MCU的基本結構及工作原理

汽車電子中所使用的半導體即車規(guī)級芯片，主要有主控芯片（MCU/SoC），功率芯片（IGBT），傳感器芯片(CIS)和存儲芯片(Flash)四大類，車規(guī)級芯片廣泛應用于汽車的動力系統(tǒng)、智能座艙及自動駕駛系統(tǒng)，是汽車電子不可或缺的核心元器件。

一、MCU芯片介紹

MCU即微控制單元（Micro Controller Unit），又稱單片機（Single Chip Microcomputer），是將CPU、存儲、外圍功能都整合在單一芯片上具有控制功能的芯片級計算機，作為高度集成的微型計算機控制系統(tǒng)，單片機具有系統(tǒng)結構簡單、可靠性高、處理功能強、低電壓和低功耗、環(huán)境適應能力強等特點，已廣泛應用于汽車電子、工業(yè)控制、儀器儀表、家電等領域。

在汽車電子的各個系統(tǒng)當中，往往需要采用車用MCU（車用微控制器）作為運作控制的核心，負責各種信息的運算處理，用于汽車的動力總成、輔助駕駛、網(wǎng)絡互聯(lián)、底盤安全、信息娛樂以及車身電子等方向。

1???MCU的基本結構

構成MCU的幾個重要組件包括：

（1）中央處理器（CPU）

CPU是單片機的大腦。它由算術邏輯單元(ALU)和控制單元(CU)組成。CPU讀取、解碼和執(zhí)行指令以執(zhí)行算術、邏輯和數(shù)據(jù)傳輸操作。

（2）存儲單元

任何計算系統(tǒng)都需要兩種類型的存儲器：程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。程序存儲器，顧名思義，包含程序，即要由CPU執(zhí)行的指令。另一方面，數(shù)據(jù)存儲器需要在執(zhí)行指令時存儲臨時數(shù)據(jù)。通常，程序存儲器是只讀存儲器（ROM），數(shù)據(jù)存儲器是隨機存取存儲器（RAM）。

（3）輸入/輸出端口

單片機與外部世界的接口由輸入/輸出端口（I/O端口）提供。開關、鍵盤等輸入設備以二進制數(shù)據(jù)的形式從用戶向CPU提供信息。CPU在接收到來自輸入設備的數(shù)據(jù)后，執(zhí)行適當?shù)闹噶畈⑼ㄟ^LED、顯示器、打印機等輸出設備做出響應。

（4）定時器/計數(shù)器

單片機的重要組件之一是定時器和計數(shù)器。它們提供時間延遲和計數(shù)外部事件的操作。此外，定時器和計數(shù)器可以提供函數(shù)生成、脈寬調制、時鐘控制等。

（5）總線

單片機的另一個重要組件，但很少講到，它就是系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線是一組連接線，將CPU與其他外圍設備（如內存、I/O端口和其他支持組件）連接起來。

2???MCU的工作原理

MCU的工作原理是逐條執(zhí)行預存指令的過程，不同類型的單片機有不同的指令系統(tǒng)。為了讓一個單片功能自動完成某項具體任務，必須將所要解決的問題編成一系列的指令，并且這些指令必須是由一個單獨的函數(shù)來識別和執(zhí)行的，這樣一系列指令的集合就變成了程序，這些程序需要預先儲存在有存儲能力的存儲器中，也就是我們常說的內存。

由于程序是按順序執(zhí)行的，因此程序中的指令也是一條條地存儲，MCU在執(zhí)行程序時要將這些指令逐個提取并執(zhí)行，必須擁有能夠跟蹤指令所在存儲單元的功能，這個部分就是程序計數(shù)器PC(包括CPU在內)，當程序開始運行時，PC將會被分配到程序中每一條指令的存儲單元，并一一執(zhí)行該項指令，PC中的內容自動增加，增加量由這個指令長度決定，每一條都指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。

內核架構是影響MCU性能的一個關鍵要素，更優(yōu)秀的運算單元需要更先進的內核架構。十幾年前，各大MCU廠商均采用各自的內核，如瑞薩采用RX內核，飛思卡爾采用PowerPC，微芯采用PIC，Atmel采用AVR。隨著ARM推出Cortex-M架構并開展了獨特的開創(chuàng)IP授權的模式，以其軟件代碼的共享和高兼容性、高密度指令集等特點，現(xiàn)已逐步占據(jù)主導地位。

3???車規(guī)MCU的種類

車規(guī)MCU按位數(shù)可分為8位、16位和32位。位數(shù)即MCU單次處理數(shù)據(jù)寬度，位數(shù)越高，MCU性能越強。

8位MCU成本/功耗低，便于開發(fā)，性能可滿足大部分場景需要，廣泛應用于基礎功能如風扇、雨刷、天窗，座椅控制等領域。32位MCU運算能力更強，能滿足高速處理的需求，多用于解決復雜場景問題，如汽車智能座艙、車身控制、輔助駕駛，行車安全系統(tǒng)等領域。32位的CPU內核以ARM為主流架構，由于CPU指令集龐大，軟件開發(fā)難度較高，單價一般數(shù)倍于8位MCU，因而也有較高的研發(fā)壁壘。

