{"id":59209,"date":"2023-04-03T15:00:47","date_gmt":"2023-04-03T13:00:47","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/mikrokontroler-jak-to-dziala\/"},"modified":"2023-05-12T13:38:55","modified_gmt":"2023-05-12T11:38:55","slug":"mikrocontroller-wie-funktioniert-er","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/mikrocontroller-wie-funktioniert-er\/","title":{"rendered":"Mikrocontroller – Wie funktioniert er?"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 8<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
\n\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t
\n\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Der Mikrocontroller<\/strong><\/a> ist eines der wichtigsten Ger\u00e4te in der Robotik. Dieser kleine Ein-Chip-Mikrocomputer<\/strong>, der auch als integriertes Mikroprozessorsystem<\/strong> bezeichnet wird, enth\u00e4lt neben anderen Komponenten einen Arbeitsspeicher<\/strong>, eine CPU<\/strong> und verschiedene Ein-\/Ausgabeschaltungen<\/strong> sowie einen ROM-<\/strong> oder Flash-Speicher<\/strong> (oder FRAM und MRAM), der in ein Programm geschrieben wird. Das Ger\u00e4t wird direkt zur Steuerung elektronischer Ger\u00e4te verwendet, was in der Robotik nat\u00fcrlich von gro\u00dfer Bedeutung ist. Es lohnt sich, die Funktionsweise aus n\u00e4chster N\u00e4he kennenzulernen, und zwar anhand von praktischen Daten aus der Robotik.<\/p>\n

Was ist ein Mikrocontroller?<\/h2>\n

Ein Mikrocontroller ist ein kleiner Computer mit ebenso geringer Rechenleistung, die jedoch ausreicht , um die meisten elektronischen Grundger\u00e4te zu steuern<\/strong>. In den meisten F\u00e4llen ist das Mikroprozessorsystem eigenst\u00e4ndig, es kann aber auch durch Peripherieger\u00e4te erg\u00e4nzt werden, die seine F\u00e4higkeiten erweitern. Der Mikrocontroller ist in Funktionsbl\u00f6cke unterteilt, die daf\u00fcr sorgen, dass verschiedene Arbeiten ausgef\u00fchrt werden. Ein charakteristisches Merkmal des Mikroprozessors ist seine Taktung, die in der Regel nicht mehr als ein paar hundert MHz erreicht. In der Regel betr\u00e4gt die optimale Taktung des Mikrocontrollers nicht mehr als ein paar Dutzend MHz und wird in Abh\u00e4ngigkeit von den Anforderungen an die Rechenleistung angepasst.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

\n\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/p>\n

Geschichte des Mikrocontrollers<\/span><\/h2>\n

Die Geschichte des Mikrocontrollers geht auf das Jahr 1976 zur\u00fcck, als der erste Chip mit der Bezeichnung Intel 8048<\/strong> in NMOS-Technologie in Massenproduktion hergestellt wurde. Dieses Modell wurde in der Magnavox Odyssey Computerspielkonsole, in der Korg Trident Serie, in den Roland Jupiter-4 und ProMar Analogsynthesizern und in der Originalversion der beliebten IBM Computertastatur verwendet. Der Erfinder des Intel 8048 Mikrocontrollers ist laut US-Patentamt Gary Boone<\/strong>, der bei Texas Instruments arbeitet. Das in Texas ans\u00e4ssige Unternehmen stellt seit Jahren professionelle Halbleiter her.<\/span><\/p>\n

Mit der Weiterentwicklung der Technologie wurden immer fortschrittlichere Mikrocontroller mit h\u00f6herer Zuverl\u00e4ssigkeit, besseren Ressourcen und besserer Leistung entwickelt. Auch die Bauweise dieser Systeme hat sich ge\u00e4ndert. Bekanntlich werden umfangreiche und moderne Peripherieschaltungen in Mikrocontrollern eingesetzt, darunter LCD-Display-Controller<\/strong>, ATA-Bus-Controller<\/strong>, Funkmodems<\/strong>, MP3-Decoder<\/strong> und viele, viele mehr. Neben den klassischen 8- und 16-Bit-L\u00f6sungen sind auch 32-Bit-Mikrocontroller auf dem Markt erh\u00e4ltlich. Bei einfachen und anspruchslosen Anwendungen werden dagegen vereinfachte Versionen von Mikrocontrollern in kleinen Geh\u00e4usen verwendet, was zu einer erheblichen Senkung der Kosten f\u00fchrt. Derzeit gibt es auch L\u00f6sungen, um handels\u00fcbliche Kerne g\u00e4ngiger Mikrocontroller in komplexere Schaltungen einzubetten und so die Programmierstandards der einzelnen Ger\u00e4te zu vereinheitlichen und die Realisierung beliebiger Eingabe-Ausgabe-Schaltungen in Hardwareform zu erm\u00f6glichen.<\/span><\/p>\n

