半導體MCU行業(yè)專題報告-國產(chǎn)化浪潮持續(xù)國內(nèi)MCU廠商快速發(fā)展1.MCU：基礎介紹1.1.結(jié)構(gòu)：CPU、內(nèi)存和外圍共同構(gòu)成的芯片級計算機MCU（MicrocontrollerUnit），即單片微型計算機，又稱微控制器、單片機，通過將CPU、存儲、外圍功能都整合在單一芯片上，形成具有控制功能的芯片級計算機。對MCU的結(jié)構(gòu)組成而言，MCU主要由CPU

（包括運算器、控制器和寄存器組）、存儲器（包括ROM和RAM）、輸入輸出I/O接口、串行口、定時器等構(gòu)成。1）中央處理器CPU：包括運算器、控制器和寄存器組。CPU（CentralProcessingUnit）是MCU內(nèi)部的核心部件，包括運算器、控制器和寄存器組。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。2）存儲器：主要包括ROM和RAM等。ROM（Read-OnlyMemory）是程序存儲器，信息以非破壞方式讀取，存儲數(shù)據(jù)掉電后不消失。ROM在MCU中用來存放編寫好的程序（由制造廠家編制和寫入），MCU則按照事先編制好的程序循序執(zhí)行。ROM又分為MCU片內(nèi)存儲器和片外擴展存儲器兩種。RAM（RandomAccessMemory）數(shù)據(jù)存儲器（也叫主存），與CPU直接進行數(shù)據(jù)交換。在程序運行過程中可以隨時寫入、讀出，速度很快，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運行中程序的臨時數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。RAM存儲數(shù)據(jù)在掉電后不能保持。3）外圍功能電路：根據(jù)產(chǎn)品需求進行系統(tǒng)軟硬件設計，通過I/O接口，與外部電路設備相連接。主要包括P0/P1/P2/P3等數(shù)字I/O接口，內(nèi)部電路含端口鎖存器、輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器等電路，其中P0為三態(tài)雙向接口，P1/P2/P3數(shù)字I/O端口。MCU中的端口作為數(shù)字信號輸入或輸出口亦具復用功能。1.2.功能：MCU用于實現(xiàn)信號處理和控制MCU與CPU、MPU、SoC之間的關系可以理解為：CPU是運算控制的核心。MPU可以理解為增強版的CPU。MCU除包含CPU外還包含了RAM或ROM等，是芯片級芯片。SoC是系統(tǒng)級芯片（綜合了MCU和MPU的優(yōu)點，可存放并運行系統(tǒng)級代碼）。1）CPU是計算機的運算控制核心，是取址、譯碼、執(zhí)行的對象。一般程序是CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中一條一條取出指令，放入指令寄存器，并對指令進行譯碼，最后執(zhí)行指令。CPU的構(gòu)成包括運算器、控制器和寄存器及相應的總線。計算機的可編程性其實就是指對CPU的編程。2）MPU（MicroProcessorUnit），微處理器通常是指增強型CPU。3）MCU：主要用于實現(xiàn)信號處理和控制，是智能控制系統(tǒng)的核心。如前所述，MCU是CPU和RAM、ROM、定時器、I/O引腳集成在一個芯片上，通過直接添加電容、電阻等簡單器件就能構(gòu)成最小系統(tǒng)，從而運行代碼。以意法半導體的STM32和ARMCortex-M內(nèi)核為例，意法半導體等MCU廠商在獲得ARM內(nèi)核使用授權(quán)后，通過添加存儲器等外圍設計，就能搭建出相應的MCU芯片。根據(jù)芯?？萍颊泄烧f明書，通常在信號鏈中，MCU對ADC轉(zhuǎn)化形成的數(shù)字信號進行處理、計算，輸出信號經(jīng)由DAC再次轉(zhuǎn)換為模擬信號實現(xiàn)系統(tǒng)控制。MCU在信號鏈中起核心處理作用，而信號鏈是連接真實世界和數(shù)字世界的橋梁，是電子產(chǎn)品智能化的基礎。4）SoC（SystemonChip），片上系統(tǒng)。MCU只是芯片級的芯片，而SoC是系統(tǒng)級芯片，它集成了MCU和MPU的優(yōu)點。SoC可以理解為MPU加上其他外設電路，可存放并運行系統(tǒng)級別的代碼，運行Linux等操作系統(tǒng)。1.3.產(chǎn)品分類標準較多，主要以位數(shù)和指令集區(qū)分MCU芯片可根據(jù)內(nèi)核、主頻、工藝、模擬功能、封裝、引腳數(shù)、通信接口和存儲類型等標準分為諸多種類。其中，目前最為主要的四大分類模式為：用途、位數(shù)、指令集內(nèi)核和存儲器架構(gòu)。1.3.1.用途：通用型MCU占據(jù)主要市場份額從產(chǎn)品應用領域來看，可以劃分為通用型MCU和專用型MCU，其中通用型MCU市場份額更高。