作者/ 林金龍 北京大學 軟件與微電子學院(北京 102600)

摘要：本文從六個方面探討開源硬件及其對MCU產業的影響。

　　2016年是微控制器(MCU)發展40年，同時也是我國MCU發展30年。目前MCU已經應用到工業控制、家電和娛樂設備等多個產業，僅MCU的產值就達到數百億美元規模。近年來，智能設備、物聯網(IoT)以及開源硬件的發展為MCU提供了新的發展機遇。本文從六個方面探討開源硬件及其對MCU產業的影響。

從OHS2016看開源硬件發展

　　2009年開始每年舉辦的開放硬件峰會(Open Hardware Summit, OHS)是開源硬件社區最重要的活動之一，常出現一些對開源硬件發展有影響的事件。2009年在紐約召開的第一屆峰會上，成立了開放硬件設計聯盟(Open Hardware and Design Alliance，OHANDA);2010年在紐約舉辦的第二屆峰會上推出了開源硬件定義1.0草案;著名的開源硬件項目Arduino開發團隊，在2011年峰會上展示了相關成果，峰會后成立了開源硬件協會(Open Source Hardware Association，OSWA);2012年的紐約峰會上討論了開源硬件的商業模式。2013年紐約峰會關注開源硬件生態環境;2014年峰會移到羅馬，首次離開美國;2015年的峰會也從紐約移到了費城。

　　2016年峰會于10月7日在美國波特蘭舉行。這次峰會得到34家廠商的贊助，圖2中是主要贊助商。這些廠商中包括開源硬件項目創建者，開發平臺和工具提供者，技術、生產以及法律等方面的服務者。其中包括Intel和Google這兩家最具影響力的芯片和軟件廠商。Intel積極參與并推動開源硬件活動，推出了兼容Arduino接口的Galileo板和開源IoT平臺Curie;Google創建了開源計算機項目。贊助商中也有3D打印機、虛擬現實眼鏡、醫療儀器等開源硬件項目創建者或產品提供商。另外，還有六家做網上PCB加工服務，兩家做系統設計服務，一家做法律咨詢服務。2016峰會上共有18個主題發言或展示，其中有7個人的演講討論開源硬件的一般性問題，如開源硬件的市場、生態系統、合作方式、開源硬件認證等;有六個開源硬件的應用，如用于老年人行動能力評測的開源醫療設備、開源樂器。最吸引人的是由波特蘭的一些航天愛好者創建的開源火箭項目，可以直接從網站下載資料，自己制作火箭。

　　從OHS2016表明，開源硬件運動正受到愈來愈多的關注，眾多的企業和愛好者不斷加入其中，開源硬件產品逐步得到市場的認可與肯定。

什么是開源硬件

　　開源硬件最初由黑客(hacker)們發起，旨在已有硬件平臺上增加新的功能或改變已有功能，后來逐漸演化成一種產品開發模式、一種理念。

　　1997年，BrucePerens制定了開放硬件(Open Hardware)認證規則，并注冊了“Open Hardware”;2007年，Tucson業余無線電分組網(Tucson amateur packet radio，TAPR)授權了第一個開源硬件許可;2010年，發布了開源硬件定義OSHW1.0。2011年開源硬件協會成立(Open Source Hardware Association)。

　　根據OSHW1.0定義，開源硬件包括兩個方面：(1)項目源文件向包括用戶、其他制造商、其他設計商和銷售商在內的所有人公開;(2)通過許可證的方式向使用者開放，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到4.0(Attribution-ShareAlike 4.0 International)。

　　開源硬件要求公開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，布線圖，內核和固件代碼，應用軟件和應用接口庫代碼，開發工具。只要得到開放的源文件，可以完全復制原有產品，或者改進產品。

　　開源硬件不僅獲得產業界的重視，也獲得學術界的廣泛關注。在ACM和IEEE兩大學術論文數據庫中以“OpenHardware” 和“OpenSourceHardware”為關鍵詞檢索到的論文數，與近年來學術界熱點“DeepLearning”關鍵詞相關的論文數相當。目前開源硬件項目有開源開發平臺和開源應用。開源應用涉及的領域廣泛，如3D打印機、可穿戴設備、傳感器和醫療設備等。

　　開源硬件將會像開源軟件一樣取得成功。它將漸漸地改變產品的生態，改變MCU或嵌入式產品開發方式。傳統的產品開發模式從獲取需求、設計開發、組織生產、完全由企業自主組織。開源硬件產品將采取社區式的開發形式。開源社區中，根據在產品形成過程中所發揮的作用，把參與者分為四類角色：發起者、開發者、生產者和使用者。發起者創建一個新的開源硬件項目并完成最初的原型開發;開發者對項目進行完善、改進和增強，并貢獻于項目;生產者從創建者和開發者獲取授權，制造產品并進行銷售，使用者是產品的用戶。

　　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，用戶可以利用開源資料和平臺，改進和擴展所使用開源產品的功能，成為開發者;用戶又可以制造、生產甚至銷售產品，轉換成生產者。開源社區參與者可以通過銷售產品，技術咨詢，技術培訓等方式獲得收益。

