1-1 微電腦系統單元 1-2 微電腦系統架構 1-3 微控制器（單晶片微電腦） 1-4 類比與數位訊號介面

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1 1-1 微電腦系統單元 1-2 微電腦系統架構 1-3 微控制器（單晶片微電腦） 1-4 類比與數位訊號介面
第1章 微電腦系統概論 1-1 微電腦系統單元 1-2 微電腦系統架構 1-3 微控制器（單晶片微電腦） 1-4 類比與數位訊號介面

2 1-1 微電腦系統單元 隨著科技的進步，自動化產品越來越多，已大幅改善人們的生活品質。
自動化的核心是微控制器（micro-controller unit, MCU），它就像是人的大腦一般，由有經驗的專家設計了它，並準確有效地擔任人們所賦予的工作而達到自動化目的。 微控制器無所不在，舉凡手機、遊戲機、家電（冰箱、冷氣、洗衣機、攝錄影機等）、健康醫療儀器、電腦及電視周邊、照明節能、汽車行車電腦、交通號誌控制等，皆可看到微控制器的蹤跡。 本章透過介紹傳統的微電腦系統五大單元，了解微控制器的內部概況，並透過各種微控制器家族的介紹，了解本書學習之Arduino 微控制器的特性。

3 1-1 微電腦系統單元 微電腦是由硬體（hardware）和軟體（software）所組成： 硬體是指有形的機器。
軟體則指用來控制微電腦工作的指令和程式。 本節先針對微電腦的硬體結構加以介紹。 微電腦的硬體結構包括了五個主要單元（unit），分別是輸入單元、輸出單元、記憶單元、算術邏輯單元和控制單元，其中算術邏輯單元和控制單元又可合併成為一個單元，稱為中央處理單元（central processing unit），就是所稱的CPU，這五個單元的關係如圖 1-1 所示。

4 1-1 微電腦系統單元

5 1-1 微電腦系統單元 CPU 是微電腦最重要的部分，它就像是人類的大腦一般，控制著各個單元的運作。以下簡介各單元的功用。
1. 輸入單元（input unit, IU） 　輸入單元的工作是將外來的資訊送到CPU 處理或直接存入記憶單元 個人電腦（personal computer，PC）上常用的輸入設備有讀卡機、磁碟機、鍵盤、光筆、滑鼠和掃描器等。 在實習上常見的輸入元件有指撥開關（DIP Switch）、按鈕開關、微動開關、極限開關、磁簧開關（Reed Switch）、鍵盤，還有可感測光（光電晶體）、溫度（溫度感測器）、濕度（濕度感測器）、聲音（麥克風）、磁場（霍爾元件）的各種物理量感測器等。

6 1-1 微電腦系統單元 2. 輸出單元（output unit, OU）
　輸出單元負責將CPU 處理過的資料，以人類或機器可以看懂的形態輸出或儲存。 PC 上常用的輸出設備有顯示器（monitor）、列表機（printer）和繪圖機（plotter）等。 在實習上常見的輸出元件有發光二極體LED、液晶顯示器LCD、七段顯示器、步進馬達、直流馬達、喇叭、蜂鳴器等。 3. 記憶單元（memory unit, MU） 　記憶單元是用來存放系統運作所需的程式（code）或資料（data），一般來說，程式是儲存在唯讀記憶體（read only memory, ROM）中，資料儲存在隨機存取記憶體（random access memory, RAM）中。

7 1-1 微電腦系統單元 4. 算術邏輯單元（arithmetic logic unit, ALU）
　　顧名思義，算術邏輯單元可執行算術運算（如加、減、乘、除等）及邏輯運算（如AND、OR、NOT、XOR 等），也可將資料或輸入單元送來的資訊，送到ALU 以執行各種運算；在運算完成後，再由控制單元將資料送回記憶單元存放，或直接送到輸出單元。 5. 控制單元（control unit, CU） 　　控制單元是微電腦的指揮中心，負責協調和指揮各單元之間的資料傳送及運作，使得微電腦可以按照人們的要求完成工作。執行一個程式時，控制單元： (1)先從程式讀取第一個指令。 (2)加以解碼（decode），瞭解指令的動作意義。 (3)執行（execute）這個指令。 然後再重複讀取下一個指令、解碼、執行，一步一步往下做，直到程式做完為止。

