Mikrocontroller-Grundlagen:Struktur, Arbeitsprinzip und Anwendungen

Mikrocontroller an Bord

Quelle:Wikimedia Commons

Bevor Sie in die Welt der eingebetteten Elektronik eintauchen, müssen Sie verstehen, worauf es ankommt. In diesem Feld müssen Sie beispielsweise Ihre Codes schreiben. Und es ist fast unmöglich, dies zu tun, wenn Sie die Grundlagen von Mikrocontrollern, die verwendete Programmiersprache oder ihre grundlegenden Programmierkonzepte nicht verstehen. Sonst wissen Sie nicht, wo Sie anfangen sollen, und sind auch überfordert.

Aber es gibt gute Neuigkeiten:

In diesem Artikel lernen Sie die grundlegenden Dinge kennen, die Sie für den Einstieg in die eingebettete Elektronik benötigen. Wir werden besprechen, was es ist, wie der Mikrocontroller funktioniert, die grundlegende Struktur und mehr.

Fangen wir an!

Was ist ein Mikrocontroller?

Mikrocontroller

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Bevor Sie den Mikrocontroller definieren, ist es wichtig zu beachten, dass er sich vom Mikroprozessor unterscheidet (auf den wir später in diesem Artikel eingehen werden).

Allerdings ist der Mikrocontroller ein IC mit sehr großer Integration. Und es umfasst die E/A-Ports, die Logikeinheit, den Speicher, die elektronische Recheneinheit und andere Module, die auf einem einzigen Chip verschmolzen sind. Man kann das Gerät auch als Single-Chip-Computer bezeichnen.

Außerdem ist der Mikrocontroller auch ein Embedded Controller. Und das liegt daran, dass das Gerät zusammen mit der unterstützenden Schaltung in das Gerät geht, das es steuert.

Mikrocontroller finden sich in vielen Geräten oder Anwendungen, die Daten anzeigen, messen, steuern, speichern oder berechnen. Interessanterweise führt die Automobilindustrie die Liste der größten Mikrocontroller-Anwender an. Schließlich benötigen Fahrzeuge das Gerät zur Motorsteuerung und Regelung anderer Systeme.

Ein weiterer Bereich, in dem Mikrocontroller üblich sind, ist die Unterhaltungselektronik. So findet man Mikrocontroller in Öfen, Digitalkameras, DVD-Playern usw. Auch Test- und Messgeräte verwenden Mikrocontroller, z. B. Funktionsgeneratoren, Multimeter usw.

Mikrocontroller-Grundlagen– Wie funktioniert der Mikrocontroller?

Typischerweise führen Mikrocontroller ein bestimmtes Programm aus und bleiben bei einer Aufgabe. Sie arbeiten also, indem sie Eingaben von dem Gerät erhalten, das sie steuern. Folglich hilft dies den Mikrocontrollern, die Kontrolle zu behalten. Und es tut dies, indem es Signale an verschiedene Teile des Geräts sendet.

Beispielsweise funktioniert der Mikrocontroller eines Fernsehers, indem er Eingaben von der Fernbedienung erhält. Dann liefert es die Ausgabe auf dem Fernsehbildschirm.

Die Arten von Mikrocontrollern

Wir haben verschiedene Mikrocontroller basierend auf den folgenden Kategorien:Befehlssätze, Speicher und Bits.

Anweisungssätze

Es gibt zwei Kategorien von Mikrocontrollern basierend auf der Befehlssatzkonfiguration:

RISIKO

Dieses Akronym bedeutet Computer mit reduziertem Befehlssatz. Dies geschieht durch Verringern des Taktzyklus für jeden Befehl. Und es hilft, die Arbeitszeit zu verkürzen.

CISC

Dieses Akronym steht für Complex Instruction Set Computer. Und es erlaubt Benutzern, eine Anweisung als Option für verschiedene einfache Befehle festzulegen.

Erinnerung

Speicherkarte (RAM)

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In der Kategorie Speicherkonfiguration gibt es zwei Arten von Mikrocontrollern:

Mikrocontroller mit eingebettetem Speicher

Diese Art von Mikrocontroller hat normalerweise so viele Komponenten auf dem Chip wie Timer und Zähler, I/O-Ports, Datenspeicher, Interrupts usw. Ein Beispiel für einen Mikrocontroller mit eingebettetem Speicher ist der Intel 8051.

