作者：Hedy (王雅慧)
愛文西門科技副理
一、Embedded System 簡介
在我們的生活周遭，嵌入式系統其實無所不在，大多數常見的電子設備，像是手機、電視、微波爐、洗衣機等，都是一種嵌入式系統。嵌入式系統就是一種嵌入在裝置內部，執行特定應用功能的系統，它內部會包含可編程的 MCU、可以操作或顯示數值的輸入/輸出硬體設備和指示微控器完成預定義任務的軟體。以恆溫器為例，恆溫器就是一種嵌入式系統，它的輸入像是溫濕度感測值和一組設定監測數值的按鈕，根據指令，恆溫器的 MCU 會調整一組輸出，像是啟動電風扇和空調設備。MCU 會擁有自己獨特的指令來監測或控制不同類型的輸入和輸出。嵌入式系統的整體架構如下圖所示：
接下來將針對嵌入式系統的內部架構，包含 MCU、指示 MCU 完成任務的程序和嵌入式系統的開發環境做簡單的介紹。
MCU
Microcontroller 又稱 MCU，是一種可以接受編程的積體電路，大部分的電子設備都會內含 MCU，開發者透過指令告訴 MCU 應該具有什麼行為，可以將其視為電子設備的大腦。以恆溫器來舉例說明，MCU 內部的指令會告訴恆溫器監測外部的溫度是否太熱或太冷，並根據情況做出反應，像是開啟或關閉空調設備。
Program
身為開發者，會建立一組指令告訴 MCU 應該要做什麼事，這組指令就稱為程序，簡單來說，程序讓 MCU 知道應該監測什麼輸入，以及如何適當地調整輸出來做為回應。以計算機為例，當按下"等於"按鍵時，計算機應該要執行所輸入的算術並顯示答案，這些事情都是透過編寫程序來完成的，一般多數會使用C 語言來做 MCU 開發。
IDE
IDE，全名為 Integrated Development Environment，又稱為整合開發環境，一般程式開發工作，從撰寫程式碼一直到程式編譯完成可以運行，中間會需要許多軟體的輔助，而 IDE 就是將這些散落的軟體整合在同一個程式中，簡化開發者的開發流程，因為在同一個程式操作畫面中，所有的工具都備齊了，讓開發者如同置身於一個開發環境中，因此我們稱這樣的程式為 IDE。通常各晶片廠生產的 MCU 或開發板，都會有其對應的 IDE，開發者透過圖形化介面和一些選項就能快速地將開發環境建置完畢，大幅提升了開發效率。
一般 IDE 是由程式編輯器 (Code Editor)、編譯器 (Compilier) 和除錯器 (Debugger) 三個主要組件所組成，以下分別對這三個元件做說明：
- 程式編輯器：程式編輯器提供了一個可以輸入程式指令的空間，一般程式編輯器會提供一些功能輔助開發者撰寫程式碼，像是自動縮排、顏色區別關鍵字、語法錯誤提示等等，讓開發者可以增加可讀性，並避免掉大多數語法的錯誤，提升開發效率。
- 編譯器：編譯器主要功能是將開發者輸入的指令轉換為 MCU 可以解讀、執行的二進制格式，可以將其視為語言轉換器，輸入給它程式原始碼，它會翻譯產生目的語言，翻譯過後就可以直接載入 MCU，讓 MCU 依照你編寫的程式去執行指定的任務。
- 除錯器：在開發程式的過程中，經常會遇到程式沒有按照開發者預期去運作的情況，這時候就會需要除錯器的輔助，它可以讓你逐行執行程式、設定中斷點、檢視變數的變化等等，幫助開發者追蹤錯誤，減少偵錯時間。
二、MCU 內部架構
MCU 就如同前面所說，它是一種 IC 或電腦晶片，在大多數的電子設備中都能找到它的蹤影。然而，有別於其他電腦晶片，MCU 是可以編程的，特過一組特殊的指令告訴 MCU 應該做什麼事，讓 MCU 如同裝置的大腦，控制裝置的運作。
