通过瑞萨RA系列解决16位MCU平台的关键挑战构想

1.摘要

迄今为止，16位MCU在工业设备、家用电器和消费电子产品中发挥着至关重要的作用，承担着系统管理和传感器控制任务，同时助力实现低功耗和小型化。

然而随着嵌入式应用日益复杂化及全球需求加速增长，16位MCU的局限性日益凸显。这些制约因素包括：存储容量与可扩展性受限、软件开发效率降低、难以在客户产品线中部署统一平台。

根据市场趋势预测，16位MCU在2025年的市场份额将降至14%，到2029年进一步下滑至8%。而32位MCU的市场份额则有望从66%增长至80%（图1）。


图1. MCUTAM（GartnerTAM，2025年5月，非车规MCU）

然而这种转变并不意味着16位MCU需求将消失。其优势——优化外设功能、低功耗、紧凑性及简易性——仍不可或缺。这些需求预计将由低端32位MCU承接。

瑞萨电子推出的RA系列32位MCU中，定位于该系列低端的RA0系列，继承了瑞萨在16位MCU市场长期积累的领先优势。该系列为现有16位MCU用户提供了最佳迁移路径，在保持低功耗、小尺寸和成本效益的同时，实现向32位架构的平稳过渡。

2. 问题定义

根据2023嵌入式调查报告，当今嵌入式工程师面临多重压力：在满足性能要求的同时平衡开发周期与成本，保障调试和测试质量，添加新功能并提升能效（图2）。为应对这些挑战，众多开发者正采用基于软硬件复用的开发方法，实现不同产品变体与区域的资源共享（图3）。

图2. 嵌入式系统工程师面临的核心挑战（2023嵌入式调查报告）

图3. 嵌入式工程中的软硬件复用（2023年嵌入式调查）

迄今为止，16位MCU在工业设备、数据中心及家用电器/消费电子领域的系统控制、电源管理和传感器控制中发挥着重要作用，支持嵌入式系统的发展。然而随着应用复杂度提升和市场全球化加速，传统16位MCU的局限性日益凸显。

1. 可扩展性受限：
尽管在低功耗和功能优化方面表现出色，16位MCU难以应对日益复杂的控制需求、安全要求及其他新功能或性能提升。随着通过通用平台推动跨产品线模型扩展和开发效率的需求增长，架构和外设的不兼容已成为主要瓶颈。这导致难以快速适应新应用和进行长期系列开发。

2. 软件开发与人力资源效率低下：
· 为每款产品维护不同的软件开发规则、工具和环境，既削弱开发效率又损害质量一致性。
· 在全球化开发框架中，这导致可重用性降低、培训成本与维护负担增加、开发周期延长。
· 在当今市场环境下，不同区域和应用场景对快速定制化开发的需求日益迫切，此类低效现象会直接导致企业竞争力下降。

3. 持续的功耗优化需求：
在数据中心和工业设备中，即使微小的功耗效率差异也会显著影响整体运营成本。因此，全系统功耗优化比以往任何时候都更为关键。然而，传统16位MCU将优化分散在单个设备上，难以高效实现灵活先进的功耗管理功能。需要新的设计理念来实现更高控制精度和可扩展性，同时保持低功耗特性。
因此，尽管16位MCU的核心优势——低功耗、简易设计和功能优化——依然重要，但仅凭这些特性已无法满足下一代市场需求。
未来需要向新型架构转型，在继承这些优势的同时，实现更强的可扩展性、开发效率和低功耗。

3. 解决方案概述

为应对第二章所述挑战，嵌入式系统开发者日益需要以下能力：
1. 通过采用单一通用架构实现性能和外设功能的可扩展性，从而加速整个产品生命周期中的衍生产品开发。
示例：通用CPU架构、引脚兼容封装、外设功能可扩展性

