1.  摘要

迄今為止，16位MCU在工業設備、家用電器和消費電子產品中發揮著至關重要的作用，承擔著系統管理和傳感器控制任務，同時助力實現低功耗和小型化。

然而隨著嵌入式應用日益復雜化及全球需求加速增長，16位MCU的局限性日益凸顯。這些制約因素包括：存儲容量與可擴展性受限、軟件開發效率降低、難以在客戶產品線中部署統一平臺。

 

根據市場趨勢預測，16位MCU在2025年的市場份額將降至14%，到2029年進一步下滑至8%。而32位MCU的市場份額則有望從66%增長至80%（圖1）。

  

圖1. MCUTAM（GartnerTAM，2025年5月，非車規MCU）

 

然而這種轉變并不意味著16位MCU需求將消失。其優勢——優化外設功能、低功耗、緊湊性及簡易性——仍不可或缺。這些需求預計將由低端32位MCU承接。

 

瑞薩電子推出的RA系列32位MCU中，定位于該系列低端的RA0系列，繼承了瑞薩在16位MCU市場長期積累的領先優勢。該系列為現有16位MCU用戶提供了最佳遷移路徑，在保持低功耗、小尺寸和成本效益的同時，實現向32位架構的平穩過渡。 

 

 

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2.  問題定義

根據2023嵌入式調查報告，當今嵌入式工程師面臨多重壓力：在滿足性能要求的同時平衡開發周期與成本，保障調試和測試質量，添加新功能并提升能效（圖2）。為應對這些挑戰，眾多開發者正采用基于軟硬件復用的開發方法，實現不同產品變體與區域的資源共享（圖3）。

圖2. 嵌入式系統工程師面臨的核心挑戰（2023嵌入式調查報告）

 

圖3. 嵌入式工程中的軟硬件復用（2023年嵌入式調查）

迄今為止，16位MCU在工業設備、數據中心及家用電器/消費電子領域的系統控制、電源管理和傳感器控制中發揮著重要作用，支持嵌入式系統的發展。然而隨著應用復雜度提升和市場全球化加速，傳統16位MCU的局限性日益凸顯。

1.     可擴展性受限：

盡管在低功耗和功能優化方面表現出色，16位MCU難以應對日益復雜的控制需求、安全要求及其他新功能或性能提升。隨著通過通用平臺推動跨產品線模型擴展和開發效率的需求增長，架構和外設的不兼容已成為主要瓶頸。這導致難以快速適應新應用和進行長期系列開發。

 

2.     軟件開發與人力資源效率低下：

為每款產品維護不同的軟件開發規則、工具和環境，既削弱開發效率又損害質量一致性。
在全球化開發框架中，這導致可重用性降低、培訓成本與維護負擔增加、開發周期延長。
在當今市場環境下，不同區域和應用場景對快速定制化開發的需求日益迫切，此類低效現象會直接導致企業競爭力下降。

 3.     持續的功耗優化需求：

在數據中心和工業設備中，即使微小的功耗效率差異也會顯著影響整體運營成本。因此，全系統功耗優化比以往任何時候都更為關鍵。然而，傳統16位MCU將優化分散在單個設備上，難以高效實現靈活先進的功耗管理功能。需要新的設計理念來實現更高控制精度和可擴展性，同時保持低功耗特性。

因此，盡管16位MCU的核心優勢——低功耗、簡易設計和功能優化——依然重要，但僅憑這些特性已無法滿足下一代市場需求。

未來需要向新型架構轉型，在繼承這些優勢的同時，實現更強的可擴展性、開發效率和低功耗。

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3.  解決方案概述

為應對第二章所述挑戰，嵌入式系統開發者日益需要以下能力：

1.     通過采用單一通用架構實現性能和外設功能的可擴展性，從而加速整個產品生命周期中的衍生產品開發。

示例：通用CPU架構、引腳兼容封裝、外設功能可擴展性

 

2.     確保開發環境與軟件編碼方法的一致性，以提升代碼復用性、訓練效率及質量一致性，同時加速多站點并行開發

示例：統一HAL驅動程序+配置器，通用編碼規范

 

