8051 进入32位时代，谁能成为下一个8051？

嵌入式微处理器内核领域的传奇人物六先生8051同志已经年届四十，以他为代表的深度嵌入式微处理器内核架构也在从8位时代向32位时代迁移。进入32位时代，谁能成为8051的接班人，统一深嵌领域的江湖？本文将与读者讨论这个有趣的话题。

1.1深度嵌入式领域背景介绍

在传统的计算机体系结构分类中，处理器应用分为三个区域:服务器区域、PC区域和嵌入式区域。

早期，服务器领域有许多不同的架构，但由于英特尔商业战略的成功，英特尔的x86处理器芯片几乎成为了这一领域的霸主。

PC领域本身几乎是靠Windows/Intel软硬件结合本身的发展来拓展的，所以x86架构无疑是目前PC领域的垄断者。

传统的嵌入式领域是指广泛的领域。所谓“嵌入式”，顾名思义，就是在很多芯片中，包含在其中的处理器和嵌入其中的处理器一样不为人知。嵌入式领域应用广泛，是除服务器和PC领域外处理器的主要应用领域。

近年来，随着各种新技术和新领域的进一步发展，嵌入式领域本身已经发展成为几个不同的子领域并有所区别:

首先，随着移动智能手机和手持设备的快速发展，移动领域逐渐发展成为一个规模堪比甚至超过PC的独立领域，主要由ARM的Cortex-A系列处理器架构垄断。因为移动域的处理器主要需要加载Linux操作系统，涉及到复杂的软件生态，所以对软件生态的依赖和PC域一样重。目前由于ARM Cortex-A系列已经取得了绝对的统治地位，其他处理器架构很难再进入这个领域。

其次是实时嵌入式领域，相对较少软件依赖，所以没有形成绝对垄断。但由于ARM处理器IP的成功商业推广，ARM处理器架构仍然占据了大部分市场份额，其他处理器架构如Synopsys ARC也有不错的市场成绩。

最后，更像上述传统嵌入式领域的深度嵌入式领域需求量很大。这种深度嵌入式领域往往注重低功耗、低成本、高能效比，不需要像Linux那样加载大型应用操作系统。软件往往需要定制裸机程序或者简单的实时操作系统，因此对软件生态的依赖度相对较低。所以很难在这个领域形成绝对垄断。但是由于ARM处理器IP的成功商业推广，ARM的Cortex-M处理器仍然占据了很大的市场份额，其他架构如台湾省的Synopsys ARC和Andes也表现的很好。

综上所述，由于移动领域已经上升为一个独立的分类领域，现在的嵌入式领域通常是指深度嵌入式领域或实时嵌入式领域。说到这里，我们不得不提到一位老六先生:8051内核。

1.2 8位时代的传奇六先生-8051

说起8051内核，几乎所有熟悉嵌入式领域的人都无所不知。作为一个诞生了几十年的微处理器核心，8051是8位嵌入式微处理器核心领域当之无愧的传奇六先生。

自1980年英特尔开发出面向嵌入式系统的英特尔MCS-51单片机以来，8051内核架构已经走过了近40年的历程。英特尔还以专利转让的形式将8051内核转让给了其他许多半导体公司，这些公司在8051内核的基础上进一步开发了不同类型的微控制器芯片，从而形成了一个庞大的8051家族。

由于几十年来发展的庞大用户群和生态环境，以及多年来被认可的众多成功产品，可以说8051内核几乎成为了8位微处理器内核的行业标杆。8051内核架构在1998年失去专利保护，经过长时间的战斗，再次显示出强大的二次生命力。各种形式的8051架构MCU(微控制器单元)进一步涌入市场，各种基于8051内核的芯片产品层出不穷。8051内核IP的各种免费版本也可以从各种渠道获得。

当然，因为8051内核没有统一的组织和标准管理，所以也存在一些问题，比如系统结构混乱，各种增强的复杂多样的问题。虽然他们经常自称8051内核，但其实是不一样的，很难区分。不过这并不影响8051核心的经典地位。今天，虽然微处理器内核正在经历向32位架构迁移的趋势，但8051内核仍然发挥着重要作用。在大量的MCU、数模混合芯片、SoC芯片中依然可以看到，而且在适合8位架构处理器内核的应用中还会继续使用8051内核很长一段时间。可以说廉颇老了。

8051内核之所以能在嵌入式领域取得如此成功的地位，可以归结为以下几个原因:

