微控制器（MCU）是什麼？讓家電和汽車動起來的小電腦
微控制器（MCU）是做在一顆晶片上的小電腦。裡面有執行指令的電路、存放程式的記憶體，以及和外部裝置溝通的電路。電子鍋、遙控器、汽車煞車等的「控制」，都由它負責。它不斷重複這幾件事：用感測器讀取、做判斷、驅動馬達等裝置。
這篇文章可以了解
- 微控制器裡面有什麼（CPU、記憶體、周邊電路）
- 和電腦、手機處理器的差異
- 「讀取→判斷→驅動」的循環，以及中斷的原理
- 如何守住固定的時間，以及靠電池長時間運作的方法
- 汽車裡有很多微控制器的原因，以及它們在舊世代工廠生產的原因
先備知識：不需要。先讀過「CPU是什麼？」，前半會比較容易理解。
生活中的例子
按下電子鍋的開關，它會依米量調整火力，煮好後切換成保溫。在這類機器裡做判斷的，就是微控制器。
根據日本政府的宣傳刊物（2020年），依米量調整加熱的微控制器式電子鍋，在1979年的日本問世。現在，熱水器、玩具等許多用電的產品裡都有它。汽車裡，有的甚至裝了超過100個。
微控制器的英文縮寫是MCU（Micro Controller Unit）。
一顆晶片，就是一整套小電腦
電腦需要執行指令的電路、記住程式和資料的記憶體，以及和外界溝通的接口。在個人電腦裡，這些多半是分開的零件。微控制器則把全部放進一顆晶片。
中心是一個個取出指令並執行的電路。它的工作和電腦的CPU相同，稱為「CPU核心」。
多數微控制器把程式存放在晶片內、關掉電源也不會消失的記憶體裡。這種記憶體稱為快閃記憶體，和隨身碟屬於同一類（細部方式不同）。一接上電源，CPU核心就馬上從這裡開始讀取指令。
量到的溫度和計算途中的數字，放在工作用的記憶體。微控制器多半使用一種叫SRAM的記憶體。它讀寫很快，關掉電源內容就會消失。容量依型號而定，從不到1 KB到幾MB都有。1 KB大約是1,000個半形英數字的量。
和外界相連的「周邊電路」
最能看出微控制器特色的，是和外界溝通的電路，統稱為「周邊電路」。代表性的有以下幾種。
- 輸入輸出的接腳：把晶片接腳的電壓當成0或1來讀取或輸出。可用來讀取按鈕、點亮LED等。稱為通用輸入輸出（GPIO）。
- 把類比轉成數字的電路：溫度感測器等會輸出隨溫度一點一點變化的電壓。這個電路把這種連續的值換成數字，稱為類比數位轉換器（ADC）。
- 計時器：計算以固定間隔送來的訊號（時脈），用來測量時間。
- 用開關來改變強度的電路：讓輸出快速重複開與關，用「開」的時間比例改變平均強度。可用來調整LED亮度和馬達轉速，稱為脈寬調變（PWM）。
- 通訊電路：依照固定的程序，和其他晶片互傳資料。有UART、I²C、SPI等方式。差異整理在「I2C、SPI、UART的差異」的表格中。
有些型號還有無線電路等。因為組合不同，微控制器的型號非常多。
和電腦、手機處理器的差異
電腦和手機的核心晶片，同樣也有CPU。不過，它們以快速執行大量應用程式為優先。工作用的記憶體（DRAM）是另一顆晶片，容量可達好幾GB。它們也執行Windows、Android這類管理整台機器的大型基本軟體（作業系統，OS）。
為了和微控制器區分，這類晶片稱為微處理器（MPU）。手機核心晶片（SoC）的內容，在「手機裡有哪些半導體？」中介紹過。微控制器則以便宜、省電、確實地完成固定的工作為優先。
| 比較項目 | 微控制器 | 電腦、手機的處理器 |
|---|---|---|
| 主要工作 | 照預定方式控制機器 | 執行大量應用程式 |
| 工作用記憶體 | 主要在晶片內。不到1 KB〜幾MB | 晶片外的DRAM。幾百MB〜幾GB |
| OS | 沒有，或是小型OS | Windows、Android等大型OS |
| 接上電源後 | 馬上運作 | OS開機要幾秒以上 |
表格只是大致的傾向，界線並不明確。也有很多產品兩者並用：畫面和網路交給處理器，時間要求嚴格的控制交給微控制器。詳細比較請看「MCU與MPU的差異」。
原理：重複「讀取→判斷→驅動」
微控制器的程式，多半是不斷重複同一組步驟的循環。以電子鍋為例，簡化成最單純的樣子來看看。
