智慧製造2019.05.28

找找看,你有幾個 Microcontroller?

飛飛

物聯網 硬體 創新

微控制器 MCU 說穿了,就是一台微形電腦。其尺寸總在僅僅數公分長、1 公分左右寬度之間。如此迷你體積,卻能涵蓋如同電腦般完整資料處理流程的功能,實在不得不讓人讚嘆。那麼 MCU 足以取代電腦了嗎?

 

Microcontroller 微控制器

在單一晶片(IC)上納含 CPU、記憶體(RAM 暫存、flash 快閃、ROM 唯讀三種俱全)、系統時鐘及 I / O 介面,等同四大電腦要件全都備齊;其中系統時鐘關乎 MCU 的資料處理速度。Micro-controller 之所以未被稱為 Micro-computer ,也就表示兩者實為不同。微控制器的主要定位在於控制用途,通常會被賦與預設功能,譬如:電流通過時,嗚響三聲;亦或是感測計量,像是溫度超過一定度數時,立即自動切斷電流。雖然微控制器體積迷你,通常在 4 至 32 等位元之間,也就使得其任務處理能力的數量,相對於一般電腦而言可謂相當受限。然而, MCU 的限制正是其優勢所在。MCU 可實現簡單操控機制,很適合用於如機械控制相關電路、溫控、燈號/訊號顯示等我們日常各式各樣的裝置與用品中;其迷你體積更使其易於藏身於這些大如紅綠燈號誌、ATM 機台等電子設備,小如隨身碟、溫度計等實用小物之內,因而微控制器亦稱之為嵌入式系統。MCU 的好處還在於其簡化電腦功能而促使其造價便宜;以及可預設功能的規格客製,例如:用途較需運算功能而著重於 CPU ;或是偏重記憶體容量,從而可依據成本 vs 規格提供更切合裝置所需的微控制器。事實上,自 MCU 於 1970 年代問世後,即全面變革我們生活日常的高、中、低三種粗略級別的機械類比控制,躍進精準化的數位顯示控制時代。而其日常應用的廣泛程度,超過你我的想像;除了上述品項外,從所有電子操控顯示版、手機、刷卡機,直到汽車內建裝置、遙控器等,全都能夠找到微控制器的蹤影。

 

微控制器、微處理器、CPU,都是談到數位資料處理核心運作時常常可聽見的名詞,其外觀搭配圖片看來也頗類似,那麼是否有所不同呢?

 

Microprocessor 微處理器

可能單一也可能結合數個晶片,其內亦含有 CPU;但除此之外就僅伴隨高量電晶體,以控管其與全屬外接的記憶體、硬碟及 I / O 介面相關活動。因此,迥異於記憶體、系統時鐘及 I / O 介面均一應俱全、可獨立作業的 MCU,微處理器必須結合其他元件才能構成足以資料處理的系統,並應用於如電腦、平板、手機等較大型的資料處理專用裝置。

 

CPU 中央處理單元

則為僅內含核心運算資料處理功能的元件,根據預設程式解讀指令後,進行指令要求的基礎算術、邏輯、控制、輸出/輸入功能。

 

SoC 則內含CPU、圖形處理、硬碟、 USB 接口、 ROM / RAM ,並具外接記憶體介面的 IC,通常具專屬應用特性,有些亦可程式化。FPGA 則為可再客製化的 IC 成品。

 

隨時代技術精進,微控制器的能力也一如電腦內的微處理器,體積愈發縮小,效能亦愈發提升。由於 MCU 可輕易內嵌入物件,耗能也因其迷你尺寸及相對簡易功能而具優勢,因此相當適用於未來 5G 智慧物聯網地端,像是:感測、邊緣運算


 

延伸討論

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關於感測器的兩三事

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感測收集的資料囊括類比、數位兩種訊號輸出。一般自然界的連續波都屬於類比訊號,包括:風速、太陽幅射、光強度、聲波、電波等;由於數位時代電子儀錶的蓬勃發展,許多感測器均已能轉化類比訊號為數位訊號,方便數位資料處理。隨著科學研發成果進展愈發豐碩,人類對環境中的基本物質愈發瞭解,透過物理特性(如:聲波回傳測距、幅射能反應為熱感指標等)、化學變化(如:特殊物質遇特定氣體產生濃氣味或色變的氣體偵測等)等感測指標也已愈發多元又精密,還能以不同感測數據交叉比對,滿足高精準度要求的感測結果。
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感測器怎麼裝?

飛飛
時間不回頭,感測回報的數據也沒有重來的機會。精準度當然是毫無疑問的考量。然而,感測器的裝設還牽涉成本,這其中除了裝置的初始成本,還必須考量維護成本、耗能成本等。因此,感測器的裝設看似簡單概念,實行起來倒像是裝置藝術了。這話怎麼說呢?
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晶片所面對的 5G 物聯網新需求

飛飛
晶片的設計與製造,始終都是效能、耗能與體積三角點之間的完美平衡。過往,資料處理具備像是電腦、行動裝置等獨立專用裝置,無非強調運算速率提升、記憶體存取速度加快等規格優越性,如今資料處理體系走出專用裝置,結合種種用途各異的電子物件,還有供新型雲端體系所承載巨量資料流處理的共享伺服器新興市場,再加上迎接 5G 所帶來全新通訊技術與規格的通訊功能,晶片產品進入了另一階段的新技術考量及挑戰。