MCU的工作原理 汽车MCU产业链上下游厂商梳理

什么是MCU

MCU即微控制单元（Micro Controller Unit），即微控制器，又叫单片机，是把CPU、外围功能、储存功能等多种功能模块和接口集成在单个芯片上，作为高度集成的微型计算机控制系统，实现终端控制的功能，具有性能高、功耗低、可编程、灵活度高等优点。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。   车规级MCU示意图：

▲ 资料来源：公开资料、编写单位提供

MCU的基本结构

MCU主要由中央处理器CPU、存储器（ROM和RAM）、输入输出I/O接口、总线、计数器等构成。

中央处理器（CPU）

是 MCU 内部的核心部件，运算部件能完成数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送操作，控制部件则按照一定时序协调工作，分析并执行指令。  

存储器（ROM和RAM）

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）。

输入输出I/O接口

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。

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。

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。

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。

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。

从价格上来说，一般8位MCU的单价小于1美元，16位MCU的单价在1-5美元之间，32位MCU价格在5-10 美元之间，部分高端产品在 10 美元以上。但在市场极端缺货情况下，汽车MCU的单价波动幅度极大，TI旗下一款32位MCU——MCF5282CVM66在2022年9月迅猛飙涨，曾一度卖到5000元一颗，此后该芯片单价一度下滑至2000元，2023年3月又涨至4000余元。汽车市场出货的晴雨不一，芯片价格也随之共振。   近年来，由于汽车智能化和电动化快速发展，汽车电子面临的应用场景越来越复杂，32位MCU的用量正逐步提高，用量提升进一步降低了32位MCU的单价，在性能要求提高和产品单价降低的同步驱动下，目前32位MCU在汽车领域应用占比最高。

MCU技术发展趋势

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。

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。

 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。

汽车MCU产业链上下游厂商梳理

在汽车MCU的产业链中，芯片设计公司也就是MCU原厂处于中游位置，全球主要的汽车MCU厂商几乎都具备IDM能力，不过出于成本考虑，在进行产能调整时部分IDM厂商也会选择第三方晶圆代工；上游主要是半导体设备以及硅片、光刻胶等原材料；下游则是主要不同的终端应用。   因此我们可以将MCU的产业链简单分为上游原材料设备、中游设计制造、下游应用三个方面。

汽车MCU产业链，与一般的消费和工业用芯片产业链不同之处主要在晶圆制造以及封装测试部分。由于对芯片可靠性要求高，在汽车行业中，整个产品流程都需要通过多项车规认证，包括从芯片设计到晶圆厂和封测厂等需要通过IATF16949或更高的ISO26262的体系认证，芯片要通过AEC-Q100等认证等。

结语

随着智能网联汽车的发展，新型汽车相对于传统汽车而言，对于传感器和MCU的需求以数量级方式上升。由于本土供应的市场足够大，国内芯片原厂竞相涌入汽车MCU市场，更多人才的加入为汽车MCU领域带来了良好的发展，有利于提升技术能力，丰富国产车规MCU产品矩阵，实现产业良性竞争。未来，在本土供应浪潮和中国新能源汽车品牌及市场持续增长的带动下，期待国内车规MCU继续加速成长。下面是全球MCU原厂100强名单。

注：排名无先后，国产优先。
编辑：黄飞