パルスはハードウェアの回路に密着した技術といえます。組み込みエンジニアで制御系を扱う場合は特にパルス信号を扱う機会が多いために、トランジスタ等ハードウェア回路がどのようにしてパルスの発生させるかの仕組みを理解することが大切です。

パルスは典型的なデジタル信号で振幅は一定で時間軸のON/OFF期間が固定であったり、可変であったりするものです。外部スイッチのON/OFF入力も、外部へのON/OFF出力もマイコンからみるとパルスなのです。

パルスを自由に使いこなすことは制御系のプログラムの場合はある程度ものにできているといえるでしょう。通信で扱う信号も広義の意味ではパルスです。ただし、これはフォーマットにしたがって専用回路がすべてを作成しますのでパルスそのものを意識することはありません。

パルスはデジタル信号の一種でマイコンではアナログ信号に対して、ON/OFFの状態で示されます。
アナログ信号は時間経過につれて信号レベルの振幅が連続で変動するものでデジタル信号の振幅は常に一定です。

マイコンではクロックとよばれる基本パルスが水晶振動子などのパルス発振器から与えられ各処理をすすめるタイミング信号となります。クロックは心臓の鼓動と同じく止まってしまえば機能も停止してしまうマイコンの大事な基準信号です。

1サイクル1クロックで、例えば1MHzのクロック周波数の場合、1サイクルは1usなので1秒間に1,000,000個のパルスが発生しています。

信号といっても、電圧を伴わない信号、すなわち電気回路としてスイッチがON/OFFしているだけの信号を無電圧パルス信号といい、電圧を伴う信号を有電圧パルス信号といいます。
パルスの概念は、デジタルシステムであるマイコンの入出力およびマイコン内部の処理を理解するうえでとても大事ですので十分理解しておいてください。

これまで扱ってきた回路でも、例えば入力回路ではプルアップ・プルダウン抵抗などは無電圧信号を有電圧パルス信号に変換するためのものであり、出力回路ではプッシュプル出力は有電圧パルス信号、オープンドレイン出力は無電圧パルス信号を出力するものです。

無電圧信号は操作スイッチ、リレーなどによる接点信号やトランジスタによるオープンコレクタまたはMOSFETによるオープンドレインで出力される信号で、信号源が接点の場合、ドライ接点と呼ばれます。パルス信号として使用するにはその信号回路に電圧をかけて負荷に電流をながすことではじめて電気のパルス信号となります。

センサーの出力、制御機器の信号出力などにトランジスタオープンコレクタ形式がよく使用されます。
日本国内ではNPNトランジスタによるシンク出力が一般的で、海外ではPNPトランジスタによるソース出力の製品が多いです。

無電圧信号の特徴は信号を受ける側（入力側）で電源を自由に選択できることです。つまり、出力側とは別電源を使用できるのが特徴です。この場合グランドを分離できるため、ノイズ対策にも有効です。

 現在のマイコン電圧Vddは3.3Vが主流ですが1.8V, 0.9Vと低電圧のものがでてきています。
仕様電圧レベルを超えたものを与えると壊れる危険性があるため、よく理解して使用する必要があります。

ラインドライバとは伝送ノイズの影響を避けるために使われる平衡信号（差動信号）のことで互いに逆の極性のロジック信号を出力します。信号入力側には平衡型入力回路が必要ですが比較的長い距離でも安定して動作するのが特徴です。制御機器にはよく使われる仕様ですが、ラインドライバパルスはマイコンの入出力で直接つかうものではなく専用ラインドライバICで使えるようにすればよいのでここでは割愛します。

有電圧信号のうちトランジスタ素子をスイッチとした有電圧パルスはマイコンでよく使われます。
オープンコレクタ方式の無電圧信号にプルアップ抵抗やプルダウン抵抗で電圧パルスに変換するのは前述したとおりです。

パルス幅変調はパルスの幅（パルスがON/OFFの期間：デューティ比）を長くしたり、短くしたりして事実上の平均値を調整するものです。

例えばDCモータの速度コントロールはモータ電源電圧を調整すると電圧に比例して速度も調整できるのですが、電圧を変更するのに負荷に可変抵抗を直列につなぎ、抵抗値を変更するのが最も簡単な方法です。

この方法では可変抵抗を変更することでモータ電流もかわるのですが、抵抗器Rと電流Iとで大きな損失（＝I²R）が発生してしまいます。

これに対して、PWMとよばれるパルス幅変調方式では抵抗値により電圧値（振幅）を変更するのではなく、電圧の振幅は一定でON・OFFしている期間つまりパルス幅を調整することで平均値を調整することになるのです。したがって、抵抗器Rによる電圧制御に比べて損失が小さいのが特徴です。

スイッチング回路と呼ばれるパワーエレクトロニクス回路により入力電圧をスイッチ、つまりON/OFFをコントロールすることで所望の出力電圧が得られます。よく耳にするインバータはPWMの応用です。

マイコン周辺で使用する電気回路は直流回路ですのでそれほど難しくなく、オームの法則を知っていれば理解できるものです。ただし、教科書に記載している回路とは多少表記の仕方が違うためまず慣れる必要はあります。

回路は当然すべてつながっているのですが、表記では電源電圧とグランド(GND)を分離した略図で表記しています。電源電圧から何らかの回路（負荷）を通ってグランド（GND）に戻っていくのを連続で繰り返しています。