Externer Speicher-Mikrocontroller

Das Design dieser Art von Mikrocontrollern hat keinen Programmspeicher auf seinem Chip. Ein hervorragendes Beispiel für einen Mikrocontroller mit externem Speicher ist der Intel 8031.

Bits

Es gibt drei Arten von Mikrocontrollern in der Kategorie der Bitkonfiguration:

32-Bit-Mikrocontroller

Sie finden den 32-Bit-Mikrocontroller in Geräten, die eine automatische Steuerung verwenden, wie medizinische Geräte usw.

16-Bit-Mikrocontroller

Der 16-Bit-Mikrocontroller ist nützlich für Anwendungen mit hoher Leistung und Genauigkeit. Sie können diesen Mikrocontroller also für logische und arithmetische Operationen verwenden. Ein hervorragendes Beispiel für diesen Mikrocontroller ist der Intel 8096.

8-Bit-Mikrocontroller

Der 8-Bit-Mikrocontroller ist der kleinste in dieser Kategorie. Und Sie können ihn verwenden, um einfache Aufgaben wie das Ausführen logischer und arithmetischer Operationen wie Division, Subtraktion usw. auszuführen. Beispiele für diesen Mikrocontroller sind auch Intel 8051 und 8031.

Grundlegender Aufbau eines Mikrocontrollers

Der Mikrocontroller besteht aus drei grundlegenden Komponenten:I/O-Ports, Speicher und die Central Processing Unit.

Andere Komponenten dieses Geräts sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Aber die oben genannten sind unterstützende Geräte. Wir werden uns also die Hauptkomponenten eines Mikrocontrollers anhand seiner Struktur genauer ansehen.

Mikrocontroller-Grundlagen– Erinnerung

Typischerweise benötigen die meisten Rechensysteme zwei Arten von Speicher:Daten- und Programmspeicher. Der Datenspeicher hilft dabei, temporäre Informationen zu halten, während er Anweisungen ausführt. Aber der Programmspeicher besteht aus dem Programm. Das heißt, es enthält die Anweisungen, die die CPU ausführen wird.

Bus

Der Systembus ist eine der Komponenten, über die am wenigsten gesprochen wird. Aber es ist ein wichtiger Teil des Mikrocontrollers.

Es bezieht sich auf eine Sammlung von Verbindungsdrähten, die die CPU mit anderen Peripheriegeräten wie den E/A-Ports und anderen unterstützenden Komponenten verbinden.

Mikrocontroller-Grundlagen– Prozessor

Die CPU ist wie der Regen des Mikrocontrollers. Und es besteht aus zwei Teilen:der CU (Control Unit) und der ALU (Arithmetic Logic Unit).

Die CPU ist also für das Decodieren, Lesen und Ausführen von Anweisungen zum Ausführen von Daten-, Logik- und arithmetischen Übertragungsoperationen verantwortlich.

Unterbricht

Die Interrupts sind eine weitere wichtige Komponente des Mikrocontrollers. Und es hat einen Interrupt-Handling-Mechanismus. Außerdem kann diese Komponente softwarebezogen, ewig, hardwarebezogen oder intern sein.

Mikrocontroller-Grundlagen– I/O-Ports

Die I/O bezieht sich auf die Input/Output-Ports. Diese Komponente bietet dem Mikrocontroller eine Schnittstelle zu externen Anschlüssen. Beispielsweise geben Eingabegeräte wie Tastaturen, Schalter usw. Informationen von einem Benutzer an die CPU weiter. Und das in Form von Binärdaten.

Wenn die CPU also die Informationen von den Eingabegeräten erhält, führt sie geeignete Anweisungen aus. Dann antwortet es über die Ausgabegeräte wie Drucker, Displays, LEDs usw.

Serieller Anschluss

Diese Komponente unterstützt den Mikrocontroller bei der Interaktion über serielle Kommunikation. Ein Mikrocontroller kann nur über die serielle Schnittstelle mit anderen externen Peripheriegeräten und Geräten kommunizieren. Und der UART ist die häufigste serielle Kommunikation des Mikrocontrollers.

