)展不一定走復(fù)制Arm?生態(tài)成功模式這一條路，?產(chǎn)業(yè)應(yīng)該思考，如何借鑒非Arm MCU?發(fā)展和生存之道。成功構(gòu)建RISC-V MCU生態(tài)需要哪些關(guān)鍵因素呢？受訪的幾位專家都一致認(rèn)為，積極合作是強(qiáng)壯生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。構(gòu)建RISC-V MCU生態(tài)需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的通力合作，提供更加易用、通用的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。在OS方面，RT-Thread在不斷支持和完善RISC-V MCU BSP，從最早的HiFive到RV32M1、GD32V103、AB32VG1、CH32V103、CH32V307到K210、全志D1，再到平頭哥玄鐵系列RISC-V處理器IP，RT-Thread均已支持。同時RT-Thread Studio集成開發(fā)環(huán)境（IDE）可讓用戶快速搭建RISC-V MCU的開發(fā)環(huán)境，大幅降低了應(yīng)用開發(fā)門檻。

對RISC-V IP和芯片設(shè)計廠商來說，需要遵守和使用RISC-V標(biāo)準(zhǔn)部分，在此之上進(jìn)行多元化發(fā)展特色，并能回饋上游社區(qū)。沁恒微的楊勇認(rèn)為，打鐵還需自身硬，各IC廠商也應(yīng)積極創(chuàng)新，以突出RISC-V模塊化、定制化的優(yōu)勢。例如，沁恒業(yè)界首創(chuàng)的RISC-V?高速2線調(diào)試、藍(lán)牙低功耗WFE指令的定制、代碼尺寸自定義壓縮指令、HPE硬件壓棧、VTF免表中斷等等。

RISC-V MCU的未來應(yīng)用增長點首先在于物聯(lián)網(wǎng)，端側(cè)AI和汽車芯片也是RISC-V未來可期待的應(yīng)用市場。從短期來看，主要應(yīng)該是工業(yè)控制等嵌入式領(lǐng)域的MCU，特別是有定制化需求的應(yīng)用場合。在此基礎(chǔ)上，隨著市場和RISC-V生態(tài)的發(fā)展，對性能要求較高的移動運算場合也是RISC-V的用武之地。

對于國產(chǎn)MCU廠商，如何激勵他們積極擁抱和推動RISC-V呢？多數(shù)國產(chǎn)MCU廠商對采用RISC-V 內(nèi)核還處在觀望狀態(tài)，少部分正在內(nèi)部自研或者在特定應(yīng)用產(chǎn)品上試用。主力推廣RISC-V芯片的國產(chǎn)MCU企業(yè)目前還比較少。何小慶認(rèn)為，激勵如果是來自外部，比如產(chǎn)業(yè)政策和政府支持，這些很難持久。真正的動力還需要來自國產(chǎn)MCU企業(yè)內(nèi)部，這樣國產(chǎn)RISC-V MCU發(fā)展之路才能走得穩(wěn)，走得長。雖然最近幾年國產(chǎn)MCU?在國產(chǎn)替代和應(yīng)用創(chuàng)新上有很大的突破，但在基礎(chǔ)硬/軟件技術(shù)和產(chǎn)品種類及關(guān)鍵系統(tǒng)應(yīng)用方案上，與國際頭部企業(yè)差距還很大。RISC-V的出現(xiàn)是縮短差距的良機(jī)，期待國產(chǎn)MCU?積極擁抱RISC-V。

楊勇補充道，在政治和商業(yè)大環(huán)境下（比如技術(shù)封鎖、國產(chǎn)替代、版權(quán)和專利等），積極創(chuàng)新是IC設(shè)計公司的活力源泉，開源的RISC-V是機(jī)會，也是平臺。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景比較碎片化，傳統(tǒng)通用型MCU難以滿足不同應(yīng)用場景定制化的需求，RISC-V可以讓國產(chǎn)MCU廠商實現(xiàn)自主可控、增加選擇靈活性、降低開發(fā)成本。例如，沁恒正通過RISC-V實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)閉環(huán)（指令集架構(gòu)、微架構(gòu)、外設(shè)、工具鏈等全鏈自研）以及商業(yè)閉環(huán)（開發(fā)的RISC-V MCU大批量商業(yè)化），讓RISC-V首先在嵌入式領(lǐng)域燃燒起來，然后帶動手機(jī)、服務(wù)器等領(lǐng)域全面蓬勃發(fā)展。

結(jié)語

在MCU應(yīng)用最廣的汽車電子和工業(yè)控制領(lǐng)域，幾乎都是Arm微處理器的天下?；赗ISC-V的MCU雖然不能直接跟Arm分庭抗禮，但可以在需要定制化的應(yīng)用細(xì)分市場分一杯羹，特別是在新興的碎片化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場。RISC-V對國產(chǎn)MCU廠商是一個難得的機(jī)會，但要整個MCU產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，需要產(chǎn)業(yè)鏈上各個環(huán)節(jié)聯(lián)合協(xié)作，完善和發(fā)展RISC-V MCU生態(tài)，這樣才能將這塊蛋糕做大，所有參與方都可以受益。

盡管構(gòu)建RISC-V MCU的生態(tài)面臨很多挑戰(zhàn)，但巨大的發(fā)展?jié)摿χ档脟L試，只要RISC-V社區(qū)和廠商愿意協(xié)作，一定能夠開創(chuàng)出RISC-V的一片“芯”天地來。

審核編輯：符乾江