Mikrocontroller meistern: Struktur, Funktionalität und praktische Anwendungen

Mikrocontroller auf Board

Quelle: Wikimedia Commons

Bevor Sie in die Welt der eingebetteten Elektronik eintauchen, müssen Sie verstehen, was nötig ist. Dieses Feld involviert das Schreiben eigener Codes. Und das ist fast unmöglich, wenn Sie die Grundlagen von Mikrocontrollern, die verwendete Programmiersprache oder die fundamentalen Programmierkonzepte nicht verstehen. Andernfalls sind Sie verwirrt, wo Sie anfangen sollen, und überfordert.

Aber es gibt gute Nachrichten:

In diesem Artikel lernen Sie die grundlegenden Dinge, um mit eingebetteter Elektronik zu starten. Wir besprechen, was es ist, wie der Mikrocontroller funktioniert, die Grundstruktur und mehr.

Legen wir los!

Was ist ein Mikrocontroller?

Mikrocontroller

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Bevor wir den Mikrocontroller definieren, ist es wichtig zu beachten, dass er sich vom Mikroprozessor unterscheidet (den wir später im Artikel besprechen).

Der Mikrocontroller ist ein Very-Large-Scale-Integration (VLSI) IC. Er umfasst I/O-Ports, Logikeinheit, Speicher, elektronische Recheneinheit und andere Module, die auf einem einzigen Chip vereint sind. Man kann das Gerät auch als Single-Chip-Computer bezeichnen.

Zusätzlich ist der Mikrocontroller auch ein Embedded Controller (eingebetteter Controller). Das liegt daran, dass das Gerät zusammen mit der unterstützenden Schaltung in das Gerät eingebaut wird, das es steuert.

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

Ein weiterer Bereich, in dem Mikrocontroller häufig vorkommen, ist die Unterhaltungselektronik: Öfen, Digitalkameras, DVD-Player etc. Test- und Messgeräte nutzen ebenfalls Mikrocontroller, z. B. Funktionsgeneratoren, Multimeter etc.

Mikrocontroller-Grundlagen – Wie funktioniert der Mikrocontroller?

Typischerweise führen Mikrocontroller ein bestimmtes Programm aus und bleiben bei einer Aufgabe. Sie arbeiten, indem sie Eingaben vom gesteuerten Gerät erhalten. Dadurch behalten sie die Kontrolle und senden Signale an verschiedene Teile des Geräts.

Beispiel: Der Mikrocontroller eines Fernsehers erhält Eingaben von der Fernbedienung und liefert die Ausgabe auf dem TV-Bildschirm.

Typen von Mikrocontrollern

Wir unterscheiden Mikrocontroller basierend auf: Befehlssätzen (Instruction Sets), Speicher (Memory) und Bitbreite (Bits).

Befehlssätze (Instruction Sets)

Zwei Kategorien basierend auf der Befehlssatz-Konfiguration:

RISC

Reduced Instruction Set Computers. Reduziert den Taktzyklus pro Instruktion und verkürzt die Arbeitszeit.

CISC

Complex Instruction Set Computer. Erlaubt, eine Instruktion als Option für mehrere einfache Befehle zu nutzen.

Speicher (Memory)

Speicherkarte (RAM)

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In der Speicherkonfiguration gibt es zwei Typen:

Embedded Memory Mikrocontroller

Dieser Typ hat viele Komponenten auf dem Chip: Timer, Zähler, I/O-Ports, Datenspeicher, Interrupts etc. Beispiel: Intel 8051.

External Memory Mikrocontroller

Dieses Design hat keinen Programmspeicher auf dem Chip. Beispiel: Intel 8031.

Bitbreite (Bits)

Drei Typen in der Bit-Konfigurationskategorie:

32-Bit-Mikrocontroller

In Geräten mit automatischer Steuerung wie medizinischen Geräten etc. zu finden.

16-Bit-Mikrocontroller

Nützlich für High-Performance- und Genauigkeitsanwendungen. Logische und arithmetische Operationen möglich. Beispiel: Intel 8096.

8-Bit-Mikrocontroller

Der kleinste in dieser Kategorie. Für einfache Aufgaben wie logische und arithmetische Operationen (Division, Subtraktion etc.). Beispiele: Intel 8051 und 8031.

Grundstruktur eines Mikrocontrollers

Der Mikrocontroller hat drei fundamentale Komponenten: I/O-Ports, Speicher und die Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU).

Andere Komponenten sind ebenfalls wichtig. Die genannten sind jedoch unterstützende Geräte. Wir betrachten die primären Komponenten basierend auf der Struktur.

Mikrocontroller-Grundlagen – Speicher (Memory)

Typischerweise benötigen die meisten Rechensysteme zwei Speichertypen: Daten- und Programmspeicher. Der Datenspeicher hält temporäre Informationen während der Befehlsausführung. Der Programmspeicher enthält das Programm – die Instruktionen, die die CPU ausführt.

Bus

Der Systembus ist eine der am wenigsten besprochenen Komponenten, aber ein wesentlicher Teil des Mikrocontrollers.

Er bezeichnet eine Sammlung von Verbindungsdrähten, die die CPU mit anderen Peripheriegeräten wie I/O-Ports und unterstützenden Komponenten verbinden.