8 1-1 微電腦系統單元 由上述的五大單元說明可知，一套完整的微電腦系統，需由許多的控制晶片（chip）或IC 組成，一般稱這樣的系統為多晶片微電腦控制系統，主要用來設計較為複雜的控制系統，例如個人電腦就屬此類型。 由於此種系統使用的晶片數眾多、硬體成本高、體積大、電路除錯（debug）不容易，並不適合簡易的控制系統及互動裝置，因此就有了單晶片微控制器的需求。

9 1-2 微電腦系統架構 硬體上，微電腦各單元都是靠排線所組成的匯流排（bus）做溝通，是CPU 與各單元、周邊設備溝通不可或缺的管道，微電腦的匯流排依功能不同分為底下三種： 1. 資料匯流排（data bus）： 資料匯流排為傳送或接收資料的通道，為雙向，其寬度（資料匯流排的線數）代表CPU 一次能處理資料的位元數，一般稱為字組（word）。所謂的64 位元個人電腦指的是電腦的資料匯流排寬度為64 位元。

10 1-2 微電腦系統架構 2. 位址匯流排（address bus）：
位址匯流排可決定微電腦可定址的空間大小，為單向。每筆記憶體都需要有獨一無二的控制位址，才能正確存取，例如1條位址匯流排，接邏輯0 或1 時各可存取1byte 資料，因此能定址的記憶體大小為2bytes，同理，n 條位址匯流排，則可存取2n bytes 的記憶體。 3. 控制匯流排（control bus）： 控制匯流排為控制微電腦各大單元，進出微處理機之資料流向與時序的接腳，例如CPU 的讀寫 R/W 、中斷 INT 、重置RESET、致能腳 E 等。

11 1-2 微電腦系統架構 圖 1-2 所示為微電腦系統的硬體架構圖，從圖中可看出匯流排銜接各單元，透過CPU 發號司令，可有效的存取記憶體資料，也可控制周邊I/O 的讀入與輸出控制。

12 1-2 微電腦系統架構 有三個因素會影響到微電腦系統執行的速度與效能，分別是：
位元數：16 位元的微電腦在處理資料時，可同一時間處理2bytes，而32位元可處理4 bytes，所以32 位元的微電腦比16 位元的快，16 位元的微電腦比8 位元快。 時脈頻率：執行指令的速度與微電腦時脈產生器的頻率相關，時脈頻率愈高，指令執行速度愈快，例如MCS51 時脈頻率為12MHz，Arduino UNO板時脈為16MHz，ARM 則更快可達3GHz。

13 1-2 微電腦系統架構 指令集架構：微電腦的指令集架構可分為二種
複雜指令集CISC（complex instruction set computer） 精簡指令集RISC（reduced instruction set computer） 一般而言，指令集愈多則功能愈強，但過多指令集，會因解碼電路變多（或採用微指令碼設計）而影響效能，也因核心過大導致CPU 的時脈頻率不能太高；而RISC 指令數少，結構簡單，故速度較快，在體積、造價、功耗、散熱上都有優勢，缺點是因指令精簡化後造成程式碼變大，需要較大的程式記憶體空間。

14 1-2 微電腦系統架構 一般衡量CPU 速度的計量單位為 MIPS（millions instructions per second），是指CPU 每秒可執行多少百萬個指令，能執行的指令越多，代表電腦的工作能力越強。不過MIPS 並不是固定數值，常會因軟體不同而有不同，故需在某些固定的環境標準下運作才能採用此指標比較。

15 1-3 微控制器（單晶片微電腦） 微控制器（MCU）是將上述五大單元、以及一些周邊電路（定時/ 計數器、燒錄介面、類比／數位信號轉換）都整合在一塊晶片上的微型電腦，具有體積小、耗電低、外接少許零件即可工作的特點，可節約成本，十分適合當作微電腦控制實務、專題製作課程的主控元件，一般也稱為單晶片微電腦（single-chip microcomputer）。

16 1-3 微控制器（單晶片微電腦） 微控制器種類繁多，包含 歷史悠久， 相容產品眾多且使用廣泛的MCS51系列 （8051、89S51）
Microchip 公司的PIC 系列 Atmel 的AVR 系列 盛群半導體的HT48F/HT16F/HT32F 系列 安謀的ARM 註：ARM 稱為進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine），是一個32位元精簡指令集（RISC）的處理器架構