2. 确保开发环境与软件编码方法的一致性，以提升代码复用性、训练效率及质量一致性，同时加速多站点并行开发
示例：统一HAL驱动程序+配置器，通用编码规范

3. 针对低端MCU，利用现有16位MCU资产（低功耗、功能优化、低成本），同时最大限度降低向32位平台迁移的风险。

示例：占用内存小的HAL驱动程序、针对低功耗优化的MCU

该方法的具体实施案例是瑞萨电子的 RA 系列。

• RA 系列是基于 Arm® Cortex® 核心的 32 位 MCU 系列，包括五个系列：RA0、RA2、RA4、RA6 和 RA8。RA0系列运行频率为32MHz，而RA8系列最高可达1GHz。该系列产品线覆盖广泛应用场景，既可作为紧凑型电池供电传感器系统的子MCU，也能实现复杂计算的高性能嵌入式解决方案。从RA0到RA8的可扩展性产品配置，支持用户长期产品开发（图4）。

图4. RA系列产品组合

• RA系列采用的灵活软件包（FSP）提供了统一的软件架构和配置流程（图5）。通过在所有系列中实现一致的开发方法和用户体验，该方案显著提升了开发效率。这种一致性为跨地域工程团队带来多重优势：促进标准化开发流程、简化工程师培训、提升未来软件可维护性与可扩展性，并确保更高且更统一的软件质量。

图5. 灵活软件包（FSP）包含的RA系列HAL驱动程序

• RA0系列支持功能优化版HAL驱动程序，其性能等效于16位MCU，具备低功耗特性（图6）及全外设功能的小内存占用。这使现有16位MCU用户能充分利用既有开发经验，成为考虑向32位MCU迁移的用户的最佳切入点。


图6. RA0系列待机电流（SRAM保持） 

4. 实现细节

• FSP在RA0至RA8系列中贯彻一致的API设计理念。RA0系列通过外设优化提升HAL驱动程序的易用性与内存效率，同时借助抽象化的HAL/API层保持软件可读性与可移植性（图7）。这使用户能够借助RA系列实现无缝软件开发与可扩展的模型部署（图8）。

图7. 计时器驱动程序中的函数分类与命名示例

图8. RA系列可扩展性示例

• RA0系列实现了与16位MCU相当的功耗水平。通过结合软件待机和Snooze模式等低功耗模式，最大限度缩短CPU唤醒时间，将设备功耗降至最低。这有助于延长小型设备的电池寿命，并优化工业设备和数据中心的散热设计。

为具体展示RA0系列的低功耗特性，我们以燃气表管理系统为例说明其工作原理。图9展示了构成超声波燃气表的传感器、MCU及通信模块系统架构，图10则呈现了RA0系列实现的低功耗运行顺序。如图9所示，RA0系列在超声波燃气表等电池供电的传感器应用中充分展现其低功耗特性。该系统中，超声波流量传感器每2秒通过UART向MCU传输14字节数据。MCU处于休眠模式，检测到接收起始位后自动唤醒。接收数据后，CPU短暂执行主动操作发送应答确认，并将采集数据存储于RAM。随后每10分钟汇总流量数据并传输至云端。如图10所示，RA0系列在软件待机模式下实现典型值0.2μA的极低待机电流。即使在休眠模式（UART + DTC）下，电流消耗也仅约700 µA；而在活动操作期间，典型值控制在2.7 mA（32 MHz工作频率）。平均此工作周期，平均电流消耗低于20 µA。使用19 Ah锂电池时，可实现超过10年的电池寿命。（注：各电流消耗值基于RA0E1组的电气特性参考值，实际工作条件下可能存在差异。）

由此，RA0系列实现超低功耗运行，为电池供电的智能电表和传感节点等节能应用提供理想解决方案。

图9. 燃气表管理系统

图10. RA0系列实现低功耗传感器数据采集

5. 成果/效益

• RA系列通过RA0至RA8的升级路径及FSP提供的通用开发环境，实现高效快速的功能扩展与全球化平台部署。
• 作为 RA 系列中的低端产品，RA0 系列在保持 16 位 MCU 优势的同时，实现了向 32 位 MCU 的无缝迁移。它在电池供电应用、工业设备和数据中心中实现了低功耗，有助于降低功耗。

6. 结论/未来展望

RA系列为新一代32位开发提供卓越的解决方案。其中RA0系列尤其适合作为16位MCU用户的理想切入点，使其在延续"低功耗、小尺寸、低成本"既有优势的同时，享受32位MCU的 性能、开发效率及可扩展性。

RA系列广泛支持工业设备、数据中心及消费市场应用，标志着构建未来嵌入式系统发展基础的战略性第一步。