組み込み機器について調べていくと組み込み機器はマイコンで機器の動作を制御していることが分かります。
私は機構設計から組み込みソフトウェアエンジニアに職種を変更し、7年間、組み込みソフトウェアエンジニアとして働いてきました。新規製品の開発、部門の立ち上げなどの様々なことを経験させていただきました。
この記事を読めば、以下のことが分かります。
・マイコンについて
・マイコンが使用される理由
・パソコン用CPUとマイコンの違い
・マイコンの役割
・マイコンの種類と需要
組み込みソフトウェアエンジニアの経験や仕事で得た知識をもとにマイコンについて解説します。マイコンとは？どのようなものか知りたい人は最後まで読んで見てください。
マイコンとは何か？
マイコンは組み込み機器の中に組み込まれています。組み込み機器の中には基板があり、基板の上に黒い四角形のマイコンや電子部品があります。例えば、冷蔵庫、スマートホン、電子レンジなどの電気製品に使用されています。
マイコンが使用された製品は身の回りにたくさんあります。
マイコンは機器を制御する電子部品であり、プログラムを実行するCPUです。ボタンを押すなどの入力に対して計算や条件判断を行い、ライト点灯などの出力を行います。
CPUはパソコンに組み込まれているintel製のCORE iシリーズや使用用途に合わせた製品に組み込まれるマイコンがあります。
マイコンがなぜ、組み込み機器に必要？
組み込み機器にマイコンが使用されている理由を説明していきます。
マイコン登場前の開発
昔の組み込み機器はハードウェアを組み合せて開発していました。例えばデジタル時計のライト機能やブザー音が変更できる仕様を追加するためには多くの電子部品を追加する必要がありました。
仕様追加により部品のコストが上がるだけでなく、サイズも大きくなってしまいます。それによりユーザーが求めていない製品になってしまい、メーカーやユーザーの両者にとってメリットがありません。
ハードウェアだけの開発は仕様変更に弱いです。
マイコン登場後の開発
ユーザーが求めている製品を開発するため、1970～1980年にマイコンが登場しました。マイコンに書き込まれるプログラムを書き換えることによってハードウェアを大きく変更することなく、様々な動作をさせることができます。マイコンに書き込まれるプログラムのことをファームウェアと呼ばれます。
マイコンを使用することにより仕様追加による部品コストの増加やサイズの増加を防ぎ、ハードウェアを大きく変更することなく、コストやサイズの問題を解決することができました。
マイコンは仕様変更に強いです。
ハードウェアのみで組み込み機器を開発するよりマイコンを使用した方がメリットが多く、現在はマイコンを使用した組み込み機器の開発が主流になりました。
パソコン用CPUとマイコンの違い
パソコン用CPUもマイコンと同様にプログラム実行するものです。両者にはどのような違いがあるか？解説していきます。パソコン用CPUとマイコンの違いは用途や機能によって使い分けられます。
イメージ的な話をすると、パソコン用CPUは汎用的に使用され、様々な機能を持っています。マイコンは特定の用途に合わせた限定的な機能を持っています。
デジタル時計のマイコンをパソコン用CPUに変更した場合、どうなるでしょうか。見ていきましょう。
今回はこの2つのCPUを比較します。
パソコン用CPU：パソコンに内蔵されているintel製の Core i5-12400F
マイコン ：６桁多機能マイコン時計キット(株式会社秋月電子通商にて販売)に使用さ
れるPICマイコンPIC18F25K22
サイズが大きくなる
パソコン用CPUは様々な機能が使用でき、この機能を実現するための回路があるため、サイズが大きくなります。
| CPU | サイズ |
|---|---|
| Core i5-12400F | 寸法12.7 x 幅7.6 x 高さ12.7 cm |
| PIC18F25K22 | 寸法2.095×幅 0.625×0.025cm |
パソコン用CPUではマイコンを使用した場合の様なサイズでデジタル時計を作成することができません。Core i5を使用するとデジタル時計のサイズが大きくなりますね
値段が高い
パソコン用CPUを使用すると1000円ぐらいのデジタル時計が数万なります。パソコン用CPUはマイコンと比較し、様々な機能や高い性能があり、価格が高くなります。
| CPU | コスト |
|---|---|
| Core i5-12400F | 1個 約2万円 |
| PIC18F25K22 | 1個 約400円 |
パソコン用CPUは価格が高く、コストの面から組み込み製品にパソコン用CPUが使用できないことが分かります。マイコンは使用する機能を使用用途に合わせて制限し、価格を下げているからCPUを組み込み製品に組み込めます。
消費電力が大きい
パソコン用CPUはマイコンと比較し、高性能です。性能が高くなると消費電力が大きくなります。
| CPU | クロック周波数 | 消費電力 |
|---|---|---|
| Core i5-12400F | 2.5GHz | 65 W |
| PIC18F25K22 | 64MHz | 1 Wよりはるかに小さい(モードや仕様によります) |
デジタル時計は乾電池を用いて電気供給にすることにより動作します。パソコン用CPUを使用すると乾電池の寿命が短くなり、頻繁に乾電池を交換することになります。パソコン用CPUを使用するとデジタル時計が使いずらくなります。
上記のようにCPUを組み込む製品によって向き不向きがあります。組み込み製品開発は用途に合わせたCPUの選定やコストが重要です。製品で必要とされている機能にあったCPUを選択する必要があります。
マイコンの役割は？
マイコンの役割はハードウェアの制御です。言い換えると基板上にある電子部品をプログラムに応じてマイコンが制御します。
マイコンは大きく分けてCPU、メモリ、周辺機器から構成されます。様々な機能をひとつのマイコンで処理できるため、ワンチップマイコンと呼ばれます。ではさまざまな機能について説明していきます。
メモリには2種類のメモリがあります。
ROMメモリ：プログラムを格納するメモリ
RAMメモリ：演算データを一時保存するメモリ
周辺機器は以下のような機器がマイコン内に実装されています。その他にDAコンバータ、電圧検知など様々な機能がマイコンにはあります。
入出力端子 ：デジタル信号の入力確認または出力する機能
タイマ ：外部から入力されるパルス信号のカウントや時間を測定する機能
ADコンバータ：センサなどからのアナログ信号を取り込んでデジタル信号に変換処
理する機能
通信機能 ：SPI、I2C、UARTなどの通信を処理する機能
マイコンの種類と求められている需要
マイコンはルネサス、STマイクロ、マイクロチップが開発しています。例えば、ルネサス製のマイコンにはRL、RA、RXシリーズがあり、用途によって最適なマイコンが販売されています。
近年、組み込み機器は従来の特定の用途に特化した機能だけでなく、IoT機能が求められます。IoT技術は組み込み機器とインターネットをつなぎ、外出先から機器の運転情報の確認や設定を行う技術です。
例えば、冷蔵庫を例に求められる機能を説明します。冷蔵庫は内部にある製品を設定温度に冷却する機能や冷凍する機能を持っています。IoT化によりスマホと冷蔵庫を連携されることで家や外出先から冷蔵庫の運転状況を確認することができます。外出先から温度設定、モードの変更やドアの閉め忘れを通知が来ます。
さいご
マイコンは使用する用途やコストに応じて選択する必要があります。各マイコンの特性を理解して性能と価格があったマイコンを選択しましょう。
以上、「組み込みソフトウェア開発に使用されるマイコンを解説！」でした。