DAC

Dieses Akronym steht für Digital to Analog Converter. Und es ist eine Schaltung, die digitale Signale in analoge Signale umwandelt. Außerdem verbindet diese Komponente die CPU des Mikrocontrollers und analoge Geräte (extern).

ADC

Die Abkürzung ADC steht für Analog to Digital Converter. Und es ist das Gegenteil des DAC. Das heißt, die Schaltung hilft, analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln. Außerdem stellt diese Schaltung eine Verbindung zwischen den externen Analogeingangsgeräten und der CPU des Mikrocontrollers her.

Darüber hinaus ist es wichtig zu beachten, dass analoge Geräte meistens Sensoren sind. Damit die CPU die Kommunikation verstehen kann, müssen daher die analogen Daten in digitale umgewandelt werden.

Mikrocontroller-Grundlagen – Zähler/Timer

Die Zähler und Timer sind wichtige Komponenten des Mikrocontrollers. Und sie sind dafür verantwortlich, Operationen zum Zählen externer Ereignisse und Zeitverzögerungen anzubieten. Außerdem bieten die Komponenten Taktsteuerung, Funktionsgenerierung usw.

Konfigurationsbits

Mikrocontroller haben normalerweise ein eindeutiges Bit. Und es sind die Konfigurationsbits. Diese Komponente hilft, die speziellen Optionen des Mikrocontrollers zu strukturieren, die Folgendes beinhalten (aber nicht beschränkt auf):

• Niederspannungsprogrammierung ein/aus
• Einschalttimer ein/aus
• Intern/Extern-Umschaltung Ein/Aus
• Oszillatortyp
• Fail-Safe Clock Monitor Ein/Aus
• Brownout-Reset Ein/Aus
• Watchdog-Timer ein/aus

Außerdem werden Sie auf einem PIC-Mikrocontroller Konfigurationsbits bemerken. Und es ist für den Schutz des Datencodes und des Programmcodes verantwortlich.

Das heißt, die Konfigurationsbits hindern externe Programmierhardware daran, Ihre Programm- und Datenbereiche zu lesen. Daher wird es für andere schwierig sein, Ihren Code zu stehlen.

Vergleich zwischen Mikroprozessor und Mikrocontroller

Mikroprozessor

Quelle:Wikimedia Commons

Mikrocontroller

Quelle:Wikimedia Commons

Der Mikrocontroller ist ein Computer, der aus Timern, ROM und anderen Peripheriegeräten besteht. Daher kann man sie Mini-Computer nennen. Außerdem gibt es sie in einer anderen Version. Aber die Mikroprozessoren sind integrierte Schaltkreise. Und sie haben Verarbeitungsleistung mit nur einer CPU in sich.

Hier ist eine Tabelle mit den Unterschieden:

Vorteile

• Da er Anweisungen im Speicher schreibt und speichert, benötigt der Mikrocontroller keine komplexen Betriebssysteme.
• Der Chip erfordert keine externe Schnittstelle von primären Komponenten wie den I/O-Ports.
• Sie können die I/O-Ports programmieren.
• Das Platzieren aller wichtigen Komponenten reduziert die Fläche des Produkts, die Kosten und die Entwicklungszeit.

Nachteile

• Es hat kein Betriebssystem. Daher müssen Sie alle Befehle schreiben.
• Der Speicher des Mikrocontrollers (abhängig von der Menge) kann die Anweisungen einschränken, die das Gerät ausführen kann.

Abschluss

Zusammenfassend erklären die Mikrocontroller-Grundlagen die Leistungsfähigkeit des Ein-Chip-Mikrocomputers. Darüber hinaus umfasst es mehrere Peripheriegeräte, die die Struktur des Geräts ausmachen, wie Speicher, CPU, E/A-Ports, Schwingkreise usw. Außerdem bauen Hersteller den Mikrocontroller in Geräte ein, die sie steuern.

Und jedes der Peripheriegeräte spielt eine wichtige Rolle, die zur Funktion des Mikrocontrollers beiträgt. Was haltet ihr von Mikrocontrollern? Benötigen Sie Hilfe, um das Beste für Ihr Projekt zu finden? Bitte zögern Sie nicht, uns zu erreichen.