下圖為 MCU 的架構圖，將 MCU 的組成結構簡單地劃分成四個部分，分別為 CPU、Program Memory、Data Memory 和 Peripherals，以下將針對這幾個部分再做說明。
CPU
CPU，全名為 Central Processing Unit，又稱中央處理單元，在 MCU 內部它是負責解釋各式指令和處理資料的部分，並處理各種訊息，可以將其視為 MCU 運作的核心，CPU 的架構組成大致上可歸類為兩個部分，分別是控制單元 (Control Unit) 和算術邏輯單元 (Arithmetic/Logic Unit, ALU)，以下針對兩個部分做說明：
- 控制單元：控制單元是 CPU 的指揮控制中心，負責從記憶體中擷取指令，分析、解讀指令要執行的動作，再依指令發出控制信號，指揮其它各單元執行指令規定的工作。
- 算術邏輯單元：算術邏輯單元主要負責算術與邏輯運算，算術運算就是對資料進行加、減、乘、除的操作；邏輯運算則是處理像大小比較、條件判斷等邏輯工作。
Program Memory
Program Memory 內部儲存一連串的程式指令，讓 CPU 可以依指令執行並完成所需的工作，CPU 在讀取指令時會搭配 Program Counter，也就是程式計數器，程式計數器會存放下一條指令所在的記憶體位址，CPU 先讀取程式計數器內部儲存的記憶體位址後，再到程式記憶體讀取指令出來執行，可以將程式計數器視為 CPU 讀取指令的參考，程式計數器在指令執行完畢後會自動更新，指向下一條指令的位址，確保程式碼可以連續地被執行。
大多數的嵌入式系統裝置會選用唯讀記憶體 (ROM) 作為程式記憶體，它是一種非揮發性記憶體，嵌入式系統必須確保程式在斷電後還能被保存，舉例來說，恆溫器電源被切斷後，程式依然要保存在內部，一旦重新上電，恆溫器要如同斷電前保持正常運作，讀取溫度感測值並調整溫度。ROM 符合此特性，它主要就是用來存放不常更動或永不變動的資料。
Data Memory
MCU 需要有一個儲存它蒐集或處理資料的地方，例如，記憶按鈕是否被按下，或是儲存近期量測的溫度值等，關於這些資料都被儲存於稱為資料記憶體的區塊中。一般會採用隨機存取記憶體 (RAM) 作為資料記憶體，它是一種揮發性記憶體，儲存資料會隨著電源關閉而消失，通常做為程式在執行時暫存資料的儲存媒介。
Peripheral
MCU 週邊設備並沒有標準的定義，所有 MCU 以外的附加功能都被歸類在 Peripheral 區塊中。週邊設備種類有很多種，大致上可以將它們分為兩類，第一類週邊設備是執行某些操作來輔助 CPU，完成 CPU 太忙碌而沒有時間處理的事情，降低 CPU 的負擔，舉例來說，許多人會使用洗衣機來洗衣服，但衣服其實也可以自己用手洗，只是他們選擇使用週邊設備。在 MCU 中，屬於此類型的兩個範例是計時器和通訊介面。第二類是週邊設備是執行某些 CPU 無法自行完成的操作來協助 CPU，此類週邊設備最常見的是 ADC 轉換器。
三、結語
看完了上面的介紹，相信大家對於嵌入式系統與 MCU 已經有了初步的認識，現在 MCU 技術已經非常成熟，價錢也日趨便宜，各 MCU 製造商又能提供十分完善的開發環境，它的成本低廉、體積小、功耗低和高可靠度，都使其應用領域愈來愈廣泛，從消費電子、工業領域到軍事國防，都可見其蹤影，相信未來也會不斷地創新和進步。那麼文章就到這邊告一段落，有機會可以再向大家介紹 MCU 的開發，下次見囉~