下図左が教科書などにある回路図というより配線図です。実際の回路を扱う上ではグランド(GND）の考えが必要となり、下図真ん中の形になります。実際の図面ではこれを簡略化して下図右のように表します。

ここでグランド（GND）という概念がでてきました。マイコン回路ではグランド（GND）は回路の基準電位となります。電位とは基準に対して電気的にどれくらい高いか低いかを表すもので単位はVです。2点の電位の差を電位差あるいは電圧といいます。

電源電圧などはこのグランド（GND）の基準電位に対する電位差のことですので、グランド（GND）の電位を基準値0Vと定義するとわかりやすいです。ただし、グランドの電位は絶対的な電位0Vではなくあくまで基準値としての相対的な0Vであることを頭のすみに置いておいてください。

グランドとかアースといった概念はとても奥が深いのですが、実際のマイコン周辺の回路設計においては実用的な機器を構成するためにはとても重要なポイントです。

マイコン周辺の回路図では電源とグランドを分離して表記することが多いです。マイコンはデジタル回路なので電気信号は電源電圧レベルのVdd（デジタル回路での一般表記）とグランドレベルのVss(デジタル回路での一般表記)かのどちらかです。また、デジタル論理では信号レベルがVddの場合1またはHレベル(High)で、Vssの場合0またはLレベル(Low)であるといいます。

簡略化した回路では抵抗による分圧も理解しやすいでしょう。

次のデジタル基本回路で動作を見てみましょう。
基本回路1では電源側（Vdd）に負荷抵抗Rが、グランド側(Vss)にスイッチが接続した構成です。スイッチON/OFFの状態で回路中間点の電位がどのように変化するでしょうか。

スイッチがOFFの場合は負荷抵抗には電流は流れません。したがって抵抗の両端には電圧はかかっておらず中間点の電位は電源電圧と同じです。つまり1(Vdd)です。スイッチがONになると負荷抵抗に電流が流れ中間点はスイッチのグランド側(Vss)と等電位になります。つまり0(Vss)です。

基本回路2では基本回路1の負荷抵抗とスイッチの位置が入れ替わった回路です。基本回路1と同様に動作をたどってみるとスイッチがOFFでは中間点の電位は0(Vss)、スイッチがONでは中間点の電位は1(Vdd)となります。

マイコンの入力ポートは端子に入力された0か1の信号を読み取る機能をもっています。

0か1の信号はそれぞれグランドレベルVssと電源電圧レベルVddです。
下記の二股スイッチによる回路がデジタル入力を簡易的に表したものです。
電源電圧側で入力１(Vdd)、グランド側で入力０(Vss)となります。

実際マイコンに入力として接続されるものにはセンサー出力やスイッチの接点などでそのままでは電圧を発生しないものがあり、電源直結の二股スイッチのように接続するだけで入力ポートに0と1の信号を直接与えられません。このような場合はどうすればよいでしょうか。

入力としてスイッチあるいはセンサー出力の一方がグランドレベルVssであるシンク出力タイプ（コラム1参照）を接続する場合、スイッチONでは入力ポート状態は0となりますが、なにもしない状態、つまりスイッチOFFではどこにもつながっていないため入力は不定（浮いている：フローティング）の状態です。

スイッチOFFのときに入力ポート状態を1とするためにはプルアップ抵抗を使用します。プルアップ抵抗があると入力が何もない状態でも入力ポートへの状態は1に確定されます。

入力としてスイッチあるいはセンサー出力の一方が電源レベルVddであるソース出力タイプ（コラム1参照）を接続する場合、スイッチONでは入力ポート状態は1となりますが、なにもしない状態、つまりスイッチOFFではどこにもつながっていないため入力は不定（浮いている：フローティング）の状態です。

スイッチOFFのときに入力ポート状態を0とするためにはプルダウン抵抗を使用します。プルダウン抵抗があると入力が何もない状態でも入力ポートへの状態は0に確定されます。

プルアップ・プルダウンの抵抗値は300Ωから100kΩくらいのもので本来はこの値は適当にきめるものではないのですが一般的に10kΩ程度をなんとなく使用している人も多いと思います。

値が大きいと負荷に流れる電流は小さいために消費電力は小さくなる利点があります。ただし値が大きすぎると小さな電流でも抵抗器で電圧降下が発生してしまうために、入力電圧はVddより下がります。

マイコン入力はC-MOSで構成された回路で高インピーダンス（コラム2参照）といって電流は発生しにくいためにこの電圧降下は考えなくてもよいので大きめの値でも大丈夫です。ただし、大きすぎると微小な電流の変化で電圧降下の変化分が大きく増幅されるかたちになるのでノイズの影響を受けやすいともいわれます。入力インピーダンスは入力抵抗のようなものでマイコンの仕様書で確認できます。

マイコン以外の回路ではプルアップ・プルダウン抵抗値は次段の回路に必要な駆動電流を考慮して決めます。駆動電流が小さすぎると動作しない部品もあるからです。最終的には抵抗値はバランスを考えて決定すればよいのですが、他で実際に使用されているものを参考するのがよいと思います。

マイコンの出力はC-MOSとよばれる半導体のスイッチング素子で構成されています。C-MOSの動作を説明するまえに半導体のスイッチング素子について考察してみましょう。

