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(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)。

（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(lái)。

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(guò)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(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。

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(kāi)發(fā)，性能可滿足大部分場(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(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。

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(lái)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(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)的汽車中，加以多傳感器融合的大趨勢(shì)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(zhǎng)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(wú)人駕駛和智能座艙等需要高算力的場(chǎng)景。

3 ?  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)，這和車規(guī)級(jí)MCU場(chǎng)景碎片化，功能模塊化的特點(diǎn)十分契合。