广为人知，架构简单。

没有知识产权的限制，有很多免费开源的版本，非常适合中小芯片公司。

庞大的用户群和相应的生态系统。

成熟自由的软件工具链支持。

尽管如此，作为诞生近40年的8位CISC(复杂指令集)架构内核，8051由于其低性能和有限的寻址范围，一直在努力适应更多的新应用领域。随着物联网的发展和兴起，虽然嵌入式领域对处理器内核的需求更加井喷，但更多采用32位架构，很多传统8位应用领域也开始向32位架构迁移。

1.3 IOT的崛起——32位时代的到来

物联网的概念其实并没有提出很久，应该说物联网是当今最热门的技术应用领域之一。即使过去一年流行AI的普及度更强，物联网也是AI的基础支撑技术。例如，以智能家居和智能城市为例，物联网终端设备支持和人工智能的边缘智能计算是两个非常重要的技术基础设施，物联网和人工智能呈现出互补和进一步加快发展的趋势。根据麦肯锡全球机构的最新报告，全球物联网市场预计在2025年前达到11万亿美元，这意味着到2025年物联网将有潜力达到全球经济的11%左右。

物联网的新兴应用需要使用性能更高的32位微处理器内核。以单片机为例，工业物联网、可穿戴设备、智能家居是目前单片机市场的主要驱动力，32位架构是目前推动单片机成长的重要领域。例如，以智能家居为例，智能家居中的一些应用需要更精确的测量和控制，更好的能效，更复杂的数学模型和运算，这就要求单片机的运算速度显著提高，以满足能耗和运算的需要。32位单片机具有较好的执行效率，能够满足很多物联网应用的数据处理能力要求，能够兼顾物联网的低功耗和高性能要求。据部分分析师介绍，根据2015年的统计，全球32位单片机出货量已经超过4/8/16位单片机的总和。

说到32位架构微处理器内核，很难绕过ARM Cortex-M这方面的同学。

1.4余和梁都是-arm cortex-m的独角戏

众所周知，ARM虽然基于ARM架构设计开发处理器内核，但其商业模式并不是直接生产处理器芯片，而是将许可证转让给作为知识产权供应商的合作伙伴。ARM的优势在于和众多合作伙伴建立了强大的ARM阵营。目前，世界上几乎大多数主流芯片公司都直接或间接使用ARM架构处理器。

图1 arm公司合作伙伴图

ARM Cortex-M内核是ARM公司推出的一套面向低功耗微控制器领域的32位RISC处理器IP，包括Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4(F)、Cortex-M7(F)、Cortex-M23、Cortex-M33(F)。如果Cortex-M4/M7/M33处理器包含硬件浮点运算单元(FPU)，它也称为Cortex-M4f/Cortex-M7f/Cortex-M33f。

cortex-m的应用场景没有Cortex-A系列(移动域应用处理器)那么辐射，但随着上述物联网的发展，Cortex-M的嵌入式应用领域需求量很大。2009年超低功耗32位处理器Cortex-M0问世后，成为芯片制造商的热点。短短9个月，15家厂商与ARM签约。到目前为止，Cortex-M3和Cortex-M0的总出货量已经超过200亿台，其中一半是过去几年的出货量，据说每30分钟的出货量可以达到25万台。

Cortex-M令人眼花缭乱的领域之一就是单片机。如上所述，随着物联网的发展，对单片机的需求大大增加。在ARM推出Cortex-M之前，全球几大单片机芯片公司大多采用8位和16位内核或者自己的32位架构内核。ARM推出Cortex-M后，迅速受到市场青睐。到目前为止，几乎各大单片机厂商都有使用ARM Cortex-M内核的产品线。虽然十大单片机厂商很多都使用了自己的架构，但是这些拥有自己架构处理器的单片机厂商却面临着市场萎缩的问题，很难坚持自己的架构处理器。比如瑞萨在工业控制领域推出了一批基于ARM Cortext内核的单片机。所以有一种声音说“未来Cortex-M系列单片机产品取代传统的8051或其他商用专有架构是大势所趋”。甚至有声音说:“未来的单片机产品将不再按照8位、16位、32位来划分，而是按照M0核、M3核、M4核等ARM核的类型来划分。”可以说32位单片机领域目前几乎成为ARM核心的独角戏。立于不败之地是多么孤独，作者不得不为不是ARM架构的商用处理器厂商感叹:对于好，对他好。