半導体スイッチの基本はトランジスタです。トランジスタは微小な信号を増幅して大きな信号にする増幅器として使われてきましたがマイコンを始めとするデジタルの世界ではスイッチの役割で使用します。

トランジスタはベースB、コレクタC、エミッタEなる3つの端子で構成されています。ここでは下図に示すNPN型トランジスタで話をすすめます。

ベースBに適当な負荷抵抗を介してベース電流I_Bを流すとコレクタCからエミッタEにコレクタ電流I_Cが流れます。ベース電流I_Bに対してコレクタ電流I_Cは数100倍になることがあります。トランジスタが増幅器とよばれる理由はこの微小な電流I_Bを大きな電流I_Cに電流を増幅するからです。（ただし大きな電流を流すコレクタにはそれ相当の電源を接続している必要があります。）

微小なベース電流I_Bを細かくコントロールするとその大きさに比例してコレクタ電流I_Cも比例します。ベース電流I_Bがあるところまで達するとコレクタ電流I_Cは頭打ちとなってそれ以上は大きくなりません。これを飽和したといいます。

アナログ回路の増幅器では飽和するまでが大事なのですが、スイッチとしてのトランジスタはこの飽和した状態でコレクタCとエミッタEが導通の状態を使用します。つまり、ベース電流I_B=0でI_C=0 のトランジスタOFF状態、ベース電流I_BがONにするためのしきい値I_ON以上でトランジスタON状態の2通りを使用します。

これまでは半導体スイッチの基本であるトランジスタで説明してきました。
実際にマイコンのスイッチにはトランジスタのかわりにMOSFET（電界効果トランジスタ）が使用されています。

トランジスタが電流を増幅する電流駆動のスイッチであるのに対して、MOSFETはゲートに電圧をかけると抵抗値が変化する電圧駆動のスイッチであるものだと理解してください。

MOSFETのゲート入力インピーダンスは高いために駆動電圧をかけても電流はほとんど流れません。つまり消費電力が小さくマイコン内部のスイッチとしてはこちらの方が集積回路として効率がよいのです。

マイコン用スイッチとしてMOSFETはトランジスタより有利ではあるのですが、静電気には弱い特性なのが欠点です。マイコンが静電気には弱いICであるのはMOSFETで構成されているからです。

トランジスタとMOSFETは特性の差はあれ半導体スイッチとしての動作はほぼ同じものとしての理解でよいと思います。マイコンに使用されている回路はMOSFETですので今後はこちらで話をすすめていきます。

マイコン汎用出力ポートは1(High)か0(Low)の情報を出力します。
プッシュプル出力タイプと呼ばれているものはデータ1を出力するときに、出力ピンが1(High)、データ0を出力するときには出力ピンは0(Low)のどちらかの電圧レベルを出力します。

対して、オープンドレイン出力では出力データが0のとき出力ピンは0(Low)となるのですが、出力データが1では出力ピンは電圧不定の浮いた状態のタイプです。
汎用出力ではこの2種類が利用できますので、用途に合わせて選択します。

トランジスタの場合はオープンコレクタ出力といいます。

マイコンの出力回路はMOSFETのP型であるP-MOSとN型であるN-MOSを対称に構成したC-MOS（Complementary　MOS）回路で構成されています。マイコン出力が1(High)のときはP-MOSがONとなり対称のN-MOSはOFFとなります。マイコン出力が0(Low)のときはP-MOSがOFFとなり対称のN-MOSはONとなります。つまり、プッシュプル出力の回路です。

C-MOSプッシュプル出力回路に負荷としてLEDをシンク接続した回路の動作を確認してみます。

マイコン出力が1(High)であるとP-MOSはONになり電源Vddに接続します。N-MOSはOFFになって切断されます。その結果、出力ピンは1（High）となるためLEDには電流が流れ点灯します。

マイコン出力が0(Low)であるとP-MOSはOFFになり電源Vddとは切断されます。N-MOSはONになってグランドVssに接続されます。その結果、出力ピンは0（Low）となるためLEDは両端がVssに接続したことなり消灯します。

C-MOSプッシュプル出力回路に負荷としてLEDをソース接続した回路の動作を確認してみます。

マイコン出力が0(Low)であるとN-MOS はONになりグランドVssに接続します。P-MOSはOFFになって切断されます。その結果、出力ピンは0（Low）となるためLEDには電流が流れ点灯します。

マイコン出力が1(High)であるとN-MOSはOFFになりグランドVssとは切断されます。P-MOSはONになって電源Vddに接続されます。その結果、出力ピンは1（High）となるためLEDは両端がVddに接続したことなり電流が流れないため消灯します。

出力にオープンドレインを選択した場合はP-MOSが無効で使用されないと考えればよいです。

このため、マイコン出力が1(High)であるとN-MOSもOFFで出力ピンはどこにも接続されていない浮いた状態となります。マイコン出力が0(Low)であるとN-MOS はONになりグランドVssに接続するため出力ピンは0（Low）となります。

マイコンの出力ポートはC-MOSで構成されている回路です。このC-MOSの出力ピンには許容可能な最大電流が決められています。STM32マイコンの場合は各ポート単位で8mAまでとしておいてください。

負荷に流れる電流がLEDのように小さいものならば出力ピンに直接接続して使うことができますが、出力で駆動したい負荷（出力につないで使いたい負荷）はLEDのような小さな駆動電流で機能する抵抗負荷ばかりではありません。

