开源硬件与MCU应用

作者/ 林金龙 北京大学 软件与微电子学院(北京 102600)

摘要：本文从六个方面探讨开源硬件及其对MCU产业的影响。

　　2016年是微控制器(MCU)发展40年，同时也是我国MCU发展30年。目前MCU已经应用到工业控制、家电和娱乐设备等多个产业，仅MCU的产值就达到数百亿美元规模。近年来，智能设备、物联网(IoT)以及开源硬件的发展为MCU提供了新的发展机遇。本文从六个方面探讨开源硬件及其对MCU产业的影响。

从OHS2016看开源硬件发展

　　2009年开始每年举办的开放硬件峰会(Open Hardware Summit, OHS)是开源硬件社区最重要的活动之一，常出现一些对开源硬件发展有影响的事件。2009年在纽约召开的第一届峰会上，成立了开放硬件设计联盟(Open Hardware and Design Alliance，OHANDA);2010年在纽约举办的第二届峰会上推出了开源硬件定义1.0草案;著名的开源硬件项目Arduino开发团队，在2011年峰会上展示了相关成果，峰会后成立了开源硬件协会(Open Source Hardware Association，OSWA);2012年的纽约峰会上讨论了开源硬件的商业模式。2013年纽约峰会关注开源硬件生态环境;2014年峰会移到罗马，首次离开美国;2015年的峰会也从纽约移到了费城。

　　2016年峰会于10月7日在美国波特兰举行。这次峰会得到34家厂商的赞助，图2中是主要赞助商。这些厂商中包括开源硬件项目创建者，开发平台和工具提供者，技术、生产以及法律等方面的服务者。其中包括Intel和Google这两家最具影响力的芯片和软件厂商。Intel积极参与并推动开源硬件活动，推出了兼容Arduino接口的Galileo板和开源IoT平台Curie;Google创建了开源计算机项目。赞助商中也有3D打印机、虚拟现实眼镜、医疗仪器等开源硬件项目创建者或产品提供商。另外，还有六家做网上PCB加工服务，两家做系统设计服务，一家做法律咨询服务。2016峰会上共有18个主题发言或展示，其中有7个人的演讲讨论开源硬件的一般性问题，如开源硬件的市场、生态系统、合作方式、开源硬件认证等;有六个开源硬件的应用，如用于老年人行动能力评测的开源医疗设备、开源乐器。最吸引人的是由波特兰的一些航天爱好者创建的开源火箭项目，可以直接从网站下载资料，自己制作火箭。

　　从OHS2016表明，开源硬件运动正受到愈来愈多的关注，众多的企业和爱好者不断加入其中，开源硬件产品逐步得到市场的认可与肯定。

什么是开源硬件

　　开源硬件最初由黑客(hacker)们发起，旨在已有硬件平台上增加新的功能或改变已有功能，后来逐渐演化成一种产品开发模式、一种理念。

　　1997年，BrucePerens制定了开放硬件(Open Hardware)认证规则，并注册了“Open Hardware”;2007年，Tucson业余无线电分组网(Tucson amateur packet radio，TAPR)授权了第一个开源硬件许可;2010年，发布了开源硬件定义OSHW1.0。2011年开源硬件协会成立(Open Source Hardware Association)。

　　根据OSHW1.0定义，开源硬件包括两个方面：(1)项目源文件向包括用户、其他制造商、其他设计商和销售商在内的所有人公开;(2)通过许可证的方式向使用者开放，不需要向最初设计者支付任何费用。目前的许可证版本已经到4.0(Attribution-ShareAlike 4.0 International)。

　　开源硬件要求公开硬件设计和制造涉及的所有源文件，包括硬件机械设计和加工图，原理以及电路设计图，元器件及材料清单，布线图，内核和固件代码，应用软件和应用接口库代码，开发工具。只要得到开放的源文件，可以完全复制原有产品，或者改进产品。

　　开源硬件不仅获得产业界的重视，也获得学术界的广泛关注。在ACM和IEEE两大学术论文数据库中以“OpenHardware” 和“OpenSourceHardware”为关键词检索到的论文数，与近年来学术界热点“DeepLearning”关键词相关的论文数相当。目前开源硬件项目有开源开发平台和开源应用。开源应用涉及的领域广泛，如3D打印机、可穿戴设备、传感器和医疗设备等。

　　开源硬件将会像开源软件一样取得成功。它将渐渐地改变产品的生态，改变MCU或嵌入式产品开发方式。传统的产品开发模式从获取需求、设计开发、组织生产、完全由企业自主组织。开源硬件产品将采取社区式的开发形式。开源社区中，根据在产品形成过程中所发挥的作用，把参与者分为四类角色：发起者、开发者、生产者和使用者。发起者创建一个新的开源硬件项目并完成最初的原型开发;开发者对项目进行完善、改进和增强，并贡献于项目;生产者从创建者和开发者获取授权，制造产品并进行销售，使用者是产品的用户。

　　在社区中，不同的角色可以相互转换，甚至可以多重角色集于一身。例如，用户可以利用开源资料和平台，改进和扩展所使用开源产品的功能，成为开发者;用户又可以制造、生产甚至销售产品，转换成生产者。开源社区参与者可以通过销售产品，技术咨询，技术培训等方式获得收益。