從不同位數(shù)MCU規(guī)模占比來看，目前全球MCU芯片產(chǎn)品以32位為主。受益于其體積小性能優(yōu)的特性以及汽車智能化的趨勢，32位MCU銷售額占比已經(jīng)從2010年的38.1%提升至2015年的53.7%，進而躍升至2021年65.8%。隨著汽車智能化和電動化進一步發(fā)展，汽車電子功能將日趨復雜，勢必推動車規(guī)MCU向更高性能，更小尺寸，更低功耗的方向發(fā)展，32位芯片占比有望進一步提高。

二、MCU產(chǎn)業(yè)鏈概況

MCU產(chǎn)業(yè)鏈上游為半導體材料及半導體設備，主要包括硅片、光刻膠、光掩模、電子特種氣體、靶材、單晶爐、刻蝕機、***等。中游為MCU制造環(huán)節(jié)，主要包括芯片設計、單晶硅片制造、晶圓制造、芯片封測。下游應用領域包括汽車電子、工業(yè)控制、消費電子、計算機網(wǎng)絡等。

三、MCU市場情況

1????市場規(guī)模

IC Insights的數(shù)據(jù)顯示，全球MCU市場規(guī)模從2015年的159億美元增長至2021年的221億美元，CAGR為5.6%；2022年全球MCU市場規(guī)模有望達239億美元，同比增長8.1%。

MCU是汽車從電動化向智能化深度發(fā)展的關鍵元器件之一，汽車也是全球MCU第一大應用市場，占比超過1/3，平均每輛汽車MCU需求量高達上百顆。隨著汽車半導體行業(yè)技術演進和需求升級，智能化將逐步成為相關廠商競爭的主戰(zhàn)場，接力電動化成為重要驅動力，MCU作為核心算力芯片深度受益。

2???競爭格局

根據(jù)Omdia，MCU市場主要由歐美日芯片廠商牢牢把持，前七大廠商占據(jù)全球85.4%的市場份額，但各家企業(yè)的占比相對較為平均。

國內MCU市場方面，根據(jù)CSIA和中國汽車工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2021年國內MCU市場約85%（2019年為94%）由外資把持，MCU國產(chǎn)化率低且多集中于消費級，車規(guī)級MCU自給率尚不足5%，仍有很大國產(chǎn)替代空間。

根據(jù)富昌電子，2022年4季度的全球車規(guī)半導體仍處于供不應求的狀態(tài)，主要車規(guī)MCU大廠如意法半導體，恩智浦和微芯科技都存在不同程度的供貨緊張態(tài)勢，不論是芯片價格還是貨期較之前兩個季度都有明顯的升高。海外大廠的產(chǎn)能擴張尚不能滿足市場需求，國內MCU企業(yè)有望把握這個供需錯配的時間窗口，憑借先前的投入，與國內下游造車新勢力合作，加速車規(guī)級MCU的國產(chǎn)替代進程。

四、MCU技術發(fā)展趨勢

1??更高算力

隨著汽車智能化程度的不斷增加，車規(guī)級MCU將向多功能集成、高算力及超低功耗方向發(fā)展，且使用數(shù)量也會隨之增加。同時，未來智能汽車中大量使用的車載傳感器、車載攝像頭，也需要高性能的MCU來做模擬數(shù)據(jù)的運算處理與驅動控制。因此，在未來更高階自動駕駛等級的汽車中，加以多傳感器融合的大趨勢下，總線寬度32位乃至64位高算力車規(guī)級MCU將成為主流產(chǎn)品，而8/16位中低端MCU則會被更高制程的SOC所集成，失去增長動力。

2????更高集成度

由于集成更多功能，主控芯片的算力要求會指數(shù)上升，部分MCU會和GPU，DSP，NPU和AI處理單元等不同類型芯片共同被集成到SoC(系統(tǒng)級芯片)上。SoC是MCU集成度更高的結果，其功能更復雜，資源利用效率更高，可勝任如無人駕駛和智能座艙等需要高算力的場景。

3????更高開放度

由于ARM內核IP授權費高昂(芯片售價的2%-15%)，很多廠商已開始基于開源的RISC-V內核開發(fā)MCU，如瑞薩，英特爾，兆易創(chuàng)新等。RISC-V不僅完全免費開源，還具有低功耗，指令集精簡，設計編譯簡單，支持模塊化和可拓展等的特點，這和車規(guī)級MCU場景碎片化，功能模塊化的特點十分契合。

編輯：黃飛

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