MCU的基本结构及工作原理

汽车电子中所使用的半导体即车规级芯片，主要有主控芯片（MCU/SoC），功率芯片（IGBT），传感器芯片(CIS)和存储芯片(Flash)四大类，车规级芯片广泛应用于汽车的动力系统、智能座舱及自动驾驶系统，是汽车电子不可或缺的核心元器件。

一、MCU芯片介绍

MCU即微控制单元（Micro Controller Unit），又称单片机（Single Chip Microcomputer），是将CPU、存储、外围功能都整合在单一芯片上具有控制功能的芯片级计算机，作为高度集成的微型计算机控制系统，单片机具有系统结构简单、可靠性高、处理功能强、低电压和低功耗、环境适应能力强等特点，已广泛应用于汽车电子、工业控制、仪器仪表、家电等领域。

在汽车电子的各个系统当中，往往需要采用车用MCU（车用微控制器）作为运作控制的核心，负责各种信息的运算处理，用于汽车的动力总成、辅助驾驶、网络互联、底盘安全、信息娱乐以及车身电子等方向。

1 ► MCU的基本结构

构成MCU的几个重要组件包括：

（1）中央处理器（CPU）

CPU是单片机的大脑。它由算术逻辑单元(ALU)和控制单元(CU)组成。CPU读取、解码和执行指令以执行算术、逻辑和数据传输操作。

（2）存储单元

任何计算系统都需要两种类型的存储器：程序存储器和数据存储器。程序存储器，顾名思义，包含程序，即要由CPU执行的指令。另一方面，数据存储器需要在执行指令时存储临时数据。通常，程序存储器是只读存储器（ROM），数据存储器是随机存取存储器（RAM）。

（3）输入/输出端口

单片机与外部世界的接口由输入/输出端口（I/O端口）提供。开关、键盘等输入设备以二进制数据的形式从用户向CPU提供信息。CPU在接收到来自输入设备的数据后，执行适当的指令并通过LED、显示器、打印机等输出设备做出响应。

（4）定时器/计数器

单片机的重要组件之一是定时器和计数器。它们提供时间延迟和计数外部事件的操作。此外，定时器和计数器可以提供函数生成、脉宽调制、时钟控制等。

（5）总线

单片机的另一个重要组件，但很少讲到，它就是系统总线。系统总线是一组连接线，将CPU与其他外围设备（如内存、I/O端口和其他支持组件）连接起来。

2 ► MCU的工作原理

MCU的工作原理是逐条执行预存指令的过程，不同类型的单片机有不同的指令系统。为了让一个单片功能自动完成某项具体任务，必须将所要解决的问题编成一系列的指令，并且这些指令必须是由一个单独的函数来识别和执行的，这样一系列指令的集合就变成了程序，这些程序需要预先储存在有存储能力的存储器中，也就是我们常说的内存。

由于程序是按顺序执行的，因此程序中的指令也是一条条地存储，MCU在执行程序时要将这些指令逐个提取并执行，必须拥有能够跟踪指令所在存储单元的功能，这个部分就是程序计数器PC(包括CPU在内)，当程序开始运行时，PC将会被分配到程序中每一条指令的存储单元，并一一执行该项指令，PC中的内容自动增加，增加量由这个指令长度决定，每一条都指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。

内核架构是影响MCU性能的一个关键要素，更优秀的运算单元需要更先进的内核架构。十几年前，各大MCU厂商均采用各自的内核，如瑞萨采用RX内核，飞思卡尔采用PowerPC，微芯采用PIC，Atmel采用AVR。随着ARM推出Cortex-M架构并开展了独特的开创IP授权的模式，以其软件代码的共享和高兼容性、高密度指令集等特点，现已逐步占据主导地位。

3 ► 车规MCU的种类

车规MCU按位数可分为8位、16位和32位。位数即MCU单次处理数据宽度，位数越高，MCU性能越强。

8位MCU成本/功耗低，便于开发，性能可满足大部分场景需要，广泛应用于基础功能如风扇、雨刷、天窗，座椅控制等领域。32位MCU运算能力更强，能满足高速处理的需求，多用于解决复杂场景问题，如汽车智能座舱、车身控制、辅助驾驶，行车安全系统等领域。32位的CPU内核以ARM为主流架构，由于CPU指令集庞大，软件开发难度较高，单价一般数倍于8位MCU，因而也有较高的研发壁垒。