- 讀取：用ADC把溫度感測器的電壓轉成數字來讀取
- 判斷：把這個數字和目標溫度比較
- 驅動：溫度低就讓加熱器通電，溫度高就停止
這3個步驟以很短的間隔一直重複。用量到的結果決定下一個動作，再量一次動作的結果，溫度就能維持在目標附近。這種邊看結果邊調整的方式，稱為回授控制。實際的電子鍋會依浸泡、煮沸、燜飯等階段改變目標。這裡只取出其中一個階段。
中斷：對緊急的訊號馬上回應
也可以在循環中每次都檢查按鈕。不過，檢查的間隔一拉長，反應就會變慢，或漏掉很短的按壓。
因此微控制器有一種機制：訊號一來，就暫停目前的工作，先執行事先準備好的處理。處理完後，再從暫停的地方繼續原本的工作。這種機制稱為中斷。發出訊號的，有按鈕的接腳、計時器、通訊電路等。
中斷也可以當作叫醒睡眠中微控制器的訊號。和每次都去檢查的方式（輪詢）的差異，整理在「中斷與輪詢的差異」的表格中。
一定要守住固定的時間
微控制器的工作中，有時「一定要在固定時間內完成」比速度更重要。例如汽車的安全氣囊，必須在感測器偵測到碰撞後的極短時間內打開，否則就沒有用。
只要有一次沒趕上期限就算失敗，這種嚴格的時間條件稱為硬即時。微控制器的工作少又單純，內部會發生什麼容易預測，所以適合這種條件。電腦以公平執行大量應用程式為優先，不擅長保證細微的時間。
有OS的微控制器，沒有OS的微控制器
在電腦上，切換應用程式和管理記憶體由OS負責（「作業系統（OS）是什麼？」）。在微控制器上，常常不用OS，只靠前面的循環和中斷來寫程式。意思是在沒有OS、赤裸的硬體上直接執行，所以也稱為「裸機」（bare metal）。
工作變多、一個循環管不過來時，就會使用小型的OS。這是以守住期限為重點設計的OS，稱為即時作業系統（RTOS）。它替每項工作訂出優先順序，緊急的工作一來就迅速切換。
靠電池長時間運作：大部分時間都在睡
冷氣的遙控器，可以很久不用換電池。裡面的微控制器只有在按下按鈕時才有工作，其餘時間都在睡眠中等待。
沒有工作時，微控制器會停止送往CPU核心和許多電路的訊號（時脈）與電力，以極少的電力等待。這種狀態稱為睡眠模式。按下按鈕時，它被中斷叫醒，送出訊號後又回去睡。
電池能撐多久，會在「從數字來看」中計算。
8位元、16位元、32位元
介紹微控制器時，常會看到「8位元」「32位元」這些詞。大致來說，指的是CPU核心一次計算能處理的數字，有幾位0和1。8位元一次能處理0〜255，32位元則能處理到約43億的數字。這是簡化的說明，實際上還牽涉到能使用的記憶體範圍等（用0和1表示數字的原理，請看「電腦怎麼用0和1計算？」）。
位數越多，處理大數字和大量記憶體的工作就越輕鬆。另一方面，8位元微控制器的電路小，現在仍用在單純的工作上。自造用的開發板Arduino Uno（R3），用的也是8位元的ATmega328P。
不過，從營收來看，主流是32位元。調查公司IC Insights在2021年預測，當年車用微控制器營收約77%是32位元。16位元約18%，8位元約6%。
32位元微控制器常用的CPU核心設計，是英國Arm公司的「Cortex-M」系列。由Arm提供設計，各家公司把它放進自己的微控制器。根據Arm公司的發表，2020年10〜12月的3個月內，使用Cortex-M的晶片出貨了44億顆。
汽車裡的微控制器
汽車裡負責引擎、煞車、電動車窗、安全氣囊等的小型控制裝置，稱為電子控制單元（ECU）。ECU是在電路板上裝了微控制器，以及連接感測器、馬達的電路。
根據技術雜誌IEEE Spectrum在2021年的報導，便宜的車ECU數量也接近100個。高級車有的超過150個。
汽車的微控制器，要長年承受引擎旁的高溫、冬天的寒冷和震動。因此會使用通過規定測試、確認耐得住的零件。代表性的測試標準，是美國汽車電子協會（AEC）制定的AEC-Q100。
為什麼不在最先進的工廠生產？
手機的SoC，是用「3 nm」這類最先進的世代製造。相對地，多數微控制器是用比它早好幾代、已有實績的世代製造。根據McKinsey在2022年的分析，車用晶片多半是90 nm以上的世代。世代名稱的意思，在「「2奈米」「3奈米」是什麼的長度？」中說明。
