MCU的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

汽車電子中所使用的半導(dǎo)體即車規(guī)級(jí)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(chǔ)芯片(Flash)四大類，車規(guī)級(jí)芯片廣泛應(yīng)用于汽車的動(dòng)力系統(tǒng)、智能座艙及自動(dòng)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(jī)（Single Chip Microcomputer），是將CPU、存儲(chǔ)、外圍功能都整合在單一芯片上具有控制功能的芯片級(jí)計(jì)算機(jī)，作為高度集成的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、處理功能強(qiáng)、低電壓和低功耗、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制、儀器儀表、家電等領(lǐng)域。

在汽車電子的各個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，往往需要采用車用MCU（車用微控制器）作為運(yùn)作控制的核心，負(fù)責(zé)各種信息的運(yùn)算處理，用于汽車的動(dòng)力總成、輔助駕駛、網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)

構(gòu)成MCU的幾個(gè)重要組件包括：

（1）中央處理器（CPU）

CPU是單片機(jī)的大腦。它由算術(shù)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(shù)、邏輯和數(shù)據(jù)傳輸操作。

（2）存儲(chǔ)單元

任何計(jì)算系統(tǒng)都需要兩種類型的存儲(chǔ)器：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。程序存儲(chǔ)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(chǔ)器需要在執(zhí)行指令時(shí)存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)。通常，程序存儲(chǔ)器是只讀存儲(chǔ)器（ROM），數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）。

（3）輸入/輸出端口

單片機(jī)與外部世界的接口由輸入/輸出端口（I/O端口）提供。開關(guān)、鍵盤等輸入設(shè)備以二進(jìn)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(shè)備的數(shù)據(jù)后，執(zhí)行適當(dāng)?shù)闹噶畈⑼ㄟ^LED、顯示器、打印機(jī)等輸出設(shè)備做出響應(yīng)。

（4）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

單片機(jī)的重要組件之一是定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。它們提供時(shí)間延遲和計(jì)數(shù)外部事件的操作。此外，定時(shí)器和計(jì)數(shù)器可以提供函數(shù)生成、脈寬調(diào)制、時(shí)鐘控制等。

（5）總線

單片機(jī)的另一個(gè)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(shè)備（如內(nèi)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(yù)存指令的過程，不同類型的單片機(jī)有不同的指令系統(tǒng)。為了讓一個(gè)單片功能自動(dòng)完成某項(xiàng)具體任務(wù)，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(gè)單獨(dú)的函數(shù)來識(shí)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(yù)先儲(chǔ)存在有存儲(chǔ)能力的存儲(chǔ)器中，也就是我們常說的內(nèi)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(chǔ)，MCU在執(zhí)行程序時(shí)要將這些指令逐個(gè)提取并執(zhí)行，必須擁有能夠跟蹤指令所在存儲(chǔ)單元的功能，這個(gè)部分就是程序計(jì)數(shù)器PC(包括CPU在內(nèi))，當(dāng)程序開始運(yùn)行時(shí)，PC將會(huì)被分配到程序中每一條指令的存儲(chǔ)單元，并一一執(zhí)行該項(xiàng)指令，PC中的內(nèi)容自動(dòng)增加，增加量由這個(gè)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(nèi)核架構(gòu)是影響MCU性能的一個(gè)關(guān)鍵要素，更優(yōu)秀的運(yùn)算單元需要更先進(jìn)的內(nèi)核架構(gòu)。十幾年前，各大MCU廠商均采用各自的內(nèi)核，如瑞薩采用RX內(nèi)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(gòu)并開展了獨(dú)特的開創(chuàng)IP授權(quán)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(diǎn)，現(xiàn)已逐步占據(jù)主導(dǎo)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(qiáng)。

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(yīng)用于基礎(chǔ)功能如風(fēng)扇、雨刷、天窗，座椅控制等領(lǐng)域。32位MCU運(yùn)算能力更強(qiáng)，能滿足高速處理的需求，多用于解決復(fù)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(lǐng)域。32位的CPU內(nèi)核以ARM為主流架構(gòu)，由于CPU指令集龐大，軟件開發(fā)難度較高，單價(jià)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(jìn)而躍升至2021年65.8%。隨著汽車智能化和電動(dòng)化進(jìn)一步發(fā)展，汽車電子功能將日趨復(fù)雜，勢必推動(dòng)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(jìn)一步提高。

二、MCU產(chǎn)業(yè)鏈概況

MCU產(chǎn)業(yè)鏈上游為半導(dǎo)體材料及半導(dǎo)體設(shè)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(jī)、***等。中游為MCU制造環(huán)節(jié)，主要包括芯片設(shè)計(jì)、單晶硅片制造、晶圓制造、芯片封測。下游應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車電子、工業(yè)控制、消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(dá)239億美元，同比增長8.1%。

MCU是汽車從電動(dòng)化向智能化深度發(fā)展的關(guān)鍵元器件之一，汽車也是全球MCU第一大應(yīng)用市場，占比超過1/3，平均每輛汽車MCU需求量高達(dá)上百顆。隨著汽車半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)演進(jìn)和需求升級(jí)，智能化將逐步成為相關(guān)廠商競爭的主戰(zhàn)場，接力電動(dòng)化成為重要驅(qū)動(dòng)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(duì)較為平均。

國內(nèi)MCU市場方面，根據(jù)CSIA和中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2021年國內(nèi)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(fèi)級(jí)，車規(guī)級(jí)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(dǎo)體仍處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，主要車規(guī)MCU大廠如意法半導(dǎo)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(jià)格還是貨期較之前兩個(gè)季度都有明顯的升高。海外大廠的產(chǎn)能擴(kuò)張尚不能滿足市場需求，國內(nèi)MCU企業(yè)有望把握這個(gè)供需錯(cuò)配的時(shí)間窗口，憑借先前的投入，與國內(nèi)下游造車新勢力合作，加速車規(guī)級(jí)MCU的國產(chǎn)替代進(jìn)程。

四、MCU技術(shù)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(jí)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(huì)隨之增加。同時(shí)，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(yùn)算處理與驅(qū)動(dòng)控制。因此，在未來更高階自動(dòng)駕駛等級(jí)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(jí)MCU將成為主流產(chǎn)品，而8/16位中低端MCU則會(huì)被更高制程的SOC所集成，失去增長動(dòng)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(huì)指數(shù)上升，部分MCU會(huì)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(jí)芯片)上。SoC是MCU集成度更高的結(jié)果，其功能更復(fù)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(nèi)核IP授權(quán)費(fèi)高昂(芯片售價(jià)的2%-15%)，很多廠商已開始基于開源的RISC-V內(nèi)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(fèi)開源，還具有低功耗，指令集精簡，設(shè)計(jì)編譯簡單，支持模塊化和可拓展等的特點(diǎn)，這和車規(guī)級(jí)MCU場景碎片化，功能模塊化的特點(diǎn)十分契合。

編輯：黃飛

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