全栈MCU：这种玩法太有竞争力了
在MCU生态发展大会上，小编听到一个“全栈MCU”概念！
小编印象中，MCU设计分为上游的IP供应商和下游的MCU芯片公司。IP公司专业研究各种技术复杂、较难设计的IP模块，例如处理器IP和PHY等专业模拟接口IP；MCU芯片公司则采购处理器IP并加上其它自研的UART、ADC等常规模块，实现芯片整合，类似于PC机的产业分工。大家熟知的32F103和32F407等高性能MCU多数是购买ARM处理器IP、外置PHY或者购买第三方IP授权。
而“全栈MCU”说是处理器内核自己搞、蓝牙和USB高速PHY及以太网PHY这种专业接口IP也是自家研发、连蓝牙和以太网络协议栈及驱动程序也是自有的，完全用不着第三方IP，号称能节省第三方IP的授权费和每只芯片的IP提成费若干，能更实时响应中断和降低功耗，提升传输距离和速度。
带着疑问，小编采访了沁恒微电子公司的产品总监王晓峰。
王晓峰介绍，沁恒也用第三方IP，提成费用可以接受，行业做法是这部分费用增加到芯片成本，最终由用户买单，就是觉得不够灵活，没有“内核自由”，没法针对应用进行适配和整体优化，而且多方IP整合时存在资源浪费。后来一种架构更先进的RISC-V指令集出现，沁恒遂在原8位微处理器内核研发团队基础上扩建，投入32位RISC-V微处理内核研究，并于2020年首家推出基于自研RISC-V内核的通用MCU，型号是CH32V103，当时RISC-V内核的通用MCU在全球仅有一两家，是购买第三方IP整合的。
近年来RISC-V发展势头迅猛，生态越发成熟，MCU玩家成倍增加。现阶段大部分MCU厂家已经可以实现基本外设自研、内核国产可控。下一阶段比较难，是连内核也自研。王晓峰说，沁恒早期选择了一条最困难、最费时的处理器自研路线，现在看来，是非常值得的。他说，RISC-V不在于节省第三方IP的授权费和每只芯片的提成费，而在于掌握核心技术，便于与应用结合提升专业性，实现真正的处理器内核级别的自主可控，担负起对客户的长期保供承诺。毕竟百年大厦不能建在别人的沙滩上，PC机的发展历程历历在目，组装兼容机的电脑城几乎消失在历史进程中。
王晓峰说，换成新架构的RISC-V内核后功耗更省、响应更快，这只是基础。WCH的核心竞争力还在于多年积累的连接技术，包括自研的USB高速PHY、以太网PHY、蓝牙收发器等专业接口IP，以及基带算法和网络协议栈，构建了物理层收发器+逻辑层控制器及基带+软件层协议栈的专业级垂直全链IP，加上处理器IP，打造出连接型/互联型/无线型的全栈MCU。
这种内部整合处理器、控制器、收发器、协议栈的“全栈MCU”相比多方购买IP整合、相比单提供物理层的第三方IP，具有更好的软硬件协同性，其内在结合、自成一体、各模块之间兼容性更好，表现为性能强、距离远、功耗低、响应快、体积小、成本低，具体来说。
1、全栈MCU相比外置PHY提升高频高速性能。举例来说，32F107虽然定位于互联型MCU，但是只有12Mbps全速USB、不支持480Mbps高速USB，32F107仅有以太网MAC、需外置以太网PHY；定位更高端的32F407和32F767也需外置以太网PHY和USB收发器，而且占用21个引脚。以USB为例，即使按手册加了外置的ULPI的USB收发器，实测速度仍然比全栈MCU的CH32V307低了很多。
2、全栈MCU的自研PHY相比第三方IP增加传输距离。基于IP级USB技术，沁恒自研PHY并优化，合并共用模块、创建模块间快捷通道、垂直全链紧密衔接，将传输距离提升到了USB规范的两倍。自研的垂直全链IP还能确保更好的软硬件兼容性和协同性，网络协议栈和驱动程序适配了国内外各大主流操作系统和平台。