从不同位数MCU规模占比来看，目前全球MCU芯片产品以32位为主。受益于其体积小性能优的特性以及汽车智能化的趋势，32位MCU销售额占比已经从2010年的38.1%提升至2015年的53.7%，进而跃升至2021年65.8%。随着汽车智能化和电动化进一步发展，汽车电子功能将日趋复杂，势必推动车规MCU向更高性能，更小尺寸，更低功耗的方向发展，32位芯片占比有望进一步提高。

二、MCU产业链概况

MCU产业链上游为半导体材料及半导体设备，主要包括硅片、光刻胶、光掩模、电子特种气体、靶材、单晶炉、刻蚀机、***等。中游为MCU制造环节，主要包括芯片设计、单晶硅片制造、晶圆制造、芯片封测。下游应用领域包括汽车电子、工业控制、消费电子、计算机网络等。

三、MCU市场情况

1 ►  市场规模

IC Insights的数据显示，全球MCU市场规模从2015年的159亿美元增长至2021年的221亿美元，CAGR为5.6%；2022年全球MCU市场规模有望达239亿美元，同比增长8.1%。

MCU是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一，汽车也是全球MCU第一大应用市场，占比超过1/3，平均每辆汽车MCU需求量高达上百颗。随着汽车半导体行业技术演进和需求升级，智能化将逐步成为相关厂商竞争的主战场，接力电动化成为重要驱动力，MCU作为核心算力芯片深度受益。

2 ► 竞争格局

根据Omdia，MCU市场主要由欧美日芯片厂商牢牢把持，前七大厂商占据全球85.4%的市场份额，但各家企业的占比相对较为平均。

国内MCU市场方面，根据CSIA和中国汽车工业协会的数据，2021年国内MCU市场约85%（2019年为94%）由外资把持，MCU国产化率低且多集中于消费级，车规级MCU自给率尚不足5%，仍有很大国产替代空间。

根据富昌电子，2022年4季度的全球车规半导体仍处于供不应求的状态，主要车规MCU大厂如意法半导体，恩智浦和微芯科技都存在不同程度的供货紧张态势，不论是芯片价格还是货期较之前两个季度都有明显的升高。海外大厂的产能扩张尚不能满足市场需求，国内MCU企业有望把握这个供需错配的时间窗口，凭借先前的投入，与国内下游造车新势力合作，加速车规级MCU的国产替代进程。

四、MCU技术发展趋势

1 ►更高算力

随着汽车智能化程度的不断增加，车规级MCU将向多功能集成、高算力及超低功耗方向发展，且使用数量也会随之增加。同时，未来智能汽车中大量使用的车载传感器、车载摄像头，也需要高性能的MCU来做模拟数据的运算处理与驱动控制。因此，在未来更高阶自动驾驶等级的汽车中，加以多传感器融合的大趋势下，总线宽度32位乃至64位高算力车规级MCU将成为主流产品，而8/16位中低端MCU则会被更高制程的SOC所集成，失去增长动力。

2 ►  更高集成度

由于集成更多功能，主控芯片的算力要求会指数上升，部分MCU会和GPU，DSP，NPU和AI处理单元等不同类型芯片共同被集成到SoC(系统级芯片)上。SoC是MCU集成度更高的结果，其功能更复杂，资源利用效率更高，可胜任如无人驾驶和智能座舱等需要高算力的场景。

3 ►  更高开放度

由于ARM内核IP授权费高昂(芯片售价的2%-15%)，很多厂商已开始基于开源的RISC-V内核开发MCU，如瑞萨，英特尔，兆易创新等。RISC-V不仅完全免费开源，还具有低功耗，指令集精简，设计编译简单，支持模块化和可拓展等的特点，这和车规级MCU场景碎片化，功能模块化的特点十分契合。

编辑：黄飞