　　開源硬件使大眾參與產品的設計與改進，將提高產品的質量。另外，由于省去了開發成本，縮短開發時間，可以降低生產者制造產品的成本。

開源硬件項目

　　目前開源硬件項目很多。開源中國社區列出了125個有影響的開源硬件開源軟件項目，其中112項是開源硬件項目。開源硬件項目中有49項是開源硬件平臺，55項是開源硬件產品或應用，8項是開源CPU核。

　　開源硬件平臺中有最具代表性，也是最有影響力Arduino、Raspberry Pi、Beaglebone開發平臺，也有在此基礎上的演化而來的Microduino、BananaPi、Kiwiboard等;開源硬件應用中包括Robotcup、OpenRAVE、OpenHAND、Pibot等機器人項目，RepRap、Mamba3D等3D打印機項目，PX4、Mikrokopter、Ardupilot無人機相關項目，Project_Olympus開源服務器項目，OpenBCI腦機交互項目，Axion開源攝影機項目，Tabby開源汽車項目，等等，涉及到工業控制、消費電子、醫療以及、通信、計算機等領域;8個開源軟核分別為：OpenCore, OpenRisc, Espruino, LEON,RISC-V, GPLCPU, MIAOW, OpenHPI。

　　雖然目前開源項目中平臺所占的比重較大，但隨著開源硬件應用項目增加，開源硬件產品覆蓋的領域以及規模將不斷拓展。產品將進入市場并得到用戶接受，這也是開源硬件能否成功的關鍵。

開源硬件與MCU

　　開源硬件給MCU產業帶來新的發展機遇和更大的發展空間。在第三部分開源中國社區列出的112項開源項目中65個項目采用了MCU。例如：市場規模最大的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或基于開源MCU控制板實現開源硬件產品，是開源物聯網設備、開源控制器及其他開源智能產品開發的趨勢。

　　開源項目使基于MCU的產品開發變得更加容易。

　　首先，簡化產品開發過程。傳統的開發過程是先有一個想法，然后做原理設計，再制版，同時在硬件上做軟件開發，最后合成產品。在開源硬件環境下，開發過程完全改變了。可以不做電路設計和實現，直接用開源的開發平臺，只要通過軟件把想法實現，產品就出來了;也可以不做軟件，直接修改硬件后利用現有軟件實現新的產品。

　　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行操作，費時費力。開源硬件開發平臺將MCU底層操作封裝成標準訪問接口，程序員可以不關心MCU的底層，提高程序開發效率。另外，一些開源硬件開發平臺，提供圖形化的編程工具，如：ArduBlock，通過圖符號的拖拉就可以實現編程，非常簡單。

　　最后，產品的實現更加快捷。開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發時間。

　　在開源硬件環境下，只會軟件或只會硬件都可以實現自己的創意產品。甚至沒有開發基礎，只有創意，也可以實現自己的產品。開發門檻的降低，將吸引更多的人實現創意，極大地增加產品的種類和數量，從而導致對MCU需求的增長。

開源硬件在中國

　　由于豐富的人才資源、齊全的產業鏈、快速的加工服務，深圳已經成為全球創客的天堂。創客們匯聚深圳，大部分開源硬件產品也在這里生產，OHS2017也將在這里召開。

　　深圳企業也積極參與開源硬件活動。矽遞科技(SEEED)是一家專注于開源硬件服務的企業，其開發開源硬件套件，面向全球市場;并發布了Beaglebone Green開發平臺。SEEED也是在OHS2016上專題演講的唯一中國企業。此外，深圳英蓓特也推廣Raspberry Pi 和Beaglebone Balck開發平臺;深圳四博智聯公司發布并維護Espduino項目等。

　　在其他地方開源硬件項目和產品也在蓬勃發展。上海朗譯電子科技是國內銷售Arduino開發板最多的企業之一;廣州比派科技發布了Banana Pi開發平臺;北京美科科技發布了Microduino開源硬件平臺。

　　開源硬件已經引入各個層次的教育實踐。浙江把Arduino訓練引入中學教學活動;上海電子職業學校將開源硬件技術引入電子實訓課程的教學實踐;北京大學用開源硬件平臺進行嵌入式專業課程教學，并引導學生參加開源實踐活動。培訓機構已經開始基于開源硬件產品開發輔導。

　　與美國相比開源硬件發展較遲，但由于人才、配套等方面的優勢，以及政府的支持，它將助力于我國產業的發展。

展望

　　開源硬件將來的發展的趨勢包括三個方面：1.將來會實現產品的完全開源，器件設計文件到產品的外形結構，所有資料完全開放;2.將來一定有真正的開源產品形成大規模的市場。3.產品的演化真正在社區中完成。

參考文獻：

　　[1]Alicia Gibb.開源硬件DIY[M].機械工業出版社,2016

　　[2]OSHWA[R/OL].http://www.oshwa.org

　　[3]開源中國社區[R/OL].http://www.oschina.net/project/tag/396/open?lang=0&os=0&sort=time&p=6

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第11期第21頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。