3.     針對低端MCU，利用現有16位MCU資產（低功耗、功能優化、低成本），同時最大限度降低向32位平臺遷移的風險。

示例：占用內存小的HAL驅動程序、針對低功耗優化的MCU

該方法的具體實施案例是瑞薩電子的 RA 系列。

• RA      系列是基于      Arm? Cortex? 核心的 32 位 MCU 系列，包括五個系列：RA0、RA2、RA4、RA6 和      RA8。RA0系列運行頻率為32MHz，而RA8系列最高可達1GHz。該系列產品線覆蓋廣泛應用場景，既可作為緊湊型電池供電傳感器系統的子MCU，也能實現復雜計算的高性能嵌入式解決方案。從RA0到RA8的可擴展性產品配置，支持用戶長期產品開發（圖4）。

  

圖4. RA系列產品組合

• RA系列采用的靈活軟件包（FSP）提供了統一的軟件架構和配置流程（圖5）。通過在所有系列中實現一致的開發方法和用戶體驗，該方案顯著提升了開發效率。這種一致性為跨地域工程團隊帶來多重優勢：促進標準化開發流程、簡化工程師培訓、提升未來軟件可維護性與可擴展性，并確保更高且更統一的軟件質量。

圖5. 靈活軟件包（FSP）包含的RA系列HAL驅動程序

 

 

• RA0系列支持功能優化版HAL驅動程序，其性能等效于16位MCU，具備低功耗特性（圖6）及全外設功能的小內存占用。這使現有16位MCU用戶能充分利用既有開發經驗，成為考慮向32位MCU遷移的用戶的最佳切入點。

 

 

圖6. RA0系列待機電流（SRAM保持） 

 

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4.  實現細節

 

·       FSP在RA0至RA8系列中貫徹一致的API設計理念。RA0系列通過外設優化提升HAL驅動程序的易用性與內存效率，同時借助抽象化的HAL/API層保持軟件可讀性與可移植性（圖7）。這使用戶能夠借助RA系列實現無縫軟件開發與可擴展的模型部署（圖8）。

 

 

圖7. 計時器驅動程序中的函數分類與命名示例

 

 

圖8. RA系列可擴展性示例

 

 

·       RA0系列實現了與16位MCU相當的功耗水平。通過結合軟件待機和Snooze模式等低功耗模式，最大限度縮短CPU喚醒時間，將設備功耗降至最低。這有助于延長小型設備的電池壽命，并優化工業設備和數據中心的散熱設計。

為具體展示RA0系列的低功耗特性，我們以燃氣表管理系統為例說明其工作原理。圖9展示了構成超聲波燃氣表的傳感器、MCU及通信模塊系統架構，圖10則呈現了RA0系列實現的低功耗運行順序。如圖9所示，RA0系列在超聲波燃氣表等電池供電的傳感器應用中充分展現其低功耗特性。該系統中，超聲波流量傳感器每2秒通過UART向MCU傳輸14字節數據。MCU處于休眠模式，檢測到接收起始位后自動喚醒。接收數據后，CPU短暫執行主動操作發送應答確認，并將采集數據存儲于RAM。隨后每10分鐘匯總流量數據并傳輸至云端。如圖10所示，RA0系列在軟件待機模式下實現典型值0.2μA的極低待機電流。即使在休眠模式（UART + DTC）下，電流消耗也僅約700 μA；而在活動操作期間，典型值控制在2.7 mA（32 MHz工作頻率）。平均此工作周期，平均電流消耗低于20 μA。使用19 Ah鋰電池時，可實現超過10年的電池壽命。（注：各電流消耗值基于RA0E1組的電氣特性參考值，實際工作條件下可能存在差異。） 

由此，RA0系列實現超低功耗運行，為電池供電的智能電表和傳感節點等節能應用提供理想解決方案。

 

 

圖9. 燃氣表管理系統

 

 

 

圖10. RA0系列實現低功耗傳感器數據采集

 

 

 

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5.  成果/效益

• RA系列通過RA0至RA8的升級路徑及FSP提供的通用開發環境，實現高效快速的功能擴展與全球化平臺部署。

• 作為 RA 系列中的低端產品，RA0      系列在保持 16 位 MCU 優勢的同時，實現了向 32 位 MCU 的無縫遷移。它在電池供電應用、工業設備和數據中心中實現了低功耗，有助于降低功耗。

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6.  結論/未來展望

RA系列為新一代32位開發提供卓越的解決方案。其中RA0系列尤其適合作為16位MCU用戶的理想切入點，使其在延續"低功耗、小尺寸、低成本"既有優勢的同時，享受32位MCU的 性能、開發效率及可擴展性。
RA系列廣泛支持工業設備、數據中心及消費市場應用，標志著構建未來嵌入式系統發展基礎的戰略性第一步。