（报告出品方/作者：招商证券，鄢凡、曹辉）

1、MCU：缩减版 CPU 整合外设，成为众多应用主控芯片

MCU（Micro Controller Unit）：微控制单元，又称单片微型计算机，指的是把 CPU 的频率与规格做适当缩减，并包含 RAM、ROM、时钟、定时/计数器等外设，甚至将 LCD 驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。MCU 能够用软件控制来取 代复杂的电子线路控制系统，实现智能化以及轻量化控制。

英特尔 1971 年推出全球首款 MCU 产品，上世纪 90 年代后 MCU 步入发展快车道。在 集成电路发明相当一段时间后，MCU 才逐步走入人们的视线，1971 年 11 月，英特尔 推出全球首款集成 2000 个晶体管的 4 位 MCU，代号为 Intel 4004，标志着 MCU 开启 初级发展阶段。而后 MCU 经历了低性能阶段、高性能阶段、16 位 MCU 阶段，在 90 年代 MCU 开启全面化路程，并且出现众多通用型以及专用型 MCU 产品。

MCU 是基于 CPU 发展起来的主控芯片，与之类似的 MPU 和 SoC 是 CPU 应用于高性 能计算领域的产品。

MPU（Micro Processor Unit）：微处理器单元，通常代表功能强大的 CPU（可理解为 增强型的 CPU），这种芯片往往是计算机和高端系统的核心。把所有组件小型化到一块 或多块集成电路里，MCU 集成了片上外围器件而 MPU 没有集成片上外围器件。

SoC（System on Chip）：片上系统，是指将多个电子系统集成到单一芯片上，其可以 处理数字信号、模拟信号甚至混合信号，常应用在嵌入式系统中。SoC 是系统级芯片， 同时具有 MCU 高度集成化和 MPU 超强计算能力的特点，即拥有内置 RAM 和 ROM 的 同时又像 MPU 那样强大。SoC 可以存放并运行系统级别的代码，即可以运行操作系统 （以 Linux OS 为主）。

MCU 芯片种类众多，按照内核、主频、工艺、模拟功能、封装、引脚数、通信接口和 存储类型等标准可以分为众多产品型号。

2、MCU 产品型号众多，位数和指令集是关键选择标准

MCU 产品型号众多，可以按照位数、存储器结构、指令集和应用领域这四种标准进行 分类。

按照位数，通常可将 MCU 分为 4 位、8 位、16 位、32 位。位数越高，运算能力越强。

按照存储器结构，MCU 可分为冯诺依曼结构和哈佛结构。二者的主要区别为是否将程 序指令和数据存储于同一个存储器中。

按照指令集，MCU 可分为 CISC（复杂指令集架构）和 RISC（精简指令集架构）两类。 按照应用领域，MCU 可分为通用型和专用型两类。

MCU 位数指的是 MCU 每次处理数据的宽度，或者总线及数据暂存器的宽度。1971 年 英特尔研制出世界上第一个 4 位 MCU Intel 4004，随着技术的不断发展以及应用场景 的多元化，陆续出现 8 位、16 位、32 位、甚至 64 位 MCU。目前 MCU 主要应用在手 机、PC 外围、遥控器等消费电子，步进马达、机器手臂控制等工业控制和汽车电子等 领域。

8 位 MCU 市场地位稳固，32 位 MCU 解决复杂场景问题。据芯知汇数据，2020 年中 国通用型 MCU 市场规模占比中，32 位占比 54%，8 位占比 43%，4 位占比 2%，16 位占比 1%。32 位和 8 位占据市场主流，且未来 32 位产品占比预计仍将不断提高。MCU 的广泛应用源自 8 位时代，8 位 MCU 具有功耗低、成本低、使用便捷等优点，广泛应 用于消费、工业控制、家电和汽车等领域，由于其产品稳定性及高性价比，8 位至今仍 占据重要地位。16 位产品性能不及 32 位，性价比不如 8 位 MCU，所以市场份额有被 挤压的趋势。32 位 MCU 相比 16 位具有更强的运算能力，可以满足当下大多数嵌入式 场景的需求，且目前 32 位 MCU 的成本逐渐接近 8 位 MCU，导致 32 位 MCU 的市场 占比最大。

