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マイコン（MCU）とは何？どんな仕組みで動作する？役割や活用例を解説

マイコン（MCU）とは何？どんな仕組みで動作する？役割や活用例を解説

半導体用語集

公開日：2024.10.11

「マイコン」という名前を耳にしたことがあっても、その役割や動作の仕組みを知っている人は少ないかもしれません。マイコンはMCU（Micro Controller Unit）といい、日常でよく使用するさまざまな電子機器に組み込まれています。

以下では、マイコンがどのようにデバイスの動作を制御・管理し、私たちの生活を便利にしているのかを深堀ります。

マイコンとは何か？役割は？

MCU（通称：マイコン）とは、CPUやメモリ、周辺機器を一つのチップに集積した半導体製品です。家電、自動車、産業機器など、さまざまな電子機器をリアルタイムで制御し、特定の作業を効率的に処理します。
低消費電力で、シンプルなシステムにも対応できる点が特徴です。

マイコンの主な役割は、電子機器やシステムの制御・管理です。具体的には、入力されたデータを処理し、適切な出力を生成することで、機器の動作を制御します。

例えば、ヒーターやクーラーであれば、温度センサーからのデータを読み取り、温度を調整することで室内の温度を一定に保つことが可能です。他にもユーザーからの操作入力を受け取り、ディスプレイに表示するなど、多岐にわたる機能を持っています。

マイコンの活用例

マイコンが組み込まれている製品は、日常的によく使用する家電製品や産業用途など幅広くあります。
以下に主な使用例を挙げます。

家電製品

エアコン：温度を感知して風向き・風量などの動作を制御

洗濯機：水・洗剤の投下などのプログラムの実行

電子レンジ・炊飯器：調理時間や温度を制御

マイコンにより、家電製品は省エネ機能が向上し、ユーザーが操作しやすいインターフェースを実現できるようになりました。また、スマート家電ではマイコンがネットワーク機能を集約し、他のデバイスやスマートホームシステムとの連携を可能にしています。

マイコンは、低消費電力で高効率な動作が求められる家電製品に最適であり、ユーザーの快適性や製品の長寿命化に貢献しています。

自動車

エンジン制御：燃料噴射や点火タイミングを最適化する

安全システム：エアバッグやブレーキシステム、トラクションコントロールなどのデータを処理し事故を防ぐ

快適装備：自動空調システムやシート調整、照明の制御など

ADAS（先進運転支援システム）：カメラやレーダー、センサーからのデータを統合し、自動運転機能や車線維持支援、衝突回避支援などを実現

自動車におけるマイコンは、車両の電子システム全般で使用されます。車両のパフォーマンス、安全性、快適性を向上させる重要な役割を果たしています。

マイコンはどのように動作する？

具体的にマイコンはどのように動作するのでしょうか？
洗濯機に搭載されたマイコンを例に、仕組みを解説します。

（1）プログラムの読み込み

マイコンは電源が入ると、内蔵されたプログラムを読み込みます。プログラムは事前にROM（Read-Only Memory）に書き込まれているもので、マイコンが何をどのように制御するかを定義しています。

洗濯機の場合、「お急ぎモード」や「標準モード」といった洗濯モードなどのプログラムが保存されています。

（2）クロック信号で動作

マイコンはクロック信号というタイミング信号によって動作します。クロックにはCPUの命令実行タイミングを制御する役割があり、一定のリズムで動作を進めます。

洗濯機では、洗濯時間やすすぎの時間がクロック信号で管理され、正確に進行します。

（3）データの入力

外部センサーやスイッチなどの信号が、マイコンのI/Oポートを通じて入力されます。
信号には温度センサーやボタン、光センサーなどのアナログまたはデジタルデータが含まれます。アナログ信号の場合、マイコンは内蔵されたアナログ-デジタル変換器（ADC）を使ってデジタル信号に変換します。

洗濯機には、水位センサーや温度センサーが組み込まれているため、そのセンサーがマイコンにデータを送信します。例えば、水位センサーは水量を測り、マイコンがそれに応じてバルブを制御し、水の流入を管理します。

（4）データの処理

入力されたデータはCPUによってプログラムを基に、計算、データ比較、条件分岐など、さまざまな操作を含む処理が行われます。

洗濯物の量に応じて水量を調整したり、温度によってはお湯の使用を決定したり、洗剤の量や洗濯時間もプログラムに基づいて決定されます。

（5）データの出力

処理されたデータは、出力ポートを通じて外部機器に伝えられます。

処理結果を基に、モーターを動かしてドラムを回転させる、バルブを開閉して水を入れる、排水ポンプを作動させるといった出力動作を行います。これにより、洗濯、すすぎ、脱水が正確に行われるのです。

（6）フィードバックループ

多くのマイコンでは、リアルタイムでデータのフィードバックを受け取り、システムの状態を継続的に監視・制御します。

洗濯が進行する中で、マイコンは継続的にセンサーからのデータを受け取り、必要に応じて動作を調整します。水が十分に溜まったら給水を停止し、洗濯物の重さに応じてドラムの回転速度を調整するなど、動作がリアルタイムで最適化されます。

（7）低消費電力の動作モード

マイコンの多くは低消費電力設計です。

待機中の洗濯機では、マイコンが「低電力モード」に入り、必要なときにだけ動作を再開します。これにより、洗濯機の全体的なエネルギー消費が抑えられます。

マイコンとSoCの違い

マイコンとSoC（System on Chip）は、どちらも多機能が一つのチップにまとめられた集積回路です。SoCとは、CPUやGPU（グラフィックス処理装置）、メモリコントローラ、通信モジュールなどが一つのチップに集積されている半導体製品です。

マイコンは、主に特定の制御タスクに使用され、シンプルな処理やリアルタイム処理が必要な場面で使用されます。対してSoCは、複雑な計算や多機能な処理を必要とするデバイスに使用されます。

以下にそれぞれの用途や構成要素をまとめました。

	マイコン	SoC
特徴	・比較的小規模なソフトウェアで動作・特定の制御タスクで使用・リアルタイム処理	・多機能性・高度な処理能力・高速なデータ処理
用途	家電製品、自動車の制御システム、産業用機器、IoTデバイスなど	スマートフォン、タブレット、スマート家電、テレビ、ゲーム機など
構成要素	CPU、フラッシュメモリ、RAM、タイマー、ADC、GPIOなどの基本的な周辺機器	CPU、GPU、メモリコントローラー、通信モジュール（Wi-Fi、Bluetoothなど）、各種インターフェース（USB、PCIeなど）
消費電力	低消費電力	用途によって大きく異なる
設計・製造	比較的シンプル	高機能なため複雑

SoCについては、以下の記事で詳しく解説しています。