例えば、リレー、モーターのような誘導負荷やヒーターのような駆動電流の大きな負荷などがあります。また、一つ当たりの負荷容量が小さいLEDの場合でも個数が多い場合はマイコンの許容電流を超えてしまいます。
このような場合は、マイコンと負荷の間にインターフェース回路を設けて駆動します。

トランジスタをインターフェースとしてLEDを駆動する回路を見てみましょう。マイコン出力ポートが1(High)のとき、トランジスタにベース電流が流れONとなり導通します。その結果LEDに電流が流れONします。

トランジスタには電流増幅機能がありますのでベース電流に対して負荷LEDに流せるコレクタ電流は電源容量で許される限り大きなものが流せます。つまり、ベース電流は小さいものですむためマイコンの許容電流を気にせず負荷電流を流せるようになります。

マイコン出力にフォトカプラというインターフェースを介して負荷を駆動する回路を見てみましょう。

フォトカプラは入力側と出力側が電気的に絶縁している素子です。入力側の電源と出力側の電源を別のものにすることで、負荷側で発生したノイズを分離してマイコンの誤作動を防ぐことが可能です。

フォトカプラは入力側の発光ダイオードを駆動して、出力側のフォトトランジスタをON/OFFするスイッチです。出力側トランジスタの許容範囲で負荷を駆動することができます。

フォトカプラによる出力インターフェースではマイコン出力によりフォトカプラ発光ダイオードを駆動して出力トランジスタをONにします。駆動電流I_Fは抵抗器Rによりを調整します。

フォトカプラによる入力インターフェースでは外部スイッチ等によりフォトカプラ発光ダイオードを駆動して出力トランジスタをONにします。駆動電流I_Fは抵抗器Rにより調整します。

トランジスタをインターフェースとした場合と似ていますが、フォトカプラは入力と出力が電気的に絶縁しているところが異なります。フォトカプラの仕様にもよりますがトランジスタの場合に比べて電流増幅率はそれほど大きくありませんので選定時には仕様書で負荷電流をよく調べる必要があります。

フォトカプラを使った設計の詳細は「組み込みハードウェア設計」で解説しています。

DCモーター、ステッピングモーターなどを制御する場合、トランジスタなどの半導体スイッチを組み合わせた回路を構成して駆動するのですが、すべて機能がワンパッケージに内蔵された専用ドライバーICを使用するのが便利で構成部品も少なく、性能およびコスト面で有利です。

ドライバーICの入力側は各ドライバーの仕様に合わせたものを与えればよいだけです。実際の開発にあたっては対象のモーター仕様が決まり次第、性能、価格そして流通性（取得のしやすさ）を踏まえて市販のドライバーICを選択します。

マイコンのIOポートには保護ダイオードが内蔵されていますが、これはクランプ回路と呼ばれています。信号の過電圧（サージ電圧など）や静電気放電(ESD)などから回路を保護します。

ダイオードが図のような構成であることで、IOポートの信号電圧はVss(GND)からVdd(電源電圧)の範囲をこえたものであっても範囲内に制限されます。

操作用スイッチの動作にはモーメンタリとオルタネイトの2種類があります。

マイコンの入力ピンに接続するスイッチはモーメンタリ動作するタイプであれば、カウンタ、タイマーと組み合わせていろいろな機能をもたせることができるようになります。

ビットとは2種類の状態（0と1）によって区別するデータ量の単位で、1ビットデータは0と1でOFFとON状態の区別表現ができます。 
マイコン内部では数値は2進数で扱われます。2進数の桁数のことをビット数と呼びます。

1バイトは8ビットのことです。同様に16ビットを1ワード、32ビットをロングワードと呼びます。
バイトはBと表すため、例えば16kバイトは16kBと表現します。

デジタル論理の考え方はプログラミングにおいても必須でソフトウェア的なものはあえてここでは説明しませんが、最低理解しておいてほしい基礎だけをあげておきます。

AND（アンド：論理積）、OR（オア：論理和）、NOT（ノット：否定）、NAND（ナンド）、NOR（ノア：）,XOR（エクスクルーシブオア：排他的論理和）のうち特にAND、ORの真理値表、演算とNOTは覚えずとも理解はしておいてください。

ここで取り上げたいことはマイコン周辺回路内で使われるデジタル論理です。マイコンはデジタル回路なので電気信号は電源電圧レベルのVdd（デジタル回路での一般表記）とグランドレベルのVss(デジタル回路での一般表記)かのどちらかです。デジタル論理では信号レベルがVddの場合1またはHレベル(High)で、Vssの場合0またはLレベル(Low)であるといいます。

スイッチで構成したAND, OR, NOT回路をみてみましょう。
スイッチがONで1、OFFで0であると定義すると、AND回路の入力はスイッチが直列につながれていますのですべてのスイッチSW1,SW2,SW3がONであるとき出力OUTは1つまりONします。

OR回路ではスイッチが並列につながれていますので、SW1,SW2,SW3のいずれかのスイッチがONであれば出力は1となります。

NOT回路では入力が1のとき、OUT1は1ですがOUT2は0で反転出力となっているためNOT回路です。NOTを入れることは論理を反転するともいいます。

論理の考えはプログラム内のみならず、回路周辺にも使用する重要な概念ですので理解しておいてください。

マイコンには８ビットでは現ルネサス社のH8シリーズ、16ビットでは電子工作で人気のMicrochip社のPIC24Fシリーズ、そして32ビットではARMコアのをもつST社のSTM32シリーズなどがあります。