Zu den beliebtesten und am weitesten verbreiteten Mikrocontrollern geh\u00f6ren die von der Firma Atmel<\/strong><\/a>, Infineon<\/strong>, Espressif Systems<\/strong>, STMicroelectronics<\/strong><\/a>, Freescale Semiconductor<\/strong> (fr\u00fcher bekannt als Motorola), Analog Devices<\/strong>, Hitachi<\/strong> sowie NXP<\/strong><\/a>die bis 2006 eine der Abteilungen der Marke Philips war. Der bei weitem f\u00fchrende Hersteller von Mikrocontrollern ist Intel<\/strong>, der Standards f\u00fcr den Massenmarkt vorgibt.<\/span><\/p>\n

Was steckt in einem Mikrocontroller?<\/span><\/h2>\n

Ein Mikrocontroller ist ein in sich geschlossenes Mikroprozessorsystem<\/strong> und besteht aus vielen Komponenten, die seinen Betrieb erg\u00e4nzen. Der gesamte Aufbau ist recht komplex, aber am Ende lassen sich einige grundlegende elektronische Komponenten erkennen, deren Funktionsweise und praktische Merkmale die Arbeit mit ihnen wesentlich erleichtern. In einem vereinfachten Mikrocontroller-Design findet man unter anderem eine CPU<\/strong> (Central Processing Unit), die f\u00fcr die Ausf\u00fchrung eines bestimmten Programms zust\u00e4ndig ist, einen Flash-Speicher<\/strong>, einen Arbeitsspeicher (RAM)<\/strong> und eventuell Peripherieschaltungen<\/strong>. Alle diese Elemente arbeiten \u00fcber ein geschriebenes Programm, das von der CPU ausgef\u00fchrt wird.<\/span><\/p>\n

Die Daten werden \u00fcber zwei Busse \u00fcbertragen – den Adressbus<\/strong> und den Datenbus<\/strong>. Der Adressbus \u00fcbertr\u00e4gt Daten nur in eine Richtung, n\u00e4mlich vom Prozessor zu den anderen Komponenten (RAM, Flash-Speicher und Peripheriechips), und in einem zweiten Bus in beide Richtungen, damit der Prozessor die von ihnen stammenden Daten zum Arbeiten verwenden kann. Der Datenbus wird jeweils nur von einem Chip genutzt, der Bytes (die kleinste Informationseinheit) \u00fcbertr\u00e4gt, und zwar diejenige, die gerade ben\u00f6tigt wird, w\u00e4hrend die anderen darauf warten, dass die aktuelle \u00dcbertragung abgeschlossen wird. Hinzu kommt die Taktung, d.h. die Anordnung des Taktsignals. Dabei werden \u00fcber einen bestimmten Zeitraum hinweg Impulse mit einer festen Frequenz erzeugt.<\/span><\/p>\n

In AVR-Controllern ist der Bus 8 Bit breit, was bedeutet, dass einige Informationen auf mehrere “Transporte” aufgeteilt werden m\u00fcssen, was den gesamten Chip betr\u00e4chtlich verlangsamt. Interessanterweise verf\u00fcgen moderne Computer mit 64-Bit-Technologie \u00fcber einen achtmal breiteren Bus, was sich auf die Geschwindigkeit der Arbeit auswirkt.<\/span><\/p>\n

Prozessor im Mikrocontroller<\/span><\/h2>\n

Der Prozessor, auch Zentraleinheit<\/strong> genannt, ist ein Ger\u00e4t, das das gesamte System mit Hilfe eines Computerprogramms (in Form von Befehlen) steuert, das normalerweise im FLASH-Speicher gespeichert ist. Ein Befehl enth\u00e4lt Informationen \u00fcber die Art der Operation und die Argumente. Die CPU ist eine digitale<\/strong> sowie eine sequentielle<\/strong> und synchrone<\/strong> Schaltung<\/strong> und zeichnet sich daher durch eine recht hohe Komplexit\u00e4t aus.<\/span><\/p>\n