根據(jù)芯知匯數(shù)據(jù)，2020年國內(nèi)MCU市場73%的份額為通用微控制器，專用MCU產(chǎn)品市場占比13%。另外，超低功耗MCU占比5%。意法半導體的STM32系列是典型的通用型MCU，擁有多個子系列以及上千款產(chǎn)品，滿足用戶不同需求。1.3.2.位數(shù)：8位市場地位穩(wěn)固，32位占比逐漸提升從MCU位數(shù)來看，可分成8位、16位、32位等。位數(shù)是指MCU每次處理數(shù)據(jù)的寬度，位數(shù)越高，MCU數(shù)據(jù)處理能力越強。其中，8位MCU成本低、便于開發(fā)，性能可以滿足大部分場景需要，被廣泛應用于消費、工業(yè)控制、家電和汽車（比如汽車風扇、雨刷天窗等）等下游領域。由于其良好的產(chǎn)品穩(wěn)定性及高性價比，8位至今仍占據(jù)市場重要地位。而對于32位MCU來說，其運算能力更強，能滿足高速處理的需求，多用于解決復雜場景問題（比如汽車智能座艙、車身控制等）。盡管全球市場和國內(nèi)市場均以32位MCU為主，但份額占比差距較大。根據(jù)ICInsights統(tǒng)計，2011-2020年全球MCU產(chǎn)品中，32位MCU產(chǎn)品市場占有率穩(wěn)步上升，4/8位MCU產(chǎn)品占比呈下降趨勢，其中2020年32位MCU占比為62%，而4/8位MCU占比為15%。據(jù)ICInsights預測，未來五年32位MCU的銷售額將以9.4%的復合年增長率增長，2026年預計達到200億美元。同時，預計4/8位MCU的銷售額在未來五年內(nèi)不會出現(xiàn)顯著增長，預計2026年市場規(guī)模在24億美元左右。中國通用型MCU市場基本被8位、32位平分，預計32位產(chǎn)品占比將進一步提升。據(jù)芯知匯統(tǒng)計，2020年中國通用型MCU市場中，32位和8位占據(jù)市場主流，32位略高于8位MCU產(chǎn)品。其中，32位市場份額54%，8位市場占比43%。隨著32位MCU的綜合成本逐漸降低，預計未來32位產(chǎn)品的市場份額仍將不斷提高。1.3.3.指令集架構(gòu)：RISC類MCU市場份額76%MCU的另一主流分類標準為指令系統(tǒng)，即CISC（復雜指令集）或RISC

（精簡指令集）。根據(jù)芯知匯統(tǒng)計，CISC和RISC指令集MCU市場占比分別約為24%和76%，其中RISC指令集產(chǎn)品市場份額占比較高。CISC（復雜指令集，ComplexInstructionSetComputing），其指令格式和指令大小均不固定，指令按照順序串行執(zhí)行。CISC每條指令按照規(guī)范設計為最合適的格式和大小，各條指令按順序串行執(zhí)行、每條指令中的各個操作也按順序串行執(zhí)行，因此每條指令執(zhí)行的時間也不一致。順序執(zhí)行的優(yōu)點是控制簡單、能力強，但復雜度較高，計算機各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢。CISC以Intelx86為代表，主要用于筆記本、臺式機。RISC（精簡指令集，ReducedInstructionSetComputer），其指令長度固定，采用多級指令流水線結(jié)構(gòu)。所謂精簡，即指令集長度一致，指令數(shù)不超過128條、尋址方式不超過4種、指令格式不超過4種。所謂流水線結(jié)構(gòu)，即以流水線的模式將處理過程劃分為離散的多個周期，每個周期執(zhí)行一條指令，執(zhí)行部分并行處理。RISC優(yōu)點在于保持成本較低的同時能很好地提高速度，但同時編譯后指令長度較長、需要較大內(nèi)存。MCU主要的ARM、PowerPC、MIPS、RISC-V等程序架構(gòu)均屬于RISC指令集。1）ARM內(nèi)核：是英國Acorn公司設計的低功耗、低成本的第一款RISC微處理器。ARM生態(tài)建設比較完善，促使主要廠商紛紛遷移到32位MCU產(chǎn)品開發(fā)，成為目前主流架構(gòu)。全球前十大MCU廠商32位產(chǎn)品均有導入ARM架構(gòu)。ARMCortex包括三大類，分別為A系列、R系列和M系列。在不同應用領域具體內(nèi)核不同，A系列主打算力，比如手機、服務器等；R系列主要用于實時系統(tǒng)（比如汽車底盤和控制系統(tǒng)）；最早集成到芯片級的是Cortex-M系列，主要面向各類嵌入式MCU。2）MIPS：即無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器，其原理是盡可能利用軟件手段避免流水線中的數(shù)據(jù)問題。MIPS是最早一批實現(xiàn)商業(yè)化的RISC架構(gòu)之一，被廣泛應用于RISCCPU，例如Sony和Nintendo的游戲機、Cisco路由器和SGI超級計算機等。3）PowerPC：具有較好的嵌入式表現(xiàn)