Allgemeines über Mikrocontroller

Was sind Mikrocontroller?

Ein Mikrocontroller ist ein Prozessor, bei dem im Unterschied zu PC-Prozessoren (Mikrorechnern) Speicher, wichtige Baugruppen wie Zeitgeber, digitale sowie analoge Ein- und Ausgabegeräte, auf einem einzigen Chip integriert sind, so dass eine Mikrocontroller-Lösung oft mit einigen wenigen externen Bauteilen auskommt.

Eigenschaften eines Mikrocontrollers

Ein Mikrocontroller hat folgende typische Eigenschaften:

ROM , PROM und EPROM sind auf dem Mikrocontroller integriert => Mikrocontroller können daher auch als ein-Chip-Computer eingesetzt werden

integrierte les- und schreibbare Daten- und Programmspeicher (RAM)

Operationen auf einzelnen Bits möglich sind im Befehlssatz

Ein PC-Prozessor verfügt nicht über eigene Eingabe- und Ausgabekomponenten, sondern über eine Verbindung zu einem externen Systembus, an den die Ein- und Ausgabegeräte zum Beispiel als Steckkarten angeschlossen sind.

In immer mehr Geräten des Alltags werden die Aufgaben von analogen Schaltungen durch Mikrocontroller realisiert. Damit lassen sich vor allem die Produktionskosten der Hardware drastisch senken.

myAVR Board MK2 USB

Wo werden Mikrocontroller eingesetzt?

Mikrocontroller findet man häufig in eingebetteten Systemen (embedded systems). Eingebettete Systeme sind elektronische Rechner / Computer, die in einen technischen Kontext eingebunden (eingebettet = embedded) sind. Der Rechner, der eingebunden ist, hat dann entweder die Aufgabe das System zu steuern, zu regeln oder zu überwachen. Er kann auch für die Daten- bzw. Signalverarbeitung zuständig sein. Zum Beispiel Ver- / Entschlüsseln, De-/Codieren oder Filtern.

Eingebettete Systeme findet man in vielen Anwendungsbereichen. Zum Beispiel:

in Geräten der Medizintechnik
in Waschmaschinen
in Flugzeugen
Kraftfahrzeugen
Kühlschränken
Fernsehern
DVD-Player
usw.

Realisiert werden eingebettete Systeme mittels verschiedener CPU-Architekturen. Zum Beispiel durch:

8051
ARM
AVR
MIPS
PowerPC
usw.

Die Prozessorfamilien, wie z. B. 8051, AVR, PIC16, ARM7, PowerPC 5xx und MIPS 4k, sind eine Untergruppe der Architekturen. Dabei können auch verschiedene Varianten mit den gleichen Entwicklungswerkzeugen betrieben werden. Die Prozessorfamilien unterscheiden sich durch Geschwindigkeit und der Ausstattung mit Speicher und Peripheriebausteinen.

Hier ein paar Beispiele, für welche Aufgaben Mikrocontroller verwendet werden können:

Roboter
CD-, MP3- und DVD-Player
Temperaturregler
Füllstandsregler
Motorsteuerungen
Signaldecoder für Satellitenempfang
Fernbedienung, Waschmaschinen, Geschirrspüler, Radio
Alarmanlagen, Schaltuhren, Ladegeräte
Messwerterfassung (z.B. Drehzahlmessung im Auto)
intelligente Geräte in der Automatisierungstechnik
intelligente Sensoren
intelligente Aktoren, z.B. die Airbags in PKW
alle Formen von Heimelektronik
usw.

Anforderungen und Möglichkeiten von Mikrocontrollerlösungen:
mySmartUSB (Programmer und Bridge)	programmierbar (Update, Optimierung, Wartung) flexible Schnittstellen (vielfältig, integriert, standardisiert) Selbstdiagnose, Fehlerkorrektur, Debuginterface Echtzeitfähigkeit (schnelle Reaktionszeiten) Timer, Interruptfähigkeit deterministisch (bestimmbares, berechenbares Verhalten) geringe Kosten, geringer Leistungsverbrauch
Die Anwendungsgebiete von Mikrocontrollern sind schier unendlich. In allen Bereichen unseres Lebens lassen sich heute "versteckte" Mikrocontroller finden.

Welche Mikrocontroller gibt es?

Mikrocontroller werden von unterschiedlichen Firmen angeboten. Weit verbreitete 8-Bit-Mikrocontroller sind die der Intel-Reihe 8051, der Zilog-Reihe Z8, die PIC-Controller der Firma Microsystems und die AVR-Controller der Firma Atmel.

Die AVR-