Eine digitale Schaltung bedeutet, dass der Prozessor im Gegensatz zu einer analogen Schaltung nur zwischen entgegengesetzten Spannungszust\u00e4nden (niedrig oder hoch) unterscheidet<\/strong>, w\u00e4hrend eine sequentielle Schaltung bedeutet, dass jeder neue Zustand nur vom vorherigen Zustand und dem aktuellen Eingang abh\u00e4ngt<\/strong>. Synchroner Modus bedeutet dagegen, dass die gesamte Arbeit im Rhythmus der Taktfrequenz (Megahertz) ausgef\u00fchrt wird.<\/strong> Die Arithmetic Logic Unit (ALU) ist f\u00fcr die Durchf\u00fchrung einfacher und komplexer arithmetischer Berechnungen zust\u00e4ndig.<\/span><\/p>\n

Die CPU f\u00fchrt mathematische Befehle wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und Bitoperationen aus und besteht aus mehreren Komponenten, die voneinander abh\u00e4ngig sind. In den 8-Bit-Registern werden die meisten der erforderlichen Daten gespeichert, wie z. B. der IP (Instruction Pointer), der die Abrufadresse des n\u00e4chsten Befehls speichert, und der IR (Instruction Register), der zur Speicherung des Codes der aktuellen \u00dcbertragung verwendet wird. Zu den 8-Bit-Registern geh\u00f6ren au\u00dferdem der SP (Stock Pointer), der das obere Ende des Stapels anzeigt, sowie das Statusregister und allgemeine Register. Das Statusregister speichert Flags, die sich haupts\u00e4chlich auf arithmetische Operationen beziehen, in Form von Kontrollbits, die w\u00e4hrend der Programmierung ben\u00f6tigt werden. Die Allzweckregister (mit den Nummern R0 bis R31) stellen dem Prozessor dagegen einen Arbeitsspeicher (Cache) mit wesentlich k\u00fcrzeren Zugriffszeiten als die RAM-Daten zur Verf\u00fcgung. Daher ist das Laden von Daten und die Verarbeitung von Informationen praktisch augenblicklich m\u00f6glich. <\/span><\/p>\n

RAM Arbeitsspeicher<\/span><\/h2>\n

RAM<\/strong> (Random Access Memory) speichert Informationen nur im laufenden Betrieb. Wenn der Chip vom Strom getrennt wird, wird der Speicher vollst\u00e4ndig gel\u00f6scht. Im Gegensatz zum FLASH-Speicher zeichnet sich der RAM durch sehr kurze Datenzugriffszeiten und keine Schreibbegrenzung aus. Das SRAM (Static RAM) in AVR-Mikrocontrollern besteht aus 32 Adressen von CPU-Allzweckregistern (R0 bis R31) und enth\u00e4lt Peripherie-Steuerregister und arbeitet unabh\u00e4ngig vom FLASH-Speicher. <\/span><\/p>\n

Flash-Speicher<\/span><\/h2>\n

Der FLASH-Speicher<\/strong> (mit der gr\u00f6\u00dften Kapazit\u00e4t aller Mikrocontroller) enth\u00e4lt gespeicherte Befehle, die nicht gel\u00f6scht werden, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird – einer der vielen Unterschiede zum RAM. Au\u00dferdem kann die CPU keine Daten in den FLASH-Speicher schreiben, sondern nur lesen, was bedeutet, dass dieser Speicher haupts\u00e4chlich zum Speichern von Programm- und Konstant-Arrays und einigen anderen Informationen verwendet wird. Ein charakteristisches Merkmal des FLASH-Speichers im AVR ist die 8-Bit-Zellenaufteilung und die Aufteilung in Applikations- und Bootloader-Abschnitte. <\/span><\/p>\n

EEPROM-Speicher<\/span><\/h2>\n

EEPROM<\/strong> (elektrisch l\u00f6schbarer programmierbarer Festwertspeicher) wird verwendet, um eine kleine Datenmenge zu speichern, die einen Stromausfall \u00fcberstehen soll. Au\u00dferdem kann der Mikroprozessor damit Daten schreiben und l\u00f6schen, aber das dauert viel l\u00e4nger als bei RAM, und der Zugriff auf das EPROM selbst ist komplizierter. Die Anzahl der gespeicherten Daten ist auf etwa 100.000 begrenzt – diese Grenze wurde von ATMEL festgelegt, aber es ist interessant festzustellen, dass ein Benutzer in der Lage war, mehr als 4 Millionen Datens\u00e4tze in das EEPROM zu schreiben, und erst nachdem diese Zahl \u00fcberschritten war, verweigerte der Mikroprozessor die weitere Zusammenarbeit. Es ist auch wichtig zu wissen, dass EEPROM eine Art nichtfl\u00fcchtiger Computerspeicher ist und im Gegensatz zu EPROM nur mit elektrischem Strom gel\u00f6scht werden kann. <\/span><\/p>\n