8ビットマイコン、16ビットマイコン、32ビットマイコンとありますが、このビットはなにを意味しているのでしょうか。

一言でいうと一度に処理できるデータ（バス）の幅のことです。

マイコンを構成している大要素としてCPU、メモリ、I/Oがあります。このうち頭脳部分にあたるCPU(中央演算装置）はメモリに記録されているプログラムを読み込んで、その指示通りに処理や計算を行います。

メモリは記憶装置のことでプログラムを格納するROM、一時的な変数などを格納するRAM、RAMやROMなどのメインメモリを読み書きする際のアドレスを保持したり、CPUや周辺機器の動作状態を保持・変更したりするレジスタという特殊なメモリがあります。

I/Oは入出力ポートのことで、マイコン内のI/Oはマイコン内蔵の周辺機能（AD、DA、タイマ、通信など）との橋渡しする部分のことです。

CPUを中心としてデータがメモリやI/O間でバスとよばれる通路間でやり取りされるのですが、このデータの大きさがCPUのビット（ビット幅、ビット長）で決まっています。

CPUが一回の処理で8ビットマイコンであれば8ビットの大きさのデータが、32ビットマイコンであれば32ビットの大きさのデータがやり取りされます。
ビットが大きいほうが一度に処理されるデータが大きい、つまり処理速度が速いことになります。

ビットが大きいマイコンのほうが小さいマイコンよりも処理速度は早く高性能ですが、その分設定も回路も複雑になります。

さきほどデジタルの話で標本化、量子化、符号化の話がでてきました。ここでは詳細を解説します。デジタルとは端的に表現すると情報をとびとびの離散した値による符号にして表現したものです。

アナログ信号からデジタル信号をつくるためにはAD（Analog-Digital）変換を通して数値を時間軸で刻んでサンプリング（標本化ともいう）し、信号の大きさ（信号の振幅）を離散的な数値に刻むことを量子化といいます。
その数値を2進数の0と1に変換することを符号化といいます。

例えばオーディオCDのサンプリング周波数fは44.1kHzですのでサンプリング周期Tは　T=1/(44.1x1000)=22.676usとなります。
ちなみにサンプリング周波数がfの場合、デジタル信号はその半分の周波数f/2まで表現できます。（詳しくはサンプリング定理を調べてください）。

通常の人間が知覚できるといわれている周波数上限は約20kHzといわれているためCDの音質はほとんどの領域を満たしていると言えます。

量子化ビットが2ビットでは4段階（2の2乗)、4ビットで16段階（2の4乗)、nビットでは2ⁿ段階となります。例えばオーディオCDの量子化ビット数は16ビットですので65,536段階（2¹⁶）です。
マイコンのADコンバータ（アナログ-デジタル変換）で量子化ビットが8ビット（256段階）の場合、例えばアナログ信号最大値5Vのマイコンでは量子化ビット256で分解するので分解能は5/256=0.0195Vです。

イメージスキャナなどで画像データを取り込むときに各色（RGB)8ビット256段階で取り込むことが多いですが、この場合は24ビットカラー（8ビットx 3色）と呼ばれ約1677万段階の色を表現できます。
ただし、色の表現としては各色（RGB)8ビット256段階は単色の場合には表現力があまりよくないために、各色12ビット4096段階や各色16ビットに対応しているものもあります。

サンプリング周波数が高く、量子化ビットが大きくなるにつれて、信号はより連続のものに近づいていくことになります。

量子化ビットは組み込み技術においてはアナログ信号を扱ううえで重要な概念です。

アナログとは連続した物理的な量のことをいいます。例えば自然界の音や光の強さなどは連続したアナログ量です。これらの量を電気的に変換して観測すると連続した波形となっています。

一昔前のレコードやカセットテープはアナログの典型的なもので、原音から録音時にレコード盤では溝の形状に情報として再現できるように記録したもので、カセットテープは磁気により情報を記録したものです。

これらのメディアと呼ばれる媒体はアナログの情報で記録されているので、時間が経つと劣化します。ノイズが入るともいいます。レコードの場合は音がとんだり、カセットテープの場合はテープ自体の伸びなどで音が伸びたり縮んだりします。

コンピュータの出現とともに普及したデジタルの概念は、自然界の物理的な連続した量に対して離散的な数値で表現する方式です。

離散的な数値とはある量を短い一定期間（サンプリング期間）で区切って表す数値のことです。時間軸で刻むことを標本化(サンプリング)といい、ある量の大きさを離散的な数値に刻むことを量子化といいます。
この数値の大きさを2進数の0と1で表現することを符号化といいます。デジタルは0と1だけの世界だというのはこの符号化したものを意味しています。

また、サンプリング期間は短くなればなるほど連続したものに近づくため、例えば音であれば自然に近づき音質がよくなります。
サンプリング期間を表すものにサンプリング周波数といい、例えばCD音質は44.1kHzであるといった表現をします。CDの音は1秒間に44,100回に区切られて処理されたものであるため人間の耳には連続にしか聞こえません。

アナログ情報は劣化するのに対して、デジタル情報は劣化しません。
例えばCDは符号化した数値をCDというメディアに記録しているので、音の再現ではこの符号化した数値を44.1kHzのサンプリング周波数でデジタル値として取り出し、このデジタル値をDA（Digital-Analog）コンバータという機能を用いてアナログ値に変換して音として表現するのです。

