嵌入式系統是「硬體 + 韌體」的整體設計，現代電子產品 99% 都是嵌入式。

一、嵌入式系統組成

                    ┌──────────────────────────┐
                    │      嵌入式系統          │
                    │                          │
   ┌──────┐         │  ┌──────┐  ┌──────┐    │
   │Sensor├────────►│  │ MCU  │◄►│Memory│    │
   └──────┘         │  └───┬──┘  └──────┘    │
                    │      │                  │
   ┌──────┐         │      ▼                  │
   │Power ├────────►│  ┌──────┐  ┌──────┐    │
   └──────┘         │  │ I/O  │◄►│Comm  ├────►── (外界)
                    │  └──────┘  └──────┘    │
                    │                          │
                    └──────────────────────────┘

核心元件

  1. MCU/MPU/SoC：運算核心
  2. 記憶體：Flash + SRAM/DRAM
  3. 電源：穩壓 + 管理
  4. I/O：GPIO、ADC、PWM 等
  5. 通訊：UART、SPI、I²C、USB、Ethernet
  6. 時鐘：晶體 + PLL
  7. 感測器：依應用

二、處理器分類

MCU（Microcontroller）

  • 整合 CPU + Flash + RAM + 外設
  • 低功耗、即時
  • 應用：感測器、控制、IoT

主流 MCU 家族

家族 廠商 特色
AVR（8/16-bit） Microchip（Atmel） Arduino 用
PIC Microchip 早期主流
8051 多家 經典 8-bit
MSP430 TI 超低功耗
ARM Cortex-M0/M3/M4/M7/M33/M55 ARM IP 業界主流
ARM Cortex-A ARM IP 高階（手機應用）
RISC-V 開源 新興
ESP32 Espressif Wi-Fi/BT 整合

經典 MCU IC

  • STM32（ST）：Cortex-M，廣泛應用
  • NXP LPC / i.MX：工業 / 汽車
  • TI MSP430 / TM4C
  • Microchip PIC32 / SAM
  • Renesas RA / RX / RL：日系
  • Nordic nRF52/53：BLE 強項
  • ESP32-S3 / C3：Wi-Fi + BT

MPU（Microprocessor）

  • 沒有內建 Flash，需外接 DDR + Flash
  • 高效能
  • 跑 Linux / RTOS

範例：i.MX 6/8、Allwinner A33、Rockchip RK3399、樹莓派的 BCM2711

SoC（System on Chip）

  • 整合 CPU + GPU + DSP + 各種週邊
  • 行動 / IoT 主流
  • Apple A 系列、高通 Snapdragon、聯發科

DSP（Digital Signal Processor）

  • 專門處理訊號
  • 應用：音訊、影像、通訊
  • TI C6000、ADI SHARC

NPU / TPU（神經處理單元）

  • AI 運算加速
  • Google Edge TPU、寒武紀、地平線

三、ARM Cortex-M 系列

主流嵌入式 MCU 核心。

主要型號

核心 性能 用途
Cortex-M0 0.9 DMIPS/MHz 低成本、簡單
Cortex-M0+ 1.0 DMIPS/MHz 低功耗
Cortex-M3 1.25 DMIPS/MHz 主流
Cortex-M4 1.25 DMIPS/MHz + FPU + DSP 訊號處理
Cortex-M7 2.14 DMIPS/MHz + cache 高性能
Cortex-M33 1.5 DMIPS/MHz + TrustZone 安全 IoT
Cortex-M55 4.5 DMIPS/MHz + Helium AI

核心特性

  • 32-bit RISC
  • Thumb-2 指令集
  • NVIC 中斷控制器
  • SysTick
  • DAP debug 介面

四、外設介面

GPIO（通用 I/O）

  • 輸入：浮接、上拉、下拉、interrupt
  • 輸出：推挽、開汲極
  • 中斷觸發：上升、下降、雙邊、電平

UART / USART

  • 異步串列通訊
  • 點對點
  • 速度：1200 bps – 數 Mbps
  • 用於：偵錯、Modem、GPS

SPI（Serial Peripheral Interface）

  • 同步、4 線（SCK、MOSI、MISO、CS）
  • 主從架構
  • 速度：MHz–100 MHz
  • 用於：Flash、ADC、感測器

I²C（Inter-Integrated Circuit）

  • 同步、2 線（SCL、SDA）
  • 多主多從、地址尋址
  • 速度：100k / 400k / 1M / 3.4M
  • 用於：感測器、EEPROM、即時時鐘

CAN

  • 工業/汽車匯流排
  • 差動、抗噪
  • 1 Mbps（Classic）/ 8 Mbps（FD）

USB

  • USB 1.1：12 Mbps
  • USB 2.0：480 Mbps
  • USB 3.x：5/10/20 Gbps
  • USB-C/PD：100W+ 充電

Ethernet

  • MAC + PHY
  • 10/100/1000 Mbps
  • TSN（Time-Sensitive Networking）

Wi-Fi / BLE / Zigbee / Thread

  • 整合在 SoC 或外接模組

ADC / DAC

(已在 03-中級篇/10 介紹)