Eingangs-\/Ausgangsanschl\u00fcsse<\/span><\/h2>\n

Die Eingangs-\/Ausgangsports<\/strong> sind auf den Mikrocontroller-Chipbeinen implementiert. Sie dienen der Kommunikation mit der Au\u00dfenwelt, so dass alle Arten von Ger\u00e4ten an die Ports angeschlossen werden k\u00f6nnen. Interessanterweise k\u00f6nnen sie bidirektional arbeiten, d. h. auf zwei Arten – die Ports k\u00f6nnen Informationen ausgeben, die der Mikroprozessor in sie hineinschreibt, oder Daten lesen, die von au\u00dfen auf der Portleitung erscheinen. Die Beherrschung der gesamten Palette der Ein- und Ausg\u00e4nge sowie aller Grundlagen ihrer Funktionsweise ist sicherlich ein Garant f\u00fcr die erfolgreiche Programmierung des Mikrocontrollers, sodass es sich lohnt, sich besonders auf dieses Wissen zu konzentrieren, um m\u00f6glichst viele Informationen daraus zu gewinnen.<\/span><\/p>\n

Ein wichtiges Merkmal ist, dass je mehr Eingangs-\/Ausgangsanschl\u00fcsse vorhanden sind, desto gr\u00f6\u00dfer die M\u00f6glichkeit ist, mehr Ger\u00e4te auf bequemere und einfachere Weise an den Mikrocontroller anzuschlie\u00dfen, ohne dass zus\u00e4tzliche integrierte Schaltungen erforderlich sind. In den meisten F\u00e4llen verwenden Roboter standardm\u00e4\u00dfige parallele Eingangs-\/Ausgangsports, die digitale Signale von PINs empfangen k\u00f6nnen. <\/span><\/p>\n

Es ist wichtig zu wissen, dass Alternativen zu den Eingangs-\/Ausgangsanschl\u00fcssen auch andere Schaltungen sein k\u00f6nnen, wie z.B. Komparatoren, externe Interrupt-Generatoren oder verschiedene Arten von Timern.<\/span><\/p>\n

Periphere Systeme in der Robotik<\/span><\/h2>\n

Um auf den obigen Absatz zur\u00fcckzukommen: Jede Peripherieschaltung, die eine Alternative zu den Eingangs-\/Ausgangsports sein kann, ist durch ihre eigenen Konfigurationslogger gekennzeichnet, deren Aufgabe es ist, ihre Funktionsweise zu bestimmen. Im Falle eines Standard ATmeg Ports k\u00f6nnen beispielsweise drei Register genannt werden – DDRx, das die Richtung des Datenflusses bestimmt, PORTx, das den Zustand am Ausgang erzwingt, und PINX, das f\u00fcr das Lesen des Zustands am Eingang verantwortlich ist.<\/span><\/p>\n

Wo werden Mikrocontroller eingesetzt?<\/span><\/h2>\n

Mikrocontroller geh\u00f6ren zu einer Gruppe von Ger\u00e4ten mit einer breiten Palette von Anwendungen. Sie k\u00f6nnen allgemein in verschiedenen Arten von eingebetteten Systemen verwendet werden. Sie haben die Aufgabe, den Betrieb anderer Ger\u00e4te oder Teile davon zu steuern. Mikrocontroller werden am h\u00e4ufigsten in Unterhaltungselektronik und Haushaltsger\u00e4ten, modernen Elektrowerkzeugen, Computerkomponenten und Peripherieger\u00e4ten, Netzwerk- und Telekommunikationsinfrastrukturen sowie in medizinischen Ger\u00e4ten eingesetzt. Dar\u00fcber hinaus werden Mikrocontroller auch in einer Vielzahl von industriellen Automatisierungsanwendungen sowie in medizinischen Ger\u00e4ten, Implantaten und sogar Spielzeug eingesetzt. Sie sind auch in Motorsteuerungscomputern von Kraftfahrzeugen zu finden.<\/span><\/p>\n

Was ist ein ISP?<\/span><\/h2>\n

ISP ist ein In-System-Programmier-Chip (ISP), der die Programmierung eines Mikrocontrollers erm\u00f6glicht, ohne dass dieser vom Anwendungschip entfernt werden muss. Dies ist eine sehr bequeme L\u00f6sung, da \u00e4ltere Generationen von Mikrocontrollern die Programmierung in speziellen Programmierger\u00e4ten erforderten, nat\u00fcrlich, nachdem das Ger\u00e4t aus der Anwendung entfernt wurde. Aus diesem Grund hat der ISP-Chip die Programmierung sehr viel effizienter und einfacher gemacht, da man nur die Signale des Programmierger\u00e4ts mit den Mikrocontroller-Komponenten (Beinen) direkt auf dem Chip verbinden muss und schon kann es losgehen. Nach Abschluss des gesamten Vorgangs setzt sich das Ger\u00e4t zur\u00fcck und beginnt dann mit der Ausf\u00fchrung des zuvor im FLASH-Speicher abgelegten Programms.<\/span><\/p>\n