ここで大事なところは、マイコン内部で扱える情報はデジタル値のみですが、この世の中はアナログ的なもので成り立っているため最終的にはすべてアナログであるということです。

例えばマイコン内部でデジタル音源はDAコンバータでアナログ音源に変換されますがこの音源はアナログ電圧信号の状態ですのでこのままでは何も聞こえません。

人の耳に聞こえるようになるまでは微小なアナログ信号をできるだけ忠実に増幅するアナログ電子回路（増幅回路）、増幅したアナログ信号をできるだけ良い音質に再現するヘッドホンなどアナログ技術のインターフェースが必要なのです。

マイコンへの入力と出力にはアナログとデジタルの2種類があります。自然界のさまざまな物理量をセンサで電気信号に変換したものがアナログ入力となります。アナログ入力の場合はマイコンが処理できるようにするためにAD変換とよばれるアナログからデジタルに変換する工程が必要です。

対して、スイッチの状態やON/OFF（０と１）の繰り返しであるパルスまたはさまざまな通信規格にしたがった信号はデジタル入力でマイコンは直接処理することができます。

マイコンはとりこんだ入力をプログラミングされたデジタル処理を施して電気信号として出力するものですが、これにもアナログとデジタルがあります。

アナログ信号として出力する場合はマイコンで処理した情報をDA変換と呼ばれるデジタルからアナログに変換する工程が必要です。アナログ信号として出力された電気信号は目的に応じた変換装置（アンプ）で所望の物理量に変換します。

対して、ON/OFFを切り替える状態出力や、所望の周波数パルスまた通信規格に従った出力はデジタル出力とよばれます。

アナログとデジタルがマイコンを扱ううえでとても重要な概念であることが理解できたと思います。

今の世の中ではさまざまなプログラミング言語が存在しています。その中でC言語は比較的歴史が長いのですが、廃れることなくいまでも組み込みでの開発言語として現役で使用されています。

他のプログラム言語に比べて、コードが軽くリアルタイムの制御に向いているなどの利点に加え、歴史が長い分、これまでの資産が豊富にあることもいまでの現役である理由でしょう。

ARMマイコンにはC言語は必須です。総合開発環境にもC言語やC++が標準です。C言語の歴史は古い分、成熟したプログラム言語でそれだけ書籍も豊富で自分にあったものも見つけやすいでしょう。抽象的なプログラミングだけの学習ではなく、マイコンを操作しながらの具体的に学習であれば独学でも短期間で習得できるでしょう。

C言語に限らずどの言語でも文法上の最低限のルールや言語開発環境ツールに一度慣れるとあとは独学でもどんどん学習をすすめていけるものです。はじめのきっかけの一歩をどうするかが問題なわけですが、このサイトではできるだけ早い段階で組み込み開発の環境でマイコンとC言語の学習を同時に行うことをおすすめします。

C言語はプログラミング言語のなかでも古典的な分類にはいるわけですが、その分、文法的なクセに慣れさえすれば、例えばWindowsアプリ開発プログラム言語のC＃に比べて最新の知識やオブジェクト指向プログラミングをあえて意識する必要はないためむしろ単純ですっきりしていると思います。

C言語は高級言語ではあるのですが、汎用言語なのでなんでもかんでも既成の便利関数が用意されているわけでもなく、基本的な標準関数を利用してちょっとした機能を自作の関数という概念で作り上げていくことでスキルアップしてくこともC言語の醍醐味です。

一言でC言語といっても、言語の文法は共通なのですが、組み込みで使用するものはマイコンの仕様により多少異なりますので合わせる必要があります。言葉でいえば方言のようなものです。

方言のなかでも仕様が異なるのは変数の宣言の仕方のところくらいのものです。STM32マイコンのコンパイラはARM社が定めたCortex-Mシリーズで標準化されたCMSISインターフェース規格に準じています。

小数点を扱う場合は浮動小数点型を使用します。Cortex-M3搭載のSTM32は演算をソフトウェアで行うので超高速ではありませんが32マイコンですので十分可能です。変数の型は単精度4バイトではfloatを、倍精度8バイトではdoubleを指定します。これらはARM特有ではなく、標準的なものです。

C言語で組み込み特有のものといえば"volatile"修飾子のついた変数を使うことです。

volatile修飾子をつけて変数を宣言するとコンパイル時に最適化を抑止します。組み込み系では下記の例のように変数はCPUが常に関わっているものばかりではありません。

コンパイル時に最適化されると、コード自体は無駄を削られたり処理速度が向上するのですが組み込み系特有の変数でCPUとは関連なしにハードウェアと密接に関わっている変数などは最適化により想定外の動作をしてバグを発生させることがあります。

このため、変数により"volatile"修飾子をつけて宣言してコンパイル時に最適化させないようにします。ARM系コアでは修飾子として "__IO"をつけます。

この章ではマイコンの開発プログラミングに必須なC言語について解説してきました。プログラマーの間ではC言語は難易度が高く、敬遠されがちなところもあるようですが、プログラミング言語としてC言語そのものが難しいのではなく、初心者には難しい側面があるだけです。

組み込み初心者としては、比較的単純な構造のプログラミングでマイコンを操作することで慣れていくことをおすすめします。C言語特有の難解な概念のものは後回しにして、基本の演算や制御を操作しながら、変数の概念をしっかりおさえることが上達のツボであることを解説しています。