　　开源硬件使大众参与产品的设计与改进，将提高产品的质量。另外，由于省去了开发成本，缩短开发时间，可以降低生产者制造产品的成本。

开源硬件项目

　　目前开源硬件项目很多。开源中国社区列出了125个有影响的开源硬件开源软件项目，其中112项是开源硬件项目。开源硬件项目中有49项是开源硬件平台，55项是开源硬件产品或应用，8项是开源CPU核。

　　开源硬件平台中有最具代表性，也是最有影响力Arduino、Raspberry Pi、Beaglebone开发平台，也有在此基础上的演化而来的Microduino、BananaPi、Kiwiboard等;开源硬件应用中包括Robotcup、OpenRAVE、OpenHAND、Pibot等机器人项目，RepRap、Mamba3D等3D打印机项目，PX4、Mikrokopter、Ardupilot无人机相关项目，Project_Olympus开源服务器项目，OpenBCI脑机交互项目，Axion开源摄影机项目，Tabby开源汽车项目，等等，涉及到工业控制、消费电子、医疗以及、通信、计算机等领域;8个开源软核分别为：OpenCore, OpenRisc, Espruino, LEON,RISC-V, GPLCPU, MIAOW, OpenHPI。

　　虽然目前开源项目中平台所占的比重较大，但随着开源硬件应用项目增加，开源硬件产品覆盖的领域以及规模将不断拓展。产品将进入市场并得到用户接受，这也是开源硬件能否成功的关键。

开源硬件与MCU

　　开源硬件给MCU产业带来新的发展机遇和更大的发展空间。在第三部分开源中国社区列出的112项开源项目中65个项目采用了MCU。例如：市场规模最大的Arduino，最初采用的处理器是Atmel公司的AVR系列处理器;机器人项目Pibot则采用Arduino作为核心控制板。采用MCU或基于开源MCU控制板实现开源硬件产品，是开源物联网设备、开源控制器及其他开源智能产品开发的趋势。

　　开源项目使基于MCU的产品开发变得更加容易。

　　首先，简化产品开发过程。传统的开发过程是先有一个想法，然后做原理设计，再制版，同时在硬件上做软件开发，最后合成产品。在开源硬件环境下，开发过程完全改变了。可以不做电路设计和实现，直接用开源的开发平台，只要通过软件把想法实现，产品就出来了;也可以不做软件，直接修改硬件后利用现有软件实现新的产品。

　　其次，编程更加方便。由于MCU品种繁多差异较大，使用前需要阅读乏味的数据手册，掌握IO及内部寄存器的使用，在程序中还要直接对寄存器等进行操作，费时费力。开源硬件开发平台将MCU底层操作封装成标准访问接口，程序员可以不关心MCU的底层，提高程序开发效率。另外，一些开源硬件开发平台，提供图形化的编程工具，如：ArduBlock，通过图符号的拖拉就可以实现编程，非常简单。

　　最后，产品的实现更加快捷。开源硬件社区提供了丰富的资源，直接利用这些资源可以节省开发时间。

　　在开源硬件环境下，只会软件或只会硬件都可以实现自己的创意产品。甚至没有开发基础，只有创意，也可以实现自己的产品。开发门槛的降低，将吸引更多的人实现创意，极大地增加产品的种类和数量，从而导致对MCU需求的增长。

开源硬件在中国

　　由于丰富的人才资源、齐全的产业链、快速的加工服务，深圳已经成为全球创客的天堂。创客们汇聚深圳，大部分开源硬件产品也在这里生产，OHS2017也将在这里召开。

　　深圳企业也积极参与开源硬件活动。矽递科技(SEEED)是一家专注于开源硬件服务的企业，其开发开源硬件套件，面向全球市场;并发布了Beaglebone Green开发平台。SEEED也是在OHS2016上专题演讲的唯一中国企业。此外，深圳英蓓特也推广Raspberry Pi 和Beaglebone Balck开发平台;深圳四博智联公司发布并维护Espduino项目等。

　　在其他地方开源硬件项目和产品也在蓬勃发展。上海朗译电子科技是国内销售Arduino开发板最多的企业之一;广州比派科技发布了Banana Pi开发平台;北京美科科技发布了Microduino开源硬件平台。

　　开源硬件已经引入各个层次的教育实践。浙江把Arduino训练引入中学教学活动;上海电子职业学校将开源硬件技术引入电子实训课程的教学实践;北京大学用开源硬件平台进行嵌入式专业课程教学，并引导学生参加开源实践活动。培训机构已经开始基于开源硬件产品开发辅导。

　　与美国相比开源硬件发展较迟，但由于人才、配套等方面的优势，以及政府的支持，它将助力于我国产业的发展。

展望

　　开源硬件将来的发展的趋势包括三个方面：1.将来会实现产品的完全开源，器件设计文件到产品的外形结构，所有资料完全开放;2.将来一定有真正的开源产品形成大规模的市场。3.产品的演化真正在社区中完成。

参考文献：

　　[1]Alicia Gibb.开源硬件DIY[M].机械工业出版社,2016

　　[2]OSHWA[R/OL].http://www.oshwa.org

　　[3]开源中国社区[R/OL].http://www.oschina.net/project/tag/396/open?lang=0&os=0&sort=time&p=6

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第11期第21页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。