Mikrocontroller – Programmschreiben<\/span><\/h2>\n

Nach einem Neustart beginnt der Prozessor mit dem Laden und Ausf\u00fchren eines Befehls aus dem IP und \u00e4ndert ihn dann, um einen anderen Befehl zu laden. Die IP-Werte m\u00fcssen sich nicht in 1er-Schritten \u00e4ndern, so dass das Programm nicht immer in der gleichen Reihenfolge ausgef\u00fchrt werden muss. Erm\u00f6glicht wird dies durch Spr\u00fcnge in Form von Schleifen und bedingten Anweisungen. Nach der Initialisierung der Peripherieschaltkreise geht das Programm in eine Endlosschleife oder (wenn es keine Schleife gibt) f\u00fchrt alle Funktionen aus und initialisiert den Prozess neu, wenn es die letzte Adresse im FLASH-Speicher erreicht. Die wichtigste Sprache zur Programmierung von Mikrocontrollern ist Assembler, die sich durch ihre relative Einfachheit auszeichnet. Die meisten Befehle sind Abk\u00fcrzungen englischer W\u00f6rter, so dass sie auch f\u00fcr Laien relativ leicht zu verstehen sind, z.B. INC steht f\u00fcr Increment also Anstieg Es gibt einen Befehl pro Taktzyklus.<\/span><\/p>\n

Anhalten der Schleife – Unterbrechungen<\/span><\/h2>\n

W\u00e4hrend der Ausf\u00fchrung des Programms kann eine Situation eintreten, in der die richtige Reaktion des Mikrocontrollers erfolgen soll. Normalerweise stehen diese Arten von Ereignissen im Zusammenhang mit dem Betrieb des gesamten Systems, in dem das Ger\u00e4t arbeitet. Zu diesem Zweck werden sogenannte Unterbrechungen eingesetzt. Dies sind Ereignisse, die die Ausf\u00fchrung des Hauptprogramms unterbrechen und eine spezielle Unterbrechungsfunktion ausl\u00f6sen sollen. Wenn diese Option eine Unterbrechung verarbeitet, kehrt sie zum Hauptprogramm zur\u00fcck und setzt die Ausf\u00fchrung an der Stelle fort, an der sie unterbrochen wurde. Um jedoch Schleifenstopps in Ihren Programmen verwenden zu k\u00f6nnen, m\u00fcssen Sie wissen, woher sie stammen. Unterbrechungen k\u00f6nnen intern oder extern sein. Erstere stammen von internen Teilen des Mikrocontrollers, w\u00e4hrend letztere von externen Ger\u00e4ten erzeugt werden, die vom Mikrocontroller gesteuert werden.<\/span><\/p>\n

CPU-Arithmetikoperationen<\/span><\/h2>\n

Mit nur grundlegenden mathematischen Operationen in Form von Addition, Subtraktion, Multiplikation und Bitoperationen muss der Prozessor Tausende von mehr oder weniger komplexen Berechnungen durchf\u00fchren. Interessanterweise bedeutet das Fehlen einer Divisionsfunktion, dass der Prozessor viel mehr Arbeit f\u00fcr die Berechnung des Ergebnisses leisten muss, und die Berechnung kann mehrere Prozessorregister erfordern. Anders verh\u00e4lt es sich bei der Division durch Zweierpotenzen, bei der im Bin\u00e4rsystem die Zahl wie im Dezimalsystem nach rechts oder links verschoben wird. Bei komplexeren logarithmischen Funktionen oder Integralen stellt sich der Fall ganz anders dar. Um die Berechnungen zu beschleunigen, wird eine Funktionsann\u00e4herung verwendet, um den gesamten Betrieb des Mikrocontrollers zu rationalisieren. Bei dieser T\u00e4tigkeit geht es um die Ann\u00e4herung (Approximation) von Werten innerhalb bestimmter Bereiche. Bei trigonometrischen Funktionen ist es sinnvoll, Arrays von berechneten Werten zu verwenden, gefolgt von einer genauen Skalierung.<\/span><\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

\n\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t
\n\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t
\n

Mikrocontroller – FAQ<\/h2>\n
\n
\n\n\n