ARMマイコンの開発するC言語の仕様はARMの規格にしたがっており、変数表記が汎用C言語と多少異なりますが、違いはその部分だけです。

コンピュータが存在する以前の世界は身の回りはハードウェアばかりでした。電気製品においてもテレビなどは機能をすべて電気・電子回路のハードウェアで構成していました。自動車においてもそうです。すべて機械部品のハードウェアで構成されていました。

コンピュータが登場して、ソフトウェアという概念ができました。コンピュータは自然界のアナログ的（物理的）なもの、例えば光の強さや音の大きさなどをセンサーなどの入力機器を介して取り込み、内部でデジタルに変換してからコンピュータプログラムによりさまざまな機能を付加して求められている形態で出力するものです。

このコンピュータプログラムがソフトウェアと呼ばれているものです。ハードウェアのような形はありません。
そのため、コンピュータのサイズが小さくなればなるほど、同じ機能をもったハードウェアだけで構成されていたものより小型になり機械的な部品点数が減るため、故障も少なくなり量産しやすく価格も下がるのです。

ハードウェアの知識も一昔前とは違い、インターネットを活用するとかなりの情報が得られます。この知識を活かして実際にハードウェアなる回路を自分で組むことは理解を深めることへの近道です。

組み込み技能はソフトウェア（プログラミング）だけを扱って実物（ハードウェア）を知らなければまったく身につきませんし、役にもたたないでしょう。実際にプログラミングしながら、入力や出力を計測しながら完成度を高めていくことが組み込みの醍醐味、魅力なのです。

マイコンはCPU, ROM, RAM, I/Oポート その他各種機能で構成されています。

レジスタは主にマイコンの状態を保存および確認するための特殊なメモリです。CPUのレジスタではCPUの状態を保存および確認するのに使われます。具体的には演算途中のデータ、割り込みやサブルーチンでプログラムが分岐した時の戻り先アドレス、演算結果が負値、ゼロになった場合の情報や桁上がり値などです。

CPUの汎用レジスタはハードウェアでCPUに直結しているので、内部バスを経由してデータにアクセスするRAMよりも高速アクセスできます。

周辺機能の制御レジスタでは汎用入出力GPIOとよばれるI/Oポート、タイマ、シリアル通信、ADコンバータ、DAコンバータなどの周辺機能を設定するのに使われます。

周辺機能の状態を示すステータスレジスタやADコンバータの変換結果を保存しておく結果レジスタや通信機能では送受信データを保存する送受信データレジスタなどがあります。

直接プログラムからレジスタを設定することもできますが、通常はメーカーから提供されているファームウェアライブラリ（デバイスドライバ）を使用しますのでレジスタは直接意識せず、間接的に設定することになります。

ただし、ある程度理解ができたところで仕様書などにかかれている各レジスタに目を通しておくことは理解を深める上でおすすめします。「ARMマイコンSTM32レジスタマップの見方」を参照してください。

マイコンにはたくさんの足（ピン）があります。マイコンのデータシートをみると各ピンにいろいろな機能が割り当てられているのが確認できます。

いろいろな機能とはアプリケーションで使用する汎用I/Oポート、AD/DAコンバータ、タイマ・カウンタ、シリアル通信などの便利な機能のことです。

マイコンのピン数は限られているので一つのピンに複数の機能を割り当てられていてソフトウェアで使用する機能を選択できるようになっています。

各種機能を以下に紹介しますのでここでそれぞれの概念を理解してください。

タイマ・カウンタを利用した信号出力の例を見てみましょう。この例はタイマ用に1kHzに分周したクロックを使って任意の一定間隔の出力を作り出すものです。

ここではクロックをカウントするのにアップカウンタを使っています。アップカウンタは0から設定した値まで入力クロック（パルス）を増やす方へカウントし、設定値に達すると0に戻ってまたカウントを繰り返します。

設定値に達した時の通知として出力状態を反転（ここではHレベルとLレベルを入れ替える）する例です。

ここではタイマ・カウンタを利用した信号出力を例に挙げましたが、作成するアプリケーションにおいて時間にかかわる処理はすべてタイマ・カウンタで実現できます。

タイマ・カウンタはCPUとは独立したハードウェア回路による機能なのでCPUには負担を与えず高度な処理を行うことができます。タイマ機能の中でも応用用途の広い便利なPWMをもったマイコンもあります（PWMについては後に詳細を解説します）。

マイコン自体はデジタル信号を扱うものですが、アプリケーションにおいては音、光、温度などアナログ的な信号を扱う用途は多々あります。ADコンバータはアナログ信号をマイコンが処理できるデジタル信号に変換する必要不可欠な機能といえるでしょう。

UART-USB変換ケーブルを使用するとPCともつなげてフリーのシリアルターミナルソフトや専用のアプリを作成すると操作やモニターが簡単にできます。このようにUSART通信は用途がいろいろなアプリケーションに広がるためぜひ習得してほしい機能です。

定期的で頻繁に起こるようなイベントに対してはポーリング処理でよく、発生頻度の低いイベントで確実に処理タイミングを厳密に合わせたい場合はハードウェアによる割り込みが向いています。アプリケーションに合わせて使い分けるとバランスのとれたシステムが構築できます。