17 1-3 微控制器（單晶片微電腦） 將MCU、USB 燒錄介面都整合在一塊基板上的微型電腦，雖然不是晶片型態，但其功能屬性與微控制器相同，故仍歸類為微控制器，一般稱為單板電腦，像是美國Parallax 的BASIC Stamp、臺灣利基的BASIC Commander、義大利的Arduino Nano皆是，其外觀如圖 1-3 所示。

18 1-3 微控制器（單晶片微電腦） 根據處理能力的不同，MCU 可分為8 位元、16 位元及32 位元，其中位元數是指MCU 資料暫存器的寬度，而8 位元、16 位元多應用於家電及一般的控制領域，32 位元用於網路操作、多媒體處理、影像辨識處理的場合。 另外各開發商MCU 的輸出入I/O（Input/Output）接腳控制能力、A/D（類比/ 數位）信號處理能力不同，也會影響到使用者的系統開發與使用方便性。 表 1-1 為常用MCU 的比較表，本書以AVR 為核心的Arduino 為主。

19 1-3 微控制器（單晶片微電腦）

20 1-4 類比與數位訊號介面 微電腦系統是以圖 1-4(b) 數位的方式儲存或運算資料，它只認識邏輯「0」與「1」，其訊號變化是非連續性的（不會隨時間變化而變化的量）；但是環顧生活四周，自然界的物理量例如溫度、壓力、光、熱、重量及電流等都是連續性變化的量，所有的訊號都是以圖 1-4(a) 類比的方式呈現。

21 1-4 類比與數位訊號介面 物理量不是微電腦系統能直接使用的資料，所以要使用微電腦系統處理這些量，除了需要感測器（sensor）感應輸出類比訊號外，還必須經過類比對數位轉換電路（analog to digital converter, ADC），將一連串的類比信號轉換成數位信號後，微電腦系統才能將資料進行處理或儲存，整個微電腦物理訊號處理架構圖如圖 1-5 所示。

22 1-4 類比與數位訊號介面 圖 1-5 所示為一般微電腦進行訊號處理的架構圖，主要分成輸入、訊號處理、核心及輸出四部分，其中受控體會有回授訊號接至輸入，形成完整的閉迴路控制。以下針對圖 1-5 中一些重要的方塊進行說明。 感測器是指能將待測物理量或化學量轉換成電氣訊號的裝置或元件，有時也稱為感應器、察覺器、傳感器或轉換器，其中轉換後的電氣訊號可包含是位移變化、電阻變化、電壓變化、電流變化等，表 1-2 所示為實務上常見的幾種感測器，及其轉換後電氣訊號型態，無論何種，皆可透過電子電路取得，輸入至微控制器中處理。

23 1-4 類比與數位訊號介面

24 1-4 類比與數位訊號介面 放大電路的功能有二個： 進行阻抗匹配 放大輸出振幅
說明：由於感測器的輸出型態可能是電阻、電壓或電流的變化，因有些訊號非常微弱，故需要電路進行阻抗匹配，以避免負載效應，最後透過放大電路增加輸出振幅。

25 1-4 類比與數位訊號介面 簡介：ADC 電路可將放大電路送來的類比訊號，轉換成可供MCU 處理的數位訊號， 有些微控制器例如PIC、AVR、Arduino 內建ADC 電路， 使用上非常方便， 至於沒有內建ADC 的MCU，例如MCS51、BASIC Stamp、BASIC Commander， 則需要外接ADC專用IC（例如ADC0804）。

26 1-4 類比與數位訊號介面

27 1-4 類比與數位訊號介面

28 1-4 類比與數位訊號介面

29 1-4 類比與數位訊號介面

30 1-4 類比與數位訊號介面 圖 1-8 所示為不同工作週期的示意圖，紅線代表該波形的平均值，將工作週期為25% 的PWM 波形接至LED，則LED 的亮度會只有全亮時的1/4， 同理， 工作週期50% 接至LED，LED 呈現半亮狀態； 若將PWM 接至直流馬達，則可透過不同的工作週期控制馬達轉速。

31 1-4 類比與數位訊號介面 受控體是指受控制的設備或物體，例如冷氣、洗衣機，或是一些簡單的機電元件，例如LED、馬達、伺服機、電熱絲等。