PWM / Timer

  • 計時、馬達控制、PWM 輸出
  • Capture / Compare

五、即時作業系統（RTOS）

為什麼需要 RTOS？

裸機（bare metal）大型專案困難維護： - 多任務難協調 - 即時性難保證 - 程式碼複雜

常見 RTOS

RTOS 特色
FreeRTOS 開源、廣泛
Zephyr Linux 基金會、模組化
RT-Thread 中國開源
ThreadX / Azure RTOS 微軟
µC/OS 商業，認證好
VxWorks 高可靠（航太、軍用）
QNX 商業，汽車

核心概念

  • Task / Thread
  • 排程器（preemptive priority）
  • 同步：semaphore、mutex、queue
  • 中斷管理
  • 記憶體管理
  • 計時器

範例：FreeRTOS

void task1(void *param) {
    while (1) {
        // 工作
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
    }
}

int main() {
    xTaskCreate(task1, "T1", 256, NULL, 1, NULL);
    vTaskStartScheduler();
    while (1);
}

六、嵌入式 Linux

為什麼用 Linux？

  • 大量現成驅動與函式庫
  • 網路功能完整
  • 適合複雜應用

適合 Linux 的情境

  • 計算量大（影像、AI）
  • 多通訊（Wi-Fi、ETH、USB host）
  • GUI（顯示器）
  • 時間要求不嚴苛

不適合 Linux 的情境

  • 真實即時（µs 級）
  • 超低功耗
  • 開機極快（< 100 ms）
  • 簡單應用（成本高）

Linux 嵌入式發行版

  • Yocto Project / OpenEmbedded
  • Buildroot
  • Ubuntu Core
  • 廠商專用（如 i.MX BSP）

七、嵌入式硬體設計考慮

1. MCU 選用

評估： - 性能（MHz、MIPS） - 記憶體（Flash、RAM 大小） - 外設（哪些介面、多少通道） - 功耗 - 成本 - 工具鏈成熟度 - 社群支援

2. 開發板原型

  • Arduino（簡易）
  • ESP32 / Raspberry Pi（中高）
  • Nucleo / Discovery / EvalBoard（廠商）

3. PCB 設計

  • 振盪器靠近 MCU
  • 去耦電容每腳一顆
  • 偵錯介面（SWD、JTAG）
  • USB 連接器（如有）
  • 重置按鈕、開機選擇腳

4. 偵錯介面

  • SWD（Serial Wire Debug）：2 線，現代主流
  • JTAG：4–5 線，早期
  • UART console：簡單但有限

偵錯器： - ST-Link（ST 系列） - J-Link（廣泛支援，Segger） - Keil ULINK - Black Magic Probe（開源）

5. 韌體更新

  • ISP（In-System Programming）：開發
  • Bootloader 更新：在系統運行時更新
  • OTA（Over-the-Air）：遠端更新

八、感測器整合

常見感測器

類型 範例 IC
溫度 LM35（類比）、DS18B20（1-wire）、TMP102（I²C）
濕度 DHT22、SHT3x、BME280
壓力 BMP180、BME280
加速度 ADXL345、MPU6050
陀螺儀 L3GD20、ICM-20948（9 軸）
磁力 HMC5883L
光 TSL2591、APDS-9960
距離 VL53L0X、HC-SR04（超聲）
心率 MAX30100 / 30102
氣體 MQ 系列、SGP30
GPS u-blox NEO-6M / 8M / 9M
影像 OV2640、HM01B0
聲音 MAX9814、INMP441（I²S）

介面選擇

  • 簡單：類比（ADC）
  • 標準：I²C、SPI
  • 高速資料：SPI、I²S、Parallel、MIPI CSI

九、低功耗設計

MCU 功耗模式

模式 範例（STM32L4） 喚醒源
Run 12 MHz, 100 µA/MHz —
Sleep CPU off, 外設 on IRQ
Stop RAM 保留, 外設 off RTC, EXTI
Standby 大部分斷電 RTC, Pin
Shutdown 全斷電 Pin

設計策略

  1. 大部分時間 deep sleep
  2. 用 RTC 或外部 IRQ 喚醒
  3. 縮短 active 時間
  4. 用 DMA 減少 CPU 時間
  5. 外設 clock gating
  6. 降低時鐘頻率

量測

  • 微安級電流量測：µCurrent Gold、Joulescope、PPK2

十、安全（Security）

威脅

  • 韌體竊取
  • 資料竊取
  • 篡改
  • 重播攻擊

防護

  • Secure Boot：驗證簽章
  • Encrypted Firmware
  • TrustZone（Cortex-M33+）
  • Hardware Crypto Engine（AES、SHA、RSA）
  • TRNG（真隨機亂數）
  • Secure Element（如 ATECC608、SE050）

安全 MCU

  • ST STM32H5 / U5 / WBA
  • NXP LPC55S
  • Microchip CryptoAuthentication
  • Renesas RA6M5

十一、本章總結

✅ 您應該掌握：

  • [x] 嵌入式系統組成
  • [x] MCU/MPU/SoC 區別
  • [x] ARM Cortex-M 系列
  • [x] 主要外設介面（UART、SPI、I²C、USB、CAN）
  • [x] RTOS 基本概念
  • [x] 嵌入式 Linux 場景
  • [x] 偵錯介面與工具
  • [x] 感測器整合
  • [x] 低功耗設計
  • [x] 安全設計

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