MCU的工作原理 汽車(chē)MCU產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠(chǎng)商梳理

什么是MCU

MCU即微控制單元（Micro Controller Unit），即微控制器，又叫單片機(jī)，是把CPU、外圍功能、儲(chǔ)存功能等多種功能模塊和接口集成在單個(gè)芯片上，作為高度集成的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)終端控制的功能，具有性能高、功耗低、可編程、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)。已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子、工業(yè)控制、儀器儀表、家電等領(lǐng)域。 ? 在汽車(chē)電子的各個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，往往需要采用車(chē)用MCU（車(chē)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(chē)的動(dòng)力總成、輔助駕駛、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、底盤(pán)安全、信息娛樂(lè)以及車(chē)身電子等方向。 ? 車(chē)規(guī)級(jí)MCU示意圖：

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MCU的基本結(jié)構(gòu)

MCU主要由中央處理器CPU、存儲(chǔ)器（ROM和RAM）、輸入輸出I/O接口、總線(xiàn)、計(jì)數(shù)器等構(gòu)成。

中央處理器（CPU）

是 MCU 內(nèi)部的核心部件，運(yùn)算部件能完成數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送操作，控制部件則按照一定時(shí)序協(xié)調(diào)工作，分析并執(zhí)行指令。 ?

存儲(chǔ)器（ROM和RAM）

任何計(jì)算系統(tǒng)都需要兩種類(lèi)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）。

輸入輸出I/O接口

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(kāi)關(guān)、鍵盤(pán)等輸入設(shè)備以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式從用戶(hù)向CPU提供信息。CPU在接收到來(lái)自輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)后，執(zhí)行適當(dāng)?shù)闹噶畈⑼ㄟ^(guò)LED、顯示器、打印機(jī)等輸出設(shè)備做出響應(yīng)。

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。

總線(xiàn)

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(xiàn)。系統(tǒng)總線(xiàn)是一組連接線(xiàn)，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(lái)。

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(guò)程，不同類(lèi)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(wèn)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(lái)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(shuō)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(kāi)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(zhǎng)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(chǎng)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(kāi)展了獨(dú)特的開(kāi)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。

車(chē)規(guī)MCU的種類(lèi)

車(chē)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(kāi)發(fā)，性能可滿(mǎn)足大部分場(chǎng)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(mǎn)足高速處理的需求，多用于解決復(fù)雜場(chǎng)景問(wèn)題，如汽車(chē)智能座艙、車(chē)身控制、輔助駕駛，行車(chē)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(kāi)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。

從價(jià)格上來(lái)說(shuō)，一般8位MCU的單價(jià)小于1美元，16位MCU的單價(jià)在1-5美元之間，32位MCU價(jià)格在5-10 美元之間，部分高端產(chǎn)品在 10 美元以上。但在市場(chǎng)極端缺貨情況下，汽車(chē)MCU的單價(jià)波動(dòng)幅度極大，TI旗下一款32位MCU——MCF5282CVM66在2022年9月迅猛飆漲，曾一度賣(mài)到5000元一顆，此后該芯片單價(jià)一度下滑至2000元，2023年3月又漲至4000余元。汽車(chē)市場(chǎng)出貨的晴雨不一，芯片價(jià)格也隨之共振。 ? 近年來(lái)，由于汽車(chē)智能化和電動(dòng)化快速發(fā)展，汽車(chē)電子面臨的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越復(fù)雜，32位MCU的用量正逐步提高，用量提升進(jìn)一步降低了32位MCU的單價(jià)，在性能要求提高和產(chǎn)品單價(jià)降低的同步驅(qū)動(dòng)下，目前32位MCU在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用占比最高。

MCU技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

更高算力

隨著汽車(chē)智能化程度的不斷增加，車(chē)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(lái)智能汽車(chē)中大量使用的車(chē)載傳感器、車(chē)載攝像頭，也需要高性能的MCU來(lái)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(lái)更高階自動(dòng)駕駛等級(jí)的汽車(chē)中，加以多傳感器融合的大趨勢(shì)下，總線(xiàn)寬度32位乃至64位高算力車(chē)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(zhǎng)動(dòng)力。

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(lèi)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(wú)人駕駛和智能座艙等需要高算力的場(chǎng)景。

?更高開(kāi)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(chǎng)商已開(kāi)始基于開(kāi)源的RISC-V內(nèi)核開(kāi)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(kāi)源，還具有低功耗，指令集精簡(jiǎn)，設(shè)計(jì)編譯簡(jiǎn)單，支持模塊化和可拓展等的特點(diǎn)，這和車(chē)規(guī)級(jí)MCU場(chǎng)景碎片化，功能模塊化的特點(diǎn)十分契合。

汽車(chē)MCU產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠(chǎng)商梳理

在汽車(chē)MCU的產(chǎn)業(yè)鏈中，芯片設(shè)計(jì)公司也就是MCU原廠(chǎng)處于中游位置，全球主要的汽車(chē)MCU廠(chǎng)商幾乎都具備IDM能力，不過(guò)出于成本考慮，在進(jìn)行產(chǎn)能調(diào)整時(shí)部分IDM廠(chǎng)商也會(huì)選擇第三方晶圓代工；上游主要是半導(dǎo)體設(shè)備以及硅片、光刻膠等原材料；下游則是主要不同的終端應(yīng)用。 ? 因此我們可以將MCU的產(chǎn)業(yè)鏈簡(jiǎn)單分為上游原材料設(shè)備、中游設(shè)計(jì)制造、下游應(yīng)用三個(gè)方面。

汽車(chē)MCU產(chǎn)業(yè)鏈，與一般的消費(fèi)和工業(yè)用芯片產(chǎn)業(yè)鏈不同之處主要在晶圓制造以及封裝測(cè)試部分。由于對(duì)芯片可靠性要求高，在汽車(chē)行業(yè)中，整個(gè)產(chǎn)品流程都需要通過(guò)多項(xiàng)車(chē)規(guī)認(rèn)證，包括從芯片設(shè)計(jì)到晶圓廠(chǎng)和封測(cè)廠(chǎng)等需要通過(guò)IATF16949或更高的ISO26262的體系認(rèn)證，芯片要通過(guò)AEC-Q100等認(rèn)證等。

結(jié)語(yǔ)

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的發(fā)展，新型汽車(chē)相對(duì)于傳統(tǒng)汽車(chē)而言，對(duì)于傳感器和MCU的需求以數(shù)量級(jí)方式上升。由于本土供應(yīng)的市場(chǎng)足夠大，國(guó)內(nèi)芯片原廠(chǎng)競(jìng)相涌入汽車(chē)MCU市場(chǎng)，更多人才的加入為汽車(chē)MCU領(lǐng)域帶來(lái)了良好的發(fā)展，有利于提升技術(shù)能力，豐富國(guó)產(chǎn)車(chē)規(guī)MCU產(chǎn)品矩陣，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)良性競(jìng)爭(zhēng)。未來(lái)，在本土供應(yīng)浪潮和中國(guó)新能源汽車(chē)品牌及市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)的帶動(dòng)下，期待國(guó)內(nèi)車(chē)規(guī)MCU繼續(xù)加速成長(zhǎng)。下面是全球MCU原廠(chǎng)100強(qiáng)名單。

注：排名無(wú)先后，國(guó)產(chǎn)優(yōu)先。
編輯：黃飛