MCU的工作原理汽車MCU產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠商梳理

什么是MCU

MCU即微控制單元（Micro Controller Unit），即微控制器，又叫單片機，是把CPU、外圍功能、儲存功能等多種功能模塊和接口集成在單個芯片上，作為高度集成的微型計算機控制系統(tǒng)，實現(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。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。 ? 在汽車電子的各個系統(tǒng)當(dāng)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(fù)責(zé)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(luò)互聯(lián)、底盤安全、信息娛樂以及車身電子等方向。 ? 車規(guī)級MCU示意圖：

▲?資料來源：公開資料、編寫單位提供

MCU的基本結(jié)構(gòu)

MCU主要由中央處理器CPU、存儲器（ROM和RAM）、輸入輸出I/O接口、總線、計數(shù)器等構(gòu)成。

中央處理器（CPU）

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

存儲器（ROM和RAM）

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）。

輸入輸出I/O接口

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(guān)、鍵盤等輸入設(shè)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(shè)備的數(shù)據(jù)后，執(zhí)行適當(dāng)?shù)闹噶畈⑼ㄟ^LED、顯示器、打印機等輸出設(shè)備做出響應(yīng)。

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(diào)制、時鐘控制等。

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(shè)備（如內(nèi)存、I/O端口和其他支持組件）連接起來。

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(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(yù)先儲存在有存儲能力的存儲器中，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，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(nèi))，當(dāng)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(nèi)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(nèi)核架構(gòu)是影響MCU性能的一個關(guān)鍵要素，更優(yōu)秀的運算單元需要更先進的內(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，現(xiàn)已逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。

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(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運算能力更強，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，單價一般數(shù)倍于8位MCU，因而也有較高的研發(fā)壁壘。

從價格上來說，一般8位MCU的單價小于1美元，16位MCU的單價在1-5美元之間，32位MCU價格在5-10 美元之間，部分高端產(chǎn)品在 10 美元以上。但在市場極端缺貨情況下，汽車MCU的單價波動幅度極大，TI旗下一款32位MCU——MCF5282CVM66在2022年9月迅猛飆漲，曾一度賣到5000元一顆，此后該芯片單價一度下滑至2000元，2023年3月又漲至4000余元。汽車市場出貨的晴雨不一，芯片價格也隨之共振。 ? 近年來，由于汽車智能化和電動化快速發(fā)展，汽車電子面臨的應(yīng)用場景越來越復(fù)雜，32位MCU的用量正逐步提高，用量提升進一步降低了32位MCU的單價，在性能要求提高和產(chǎn)品單價降低的同步驅(qū)動下，目前32位MCU在汽車領(lǐng)域應(yīng)用占比最高。

MCU技術(shù)發(fā)展趨勢

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(qū)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。

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(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。

?更高開放度

由于ARM內(nèi)核IP授權(quán)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(nèi)核開發(fā)MCU，如瑞薩，英特爾，兆易創(chuàng)新等。RISC-V不僅完全免費開源，還具有低功耗，指令集精簡，設(shè)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。

汽車MCU產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠商梳理

在汽車MCU的產(chǎn)業(yè)鏈中，芯片設(shè)計公司也就是MCU原廠處于中游位置，全球主要的汽車MCU廠商幾乎都具備IDM能力，不過出于成本考慮，在進行產(chǎn)能調(diào)整時部分IDM廠商也會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)鏈簡單分為上游原材料設(shè)備、中游設(shè)計制造、下游應(yīng)用三個方面。

汽車MCU產(chǎn)業(yè)鏈，與一般的消費和工業(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試部分。由于對芯片可靠性要求高，在汽車行業(yè)中，整個產(chǎn)品流程都需要通過多項車規(guī)認(rèn)證，包括從芯片設(shè)計到晶圓廠和封測廠等需要通過IATF16949或更高的ISO26262的體系認(rèn)證，芯片要通過AEC-Q100等認(rèn)證等。

結(jié)語

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，新型汽車相對于傳統(tǒng)汽車而言，對于傳感器和MCU的需求以數(shù)量級方式上升。由于本土供應(yīng)的市場足夠大，國內(nèi)芯片原廠競相涌入汽車MCU市場，更多人才的加入為汽車MCU領(lǐng)域帶來了良好的發(fā)展，有利于提升技術(shù)能力，豐富國產(chǎn)車規(guī)MCU產(chǎn)品矩陣，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)良性競爭。未來，在本土供應(yīng)浪潮和中國新能源汽車品牌及市場持續(xù)增長的帶動下，期待國內(nèi)車規(guī)MCU繼續(xù)加速成長。下面是全球MCU原廠100強名單。