3、降低运行功耗。CH32V203与CH32F203存储和外设资源相同，但前者采用青稞RISC-V微处理器，实测运行功耗会比后者低20%，CH32V103与32F103资源差不多，实测运行功耗会比后者低30%。这种功耗优化得益于RISC-V架构更新和自研处理器时的内核级优化，不放过每一处可以优化的地方，而如果购买第三方的处理器IP，原则上不能改动，当然也不敢贸然改动那么复杂的处理器，就算想比公版设计降低5%都不容易做到。另外，动态功耗主要由高频信号线上的电容在高低电平切换时充放电造成，内置PHY的引脚电容只是外置PHY的10%以下，故整体功耗低。
4、青稞微处理器首家支持WFE低功耗睡眠指令。其实ARM架构有WFE指令，但RISC-V最初不支持，原因是官方标准没有定义，导致睡眠响应略差，睡眠功耗偏大。沁恒多年研究低功耗的BLE蓝牙MCU芯片，最早注意到这个应用需求，对自研的内核进行扩展优化，在首版青稞微处理器中就支持了WFE指令，降低了睡眠唤醒的功耗。
5、内核级优化提升实时中断响应。沁恒在设计USB3.0等高速芯片时，面对数据量大、状态和控制灵活且多的情况，前者采用高带宽多层DMA自动处理，后者则需要深入微处理器内核改进中断控制器及流程，基于HPE和VTF技术创新解决方案，最终得到更快速的实时中断响应，相比当时的第三方RISC-V提速到3倍，相比经典32位MCU提速到1.6倍。这样对于对于高性能工业应用，可以获得更快的中断响应和实时处理。
6、首创RISC-V高速2线调试接口。在CH32V103面市之前，主要RISC-V处理器IP的调试方案是低速的4线调试接口，萝卜快了不洗泥，终端用户体验不佳。而沁恒在首版青稞微处理器中就提供2线调试接口，相比当时的4线调试接口提速到3.8倍并节省一半引脚，引导了RISC-V通用MCU采用2线调试接口的潮流。
7、全栈MCU相比外置PHY节省I/O引脚，减小芯片体积和节省封装费，减少PCB走线降低整机EMI，紧密结合的单芯片架构还能明显降低整体功耗。
8、既兼容又扩展。出于生态兼容、降低学习成本、产品开发延续性考虑，通常用户会优先选择x86、ARM、RISC-V、8051等主流指令集。青稞处理器支持RISC-V标准指令集，支持业界主流操作系统和主要RISC-V IDE，用户可享受主流的RISC-V开放成熟生态。同时，WCH深入研究应用需求，扩展了一些有价值的新指令，配套MRS开发工具，发挥更佳性能。青稞处理器提供内核手册，能够长期直接响应用户的内核级需求，不至于链接到第三方IP供应商那里。类似地，USB和以太网PHY也是既支持业界标准，又扩展了距离或其它性能。结构上32V208则是基于F103、F107扩展了蓝牙。
王晓峰说，处理器IP和高速接口IP确实复杂，需要专业经验和多年研发，不然MCU芯片公司也不会心甘情愿向IP公司付费。做全栈MCU，得定位成IP级芯片公司，是很难，但这是沁恒工程师的专业追求。第三方IP比较成熟，标准设计，无法针对应用优化；而且各PHY IP形状不一、衔接不便、可能浪费面积增加成本。
我们有些工程师可能有强迫症，看到可以提升30%速度、看到可以降低20%功耗、看到可以帮客户节约15%成本，就坚定不移的去优化改进，谁也不忍心阻止他的进取。有个工程师在研究以太网MCU芯片时，注意到常用的网络协议栈编译后目标代码较大，分析其汇编程序，发现大量的字节和半字的读写指令，随即反馈给处理器IP设计团队，研究多种应用的共性需求，最终在青稞V4内核中扩展了字节和半字压缩指令，提升了代码密度，属RISC-V MCU业界首家。
类似情况很多，不满足于基本款，不坐在办公室里闭门造车设计IP，而是了解并研究应用，在应用中发现新需求，再深入芯片架构底层进行适配优化和改进，让产品更趋完善，将技术创新转换为客户的价值，为客户带来便利！
当前大部分8位MCU并没有用第三方微处理器IP，我们认为全栈MCU不算是新玩法，当条件成熟，业界都打算自研32位微处理器、自研PHY等高速接口IP并提供协议栈时，自然就都是全栈MCU，现阶段下，全栈MCU只是一种基于趋势的选择！
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