DMA機能はマイコンアプリケーションを作成する上では必須の機能ではありませんが、CPUの負担を減らし、アプリケーションのパフォーマンスをより向上させたい場合に活用するとよいでしょう。

マイコンの機能は色々あるのですが、各ピンを構成する回路はほぼ共通です。I/Oポート（GPIO）のレジスタを設定することで機能を割り当てます。これら各機能については後ほど詳細に解説しますのでここでは割愛しますが、これらを利用するための基本回路[詳細はこちら]をとりあげてみます。

通常はプッシュプル出力を使うことが多いですがオープンドレインは出力ロジックの電圧レベルの変換やワイヤードORとして使われます。C-MOS出力同士の接続はショート防止のため禁止ですが、オープンドレイン出力の場合はショートしませんのでワイヤードORとして接続できます。

ここでC-MOSがでてきましたがこれはComplementary MOSとよばれるものでP型MOSFETとN型MOSFETを相補的に組み合わせた論理回路のスイッチング素子の一種です。

マイコンでは電源投入直後、メモリに書き込まれているプログラムを開始位置から順次実行していきます。
実行手順として、初期設定たとえば、ポート定義、使用する周辺機器（ペリフェラル）の定義などを行います。

準備ができたところで、メインループと呼ばれるところでアプリケーションの処理を定期的に繰り返し実行します。この繰り返しの周期をプログラムのサイクルタイムといいます。

様々なアプリケーションに必要な複数の処理を順次実行してサイクルタイム毎に繰り返します。サイクルタイムは処理の内容によりかわってきます。比較的単純なアプリケーションではこれでも問題ありません。

割り込み信号を外部から定期的に与えるとサブルーチンや割り込みハンドラと呼ばれる処理ブロックを決まった間隔で実行させることができます。後ほど説明するOS（オペレーションシステム）を使用すると、処理ごとにタスクと呼ばれるブロックにわけて定期的に優先順位を設けて実行させることもできます。

モータ制御などの速度を算出する処理などは比較的高速でサイクルタイムは短めであることが必要ですが（10ms以下）、モニター表示などは長めのものでも問題ありません（100ms程度）。

さまざまな処理が複雑に絡み合うアプリケーションではOSを使用すると効率よくプログラムが構成できるようになりますのでOSを使用することは組み込みには必須なスキルでしょう。

そもそもマイコンなる名称はかつてPCが現代ほど普及していない時代にスーパーコンピュータなど大型コンピュータに対して呼ばれた「マイクロコンピュータ」の略からついたものでこの当時のマイコンは現代普及しているPCの前身のようなものです。これに対して、現在マイコンとよばれるものは電気機器の制御に特化したワンチップICのことで「マイクロコントローラ」と呼ぶのがふさわしいです。

これらの機能がマイコンにはたった一つのパッケージ内にすべて内蔵されており、しかも当時とは比べ物にならないくらい演算処理が高速ですべてが高性能です。

マイコンの基本さえ知っていればちょっとしたシステムならば思い立ったらすぐに短期間でしかも安価で構築できてしまいます。
機能の仕様変更があった場合に、電気回路などのハードウェアで構成されている部分はすべて作り直す必要がありますが、ソフトウェアで構成されている部分はプログラムの変更だけですみます。

つまり、製品の中でソフトウェアの占める割合が大きいものほど仕様の変更に柔軟に対応できます。最近のスマートフォンはこの傾向が強く現れています。

炊飯器とマイコンの関わりをみてみましょう。
炊飯器は研いだお米に水加減を適切に釜にセットしたものを火加減を調整しながらおいしく炊き上げるものです。

人の手で炊飯をする場合は火加減と時間をうまく調整することが美味しく炊きあがるコツとなります。
電気炊飯器はタイマーや温度を感知するバイメタルのようなセンサーと加熱をするヒーターの組み合わせで構成されています。

マイコン非搭載の電気炊飯器はタイマーを使って全自動でご飯が炊けるようになったため人の手で炊飯するのに比べ大変便利になったのですが単純な機能のため好みの炊き加減はできません。

これに対して、マイコン搭載の炊飯器は温度を感知するセンサーと加熱用ヒーターとの間にマイコンがあります。マイコン出力で操作したリレーやSSRなどのスイッチング素子でヒーターへの熱量を操作します。

電気製品のスイッチといえば機械的に接点をつなげたり切り離したりするもので回路の電流を直接導通させたり、絶縁させたりして製品機能のオン・オフを切り替えます。

マイコン搭載の電気製品の場合、マイコンの入力に機械的なスイッチをつなげて、マイコン出力をスイッチとして機能させると単なるオン・オフだけでなく、プログラムにより時間と組み合わせて、長押しなどさまざまな機能をもたすことができます。

こうすると見た目は従来どおりの機械的な単機能のスイッチに見えますが多機能な性質をもつスイッチに化けています。

例えばLEDをスイッチで点灯する回路についてみてみましょう。
アナログLED回路の場合はスイッチをONにしたときに発光、OFFにしたときは消灯の単純な回路(図1）です。これと同様の回路をマイコンで実現すると図2のようになります。

図2のスイッチはマイコンへ入力としてONの状態(1)とOFFの状態(0)のいわゆるデジタル信号を与えるものです。この入力状態をマイコンでチェックしながら何らかの処理をすれば任意の出力つまりLEDに任意の点灯をさせることができるようになるのです。