原因之一，是存放程式的快閃記憶體。快閃記憶體寫入和抹除時要用高電壓。處理這種電壓的電晶體，即使世代前進，也無法以相同比例縮小。製程步驟也會增加，成本跟著提高。根據調查公司Yole（2024年），業界普遍認為極限大約在28〜22 nm。
瑞薩電子在2018年，開始出貨28 nm內嵌快閃記憶體的車用微控制器樣品（該公司稱為「業界首見」）。為了更往前走，也有改用新型記憶體取代快閃記憶體的動向。NXP和TSMC在2023年宣布，要在16 nm世代製造車用的MRAM，這是利用磁性的記憶體。
另一個原因是成本。微控制器的工作大多不需要最先進的速度，重要的是便宜，並且能以相同品質長期生產。不過，這些世代的產能不足，也是2020〜2022年汽車停產的原因之一（「晶片短缺為什麼會發生？」）。
程式要怎麼寫？
微控制器的程式，多半用C語言這種人容易讀寫的語言撰寫。再用電腦把它轉換成CPU核心能執行的0和1的排列（機器碼）。轉換好的機器碼，透過USB線等寫入微控制器的快閃記憶體。
像這樣裝在機器裡、平常不會改寫的程式，稱為韌體。
個人也能輕鬆試用微控制器。2021年1月，Raspberry Pi推出了4美元的開發板「Raspberry Pi Pico」。上面裝的是自家設計的微控制器RP2040，有2個Cortex-M的CPU核心。
不過，RP2040沒有內建快閃記憶體。程式放在板子上另一顆快閃記憶體晶片裡。「內建快閃記憶體」是多數型號的傾向，也有例外。另外，沒有「Pico」的「Raspberry Pi」，是能執行Linux的小電腦，不是微控制器。
常見的誤解
誤解：微控制器只是速度慢、性能低的CPU
實際上，兩者追求的目標不同。微控制器優先的是守住固定時間、耗電少、能直接和外部裝置溝通。把電腦的CPU放進電子鍋，價格和耗電都太大了。只比較時脈的數字會顯得慢，所以容易被當成「廉價的CPU」。
誤解：只有電腦、手機這類昂貴的產品裡才有電腦
實際上，電子鍋、遙控器、玩具裡都有。最早期的微控制器TMS1000（1974年發表），大量購買時1顆約2美元（美國電腦歷史博物館）。這些產品沒有螢幕也沒有鍵盤，只是不容易察覺裡面有電腦而已。
誤解：微控制器也一直在執行OS
實際上，如前面所說，很多微控制器不用OS也能運作。Windows、Linux這類大型OS需要的記憶體太多，裝不進一般的微控制器。因為電腦和手機有OS是理所當然的，所以容易以為微控制器也有。
從數字來看
| 項目 | 數字 |
|---|---|
| 使用Cortex-M的晶片出貨量（Arm公司） | 2020年10〜12月的3個月內44億顆 |
| 車用微控制器營收的組成（IC Insights，2021年的預測） | 32位元約77%、16位元約18%、8位元約6% |
| 一輛車的ECU數量（IEEE Spectrum，2021年） | 便宜的車也接近100個，高級車有的超過150個 |
| RP2040的工作用記憶體（SRAM） | 264 KB。約為iPhone 16 Pro記憶體（8 GB）的3萬分之1 |
用鈕扣電池來算算看睡眠的效果。根據Panasonic的資料，CR2032電池的容量是225 mAh。也就是能讓225毫安培的電流流1小時的量。假設把睡眠和醒著的時間平均起來，電流是0.01毫安培。這樣能撐22,500小時，約2.6年。如果平均是10倍的0.1毫安培，就約3個月。這是簡化的計算，省略了電池自然消耗的部分、溫度，以及瞬間流過的大電流的影響。
進一步學習
- 用表格看差異：NAND型與NOR型快閃記憶體的差異、ARM、RISC-V、x86的差異、CAN、LIN、車用乙太網路的差異（ECU之間的通訊）
- 下一步的用語：看門狗計時器、逐次逼近式ADC、區域架構
- 用數字試試看：PID控制步階響應模擬器（回授控制的動作）、LED電阻計算工具（把LED接到微控制器時）
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