按照程序指令和数据是否位于相同的存储地址，可将 MCU 分为冯诺依曼结构和哈佛结 构。冯诺依曼结构又称为普林斯顿结构，将程序指令存储器和数据存储器合并在一起， 同时存储器与中央处理器分开。哈佛结构将程序指令和数据分开存储，中央处理器首先 读取指令存储器中的指令，再读取数据存储器中相应的数据，程序指令和数据指令可以 有不同的数据宽度，通常具有较高的执行效率。

CISC 和 RISC 指令集系统是目前主要的两种 MCU 指令系统。CISC（复杂指令集）的 指令格式和指令大小不固定，每条指令按照规范设计为最合适的格式和大小，每条指令 执行的时间不一样，以此来追求更强的处理能力。RISC（精简指令集）的指令长度是 固定的，并且采取流水线的概念，将处理过程划分为多个阶段，每个时钟周期可以执行 一条指令，执行部分并行处理。CISC 指令能力强，但 CPU 复杂度较高，RISC 指令较 为固定，优化了编译流程。

MCU 公司按照自身产品应用领域可以分为通用型 MCU 和专用型 MCU 公司。通用型 MCU 是指具有 MCU 的基本组成，但是将 MCU 中可利用的资源（包括 RAM、ROM、 串并行接口等）全部提供给用户，不是为了某种专门用途设计的。专用型 MCU 是指按 照具体用途而专门设计的 MCU，通常会在 MCU 内集成具有特定功能的硬件单元，比 如数字信号处理单元、蓝牙协议栈等。

通用型MCU是不针对特定应用的，用户可根据自身需求进行相应开发来满足特殊需求。 STM32 系列是典型的通用型 MCU 代表，STM32 的 17 个子系列，上千款产品可以满 足各个层级的开发者需求，针对高性能、主流、超低功耗和无线 4 大领域，既可用于先 进的智能神经网络处理、语音音频识别、无线互连等高级场景，也可用于图像用户接口、 电机控制、安全芯片以及 USB Type-C 快充等常见生活场景。广泛应用场景催生了众多 型号的 MCU 产品，通用型 MCU 的出现降低了产品研发和产品选型的难度，有利于快 速研制出符合需求的终端产品类型。

专用型 MCU 秉承“MCU 特定组件”的形式，旨在满足特定场景提出的专有需求。比 如针对电机类 MCU，需要增加数字信号处理单元，将传感器搜集到的外界信号进行梳 理，进而输入相应的指令；对于有无线连接需求的 MCU，会在 MCU 内集成 Wi-Fi 以及 蓝牙模块来满足无线通信需求；对于温度传感装置，通常会在 MCU 内增加对于温度信 号处理的数模转换器等。随着物联网的发展，基于场景化的应用层出不穷，需要 MCU 针对特定应用有更强的应对能力，催生更多专用型 MCU 需求。乐鑫科技的 ESP32 MCU 集成 Wi-Fi 和蓝牙功能，与外部 DSP 结合使用，功能丰富且极具成本效益。

3、ARM 架构提供兼容性体系，打造 32 位 MCU 通用平台

MCU 的芯片架构经历 4 代变迁。早期 Intel 主导的架构称作 MCU 的第一代架构；瑞萨 电子、微芯等公司自研内核的发展史代表了各家自定义架构的第二代 MCU 发展；近 10 年，随着需求侧对性能要求和处理能力的提升，32 位 MCU 逐渐成为市场主流，大部分 厂家 MCU 的内核逐渐被第三代 ARM 架构的内核替代；2014 年，基于现代需求设计的 第四代 RISC-V 架构推出，具有模块化、极简和可拓展的特点，目前主要在可穿戴设备 中应用广泛，但目前暂不具备和 ARM 类似的完善生态系统。

ARM 为目前主流架构，已形成完整的生态系统。ARM 架构实现了标准化，为设计平台 提供了代码兼容性和软件兼容性，促使主要厂商纷纷迁移到 32 位 MCU 产品开发，成 熟的架构迅速替代各家自定义架构，成为目前主流架构，全球前十大 MCU 厂商 32 位 产品均有导入 ARM 架构。同时 ARM 架构设计上更偏重节能、能效方面，在进入 21 世 纪之后，随着手机的快速发展而发展壮大，据软银数据，ARM 处理器逐步占领全球手 机市场，市占率高达 90%以上。

