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微處理器與嵌入式系統教材

TIPCI臺灣國際專業認證學會製作

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微處理器與嵌入式系統導論

  • • 微處理器：CPU，負責運算與控制
  • • 微控制器(MCU)：整合CPU、RAM、ROM、I/O
  • • 嵌入式系統：針對特定任務的電子系統
  • • 常見應用：智慧家電、車用電子、IoT、機器人

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微處理器 vs 微控制器

  • 微處理器（CPU）
  • • 注重運算
  • • 外接記憶體與I/O
  • • 應用：PC、伺服器

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  • 微控制器（MCU）
  • • 整合記憶體與I/O
  • • 低功耗、小型化
  • • 應用：IoT、家電、控制系統

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嵌入式系統特性

  • • 專用功能
  • • 低功耗與高可靠度
  • • 記憶體有限
  • • 實時控制需求（RTOS）
  • • 高度整合、低成本

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ARM 架構簡介

  • • RISC 架構
  • • 低功耗、高效能比
  • • Cortex-A：應用處理器（Linux/Android）
  • • Cortex-M：微控制器（IoT、控制）
  • • Cortex-R：即時系統（汽車、工控）

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常見開發平台

  • • Arduino：入門控制、教育
  • • ESP32：Wi-Fi + BLE IoT
  • • Raspberry Pi：Linux 單板電腦
  • • STM32：ARM Cortex-M MCU
  • • FPGA：硬體邏輯開發

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嵌入式作業系統

  • 無作業系統 (Bare-metal)
  • • 快速、直接控制
  • • 用於單任務、高即時性

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  • RTOS (FreeRTOS, Zephyr)
  • • 多任務排程
  • • 優先權與中斷處理
  • • 定時任務與資源管理

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嵌入式通訊介面

  • • UART：非同步，點對點
  • • I2C：兩線，多裝置
  • • SPI：高速多線
  • • CAN：車用耐干擾網路
  • • BLE/Wi-Fi/LoRa：無線 IoT

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PWM / ADC / DAC 應用

  • PWM：馬達、風扇、LED亮度
  • ADC：讀取類比訊號（溫度、光、電壓）
  • DAC：輸出可調類比電壓

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感測器整合

  • 常見感測器：
  • • IMU（加速度/陀螺儀）
  • • 溫濕度
  • • 光照/距離
  • • 麥克風/音訊
  • 訊號處理：濾波、校正、校準

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嵌入式網路與 IoT

  • • MQTT / HTTP / CoAP 通訊
  • • Edge AI：本地推論，低延遲
  • • OTA：遠端韌體更新
  • • IoT 安全：加密、簽章、Secure Boot

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功耗管理

  • • 低功耗模式（Sleep/Deep Sleep）
  • • Clock gating
  • • 動態電壓與頻率調整 (DVFS)
  • • 喚醒來源：中斷 / RTC

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嵌入式安全

  • • Firmware 簽章與驗證
  • • Secure Boot
  • • Memory Protection
  • • OTA 回滾機制

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應用案例

  • • 智慧城市（感測節點、路燈）
  • • 車用電子（ADAS、ECU、CAN bus）
  • • 智慧家庭（Zigbee、HomeKit）
  • • 製造自動化（Robotics、Modbus）

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課程練習方向

  • • GPIO / PWM / ADC 讀取控制
  • • FreeRTOS 任務排程實作
  • • IoT MQTT 感測資料傳送
  • • Edge AI 小模型部署

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結語

  • 嵌入式 × IoT × AI = 智慧時代核心
  • 建議技能：C/C++、RTOS、ARM、通訊、硬體debug、AI Edge