2016年7月，日本软银集团以约243亿英镑(约320亿美元)的溢价收购ARM，高达43%。软银高价收购ARM，是因为ARM正在成为智能硬件和物联网设备的标准。在收购ARM时，软银首席执行官孙正义曾表示:“这是我们历史上最重要的收购。软银集团正在抓住物联网带来的每一个机会。ARM符合软银的这个战略，期待ARM成为软银。物联网战略的重要支柱。”后来孙正义说:“未来20年，ARM架构芯片年出货量将达到1万亿，ARM可以立即收集所有实时数据。”。2017年6月，ARM宣布了Cortex-M3和Cortex-M0处理器的预许可免费计划。这意味着从那时起，ARM Cortex M系列的M0和M3处理器都免交前期许可费，但这并不意味着它们是完全免费的。大规模生产后，使用M0和M3的芯片仍然需要一个接一个地向ARM支付版税。

虽然32位单片机领域几乎成了ARM的独角戏，但由于嵌入式市场的多样性，32位嵌入式微处理器IP市场上还有其他处理器IP供应商，比如在嵌入式处理器IP市场份额排名第二的Synopsys ARC，同样表现突出。但相比ARM强大的生态系统，其他所有非ARM商用32位处理器都无法撼动ARM的垄断地位。看来ARM即将称霸世界，无疑会成为32位嵌入式处理器领域的下一个8051。吃瓜的人已经表示可以回家洗洗睡了。这时候RISC-V登场了。

1.5新生小牛-RISC-v

RISC-V架构主要是2010年由来自伯克利大学的Krste Asanovic等开发者发明的，得到了计算机架构领域的领军人物大卫帕特森的大力支持。伯克利的开发人员之所以发明了新的指令集架构，而不是使用成熟的x86或ARM架构，是因为这些架构经过多年的发展已经变得极其复杂和繁琐，而且存在很高的专利和架构许可问题。而且不支持修改ARM处理器的RTL代码，x86处理器的源代码是不可能获得的，而其他开源架构(比如SPARC，OpenRISC)或多或少都有问题。

感觉计算机架构和指令集架构已经发展的非常成熟几十年了，但是像伯克利这样的研究机构都没有找到适合自己使用的指令集架构，伯克利大学的教授和研究人员决定发明一种全新的、简单的、开放的、免费的指令集架构。然后RISC-V架构诞生了。RISC-V(英文发音为“risk-5”)是一种全新的指令集架构。“V”有两个意思。一个是伯克利从RISC I设计的第五代指令集架构，一个是代表Variation和Vectors。

经过几年的发展，伯克利大学已经为RISC-V架构开发了完整的软件工具链和几个开源处理器实例，受到了越来越多人的关注。

图2 RISC-V架构logo图

2016年是RISC-V正式开放开发的第一年。RISC-V基金会正式成立并开始运作。RISC-V基金会是一个非营利组织，负责维护标准RISC-V指令集手册和架构文档，并促进RISC-V架构的发展。RISC-V架构的目标是:

拥有

有很多免费的开源版本，非常适合中小芯片公司

没有

拥有

成熟自由的软件工具链支持

没有

拥有

表1 ARM Cortex-M和RISC-V与8051相比的成功因素

熟悉计算机体系结构的读者都知道，一个处理器核心体系结构的最终成功很大程度上取决于用户群体和软件生态环境。目前ARM Cortex-M已经取得了巨大的胜利，经过多年的运营，ARM建立了强大的联盟和广阔的软件生态环境，可以说是军需物资丰富，强大到武装到牙齿。

但是，如前一篇文章所述，在深度嵌入式领域，对软件的依赖度相对较低。而且RISC-V虽然资质很少，但其架构自开放以来在短时间内取得了惊人的发展速度。越来越多的公司和项目开始采用RISC-V架构处理器，相信RISC-V的软件生态会逐渐壮大。

另一方面，ARM作为商业架构下的处理器IP，有以下缺点:不能进行差异化定制，不具备可扩展性，受私有知识产权保护，需要支付商业许可费。这些缺点在开放式RISC-V架构中是不存在的，可以说是令人生畏的。但罗马毕竟不是一天建成的，作者认为RISC-V架构不可能在短时间内撼动ARM的地位。

商业巨头ARM会完全统治世界吗？还是自由斗士RISC-V会比较特别？32位时代的深度嵌入式领域，谁最终能成为下一个8051？似乎结局不明。吃瓜的人可能要看一段时间。

作者简介

胡振波，Marvell ARM架构高级CPU设计工程师，Synopsys and经理，Bitland R&D总监，拥有8年以上的ASIC和CPU设计经验。现就职于武汉聚信微电子。最近蜂鸟e200系列超低功耗RISC-V处理器内核开发开放。

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