Mikrocontroller-Grundlagen – CPU

Die CPU ist das Gehirn des Mikrocontrollers. Sie hat zwei Teile: CU (Control Unit / Steuerwerk) und ALU (Arithmetic Logic Unit / Arithmetisch-Logische Einheit).

Die CPU ist verantwortlich für Dekodieren, Lesen und Ausführen von Instruktionen zur Durchführung von Daten-, Logik- und Arithmetik-Transferoperationen.

Interrupts

Interrupts sind eine weitere wichtige Komponente. Sie besitzen einen Interrupt-Handling-Mechanismus. Dieser kann softwarebezogen, extern, hardwarbezogen oder intern sein.

Mikrocontroller-Grundlagen – I/O-Ports

I/O steht für Input/Output-Ports. Diese Komponente bietet dem Mikrocontroller eine Schnittstelle zu externen Verbindungen. Eingabegeräte wie Tastaturen, Schalter etc. liefern Informationen vom Nutzer an die CPU – in binärer Datenform.

Wenn die CPU die Informationen von Eingabegeräten erhält, führt sie passende Instruktionen aus. Dann antwortet sie über Ausgabegeräte wie Drucker, Displays, LEDs etc.

Serial Port

Diese Komponente hilft dem Mikrocontroller, über serielle Kommunikation zu interagieren. Ein Mikrocontroller kann nur über den Serial Port mit anderen externen Peripheriegeräten kommunizieren. UART ist die häufigste serielle Kommunikation des Mikrocontrollers.

DAC (Digital-Analog-Wandler)

Digital to Analog Converter. Ein Schaltkreis, der Digitalsignale in Analogsignale umwandelt. Er verbindet die CPU des Mikrocontrollers mit externen Analoggeräten.

ADC (Analog-Digital-Wandler)

Analog to Digital Converter. Das Gegenteil von DAC. Der Schaltkreis wandelt Analogsignale in Digitalsignale um. Er schafft eine Verbindung zwischen externen Analog-Eingabegeräten und der CPU des Mikrocontrollers.

Wichtig: Analoge Geräte sind meist Sensoren. Damit die CPU die Kommunikation versteht, müssen analoge Daten in digitale umgewandelt werden.

Mikrocontroller-Grundlagen – Zähler/Timer (Counters/Timers)

Zähler und Timer sind wesentliche Komponenten. Sie sind verantwortlich für das Zählen externer Ereignisse und Zeitverzögerungen. Sie bieten auch Taktsteuerung, Funktionsgenerierung etc.

Konfigurationsbits (Configuration Bits)

Mikrocontroller haben meist ein einzigartiges Bit: die Konfigurationsbits. Diese strukturieren die speziellen Optionen des Mikrocontrollers, einschließlich (aber nicht beschränkt auf):

• Low Voltage Programming Ein/Aus
• Power Up Timer Ein/Aus
• Internal/External Switchover Ein/Aus
• Oszillator-Typ
• Fail-Safe Clock Monitor Ein/Aus
• Brown Out Reset Ein/Aus
• Watchdog Timer Ein/Aus

Bei einem PIC-Mikrocontroller bemerken Sie Konfigurationsbits. Sie sind für Daten-Code-Schutz und Programm-Code-Schutz verantwortlich – externes Programmier-Hardware kann Ihren Programm- und Datenspeicher nicht lesen. Somit ist es für andere schwierig, Ihren Code zu stehlen.

Vergleich: Mikroprozessor vs. Mikrocontroller

Mikroprozessor

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Mikrocontroller

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Der Mikrocontroller ist ein Computer, der Timer, ROM und andere Peripheriegeräte enthält. Man kann sie Mini-Computer nennen. Sie kommen in verschiedenen Versionen. Mikroprozessoren sind integrierte Schaltkreise mit nur einer CPU und Rechenleistung.

Hier eine Tabelle ihrer Unterschiede:

Vorteile (Pros)

• Da er Instruktionen im Speicher schreibt und speichert, benötigt der Mikrocontroller keine komplexen Betriebssysteme.
• Der Chip benötigt keine externe Anbindung primärer Komponenten wie I/O-Ports.
• I/O-Ports sind programmierbar.
• Die Integration aller vitalen Komponenten reduziert Produktfläche, Kosten und Designzeit.

Nachteile (Cons)

• Kein Betriebssystem – Sie müssen alle Befehle selbst schreiben.
• Der Mikrocontrollerspeicher (je nach Größe) kann die ausführbaren Instruktionen limitieren.

Abschluss

Zusammenfassend erklären die Mikrocontroller-Grundlagen die Leistungsfähigkeit des Single-Chip-Mikrocomputers. Er umfasst mehrere Peripheriegeräte, die die Struktur des Geräts bilden: Speicher, CPU, I/O-Ports, Oszillatorschaltungen etc. Auch bauen Hersteller den Mikrocontroller in die Geräte ein, die sie steuern.

Jedes Peripheriegerät spielt eine entscheidende Rolle für die Funktion des Mikrocontrollers. Was denken Sie über Mikrocontroller? Brauchen Sie Hilfe bei der Auswahl des besten für Ihr Projekt? Kontaktieren Sie uns gerne.