ARM 公司将 Cortex 系列细分为三大类，包括 A 系列、R 系列和 M 系列。在不同应用 领域具体内核不同，A 系列主要用于复杂的电脑应用，比如手机、服务器等；R 系列主 要用于实时系统；最早集成到芯片级的是 Cortex-M 系列，主要面向各类嵌入式应用的 MCU。

MCU 生态系统愈发复杂，已经扩展到芯片设计、软件设计、应用层，完整的生态系统 不仅要有前端，更要有后端的厂商加入才完美。目前 ARM 架构已形成较为完善的生态 系统。

RISC-V 于 2010 年推出，针对现代需求设计，具有模块化、极简和可拓展的特点，并 且不需要为了兼容老性能而做出牺牲。RISC-V 在配备操作系统、开发工具等的生态系 统方面不如 ARM 架构，产业联盟内部对 RISC-V 发展方向一直存在分歧。RISC-V 的 灵活可拓展性及高定制化使其在对生态系统依赖性比较小的新型市场（如嵌入式 IoT、 人工智能等）中拥有更大的潜力。目前，阿里平头哥推出了基于 RISC-V 的开源 MCU 平台，兆易创新等国内企业也相继推出基于 RISC-V 内核的 MCU 产品。

4、生态环境是 MCU 厂商建设重点，助力下游客户产品开发

MCU 芯片需要通过硬件设计和软件设计，最终实现商用化产品开发。MCU 芯片需要下 游厂商二次开发，下游厂商需要根据自身产品特点，进行系统设计，包括硬件和软件设 计。硬件设计指的是选择满足系统要求的 MCU 芯片和其它电子元器件，并进行电路设 计等。对于软件设计：

1）输入源代码，通常是借助 IDE（集成开发环境），用编程语言 编写代码；

2）进行代码编译，确保代码符合语法规则；

3）利用仿真系统调试程序，在 生成实际电路板之前，用仿真软件进行系统仿真，避免资源浪费。在软硬件设计完成后， 根据电路原理图生产 PCB 板，将 MCU 芯片及其它电子器件焊接在电路板上，进行系 统联调，直到最后功能无误。

MCU 厂商所构建的生态为客户提供更完善便捷的使用体验，是提升竞争力的关键。 MCU 的生态包括 IDE 环境、官网资料、基础驱动库、评估板和论坛支持等方面，下游 客户在使用所采购的 MCU 产品后，不仅需要产品本身的品质过硬，还需要与产品相关 的配套服务来支持客户自身的需求。MCU 厂商需要建立尽量完备的生态系统，使下游 用户在开发产品的过程中能便捷开发，同时能及时获取关于产品的相关文档，在遇到问 题时，可以得到有效的解决方案，MCU 厂商的竞争力才能得到提升。

意法半导体建立了行业领先的 MCU 生态系统，包括配套软件、硬件支持以及其它开发支持，主要由九个方面组成。

MCU 生态系统中的大学、联盟或组织、社区和云服务商等紧密相连，互相促进发展。 以大学为例，ST 在国内很早就开始与高校进行合作，兆易创新近几年也赞助了中国研 究生电子设计大赛，学生在校期间就可以接触前沿 MCU 公司的相关技术，学生毕业后 就成为了开发者，可以较快地融入到相应生态环境中进行进一步开发。MCU 标准通过 联盟或者组织之后可以成为行业应用，专业知识在社区内传播可以让更多的用户受益，云服务厂商借助设备可以为广大的 MCU 开发者提供云计算服务，这些都是 MCU 生态 系统的成员，各种角色在生态系统中互相配合，互相发展。

全球 MCU 市场规模约 150-200 亿美元，传统半导体厂商占据 MCU 市场大头。据 IC Insights 数据，2020 年全球 MCU 市场规模约 150 亿美元，2021-2024 年全球 MCU 市 场规模 CAGR 预计约为 6.08%，预计 2024 年市场规模可达 185 亿美元。据英飞凌官 网数据，2020 年全球 MCU 厂商市场份额占比前三位分别是瑞萨电子、恩智浦和英飞 凌，欧美及日韩系厂商在全球 MCU 市场份额占据绝对优势。

MCU 主要应用于汽车电子、工控/医疗、计算机和消费电子四大领域。根据 IC Insights 数据显示，2019 年全球 MCU 主要应用于四大领域，其中汽车电子占比高达 33%，是 MCU 的第一大应用市场，同时，工控、计算机和消费电子占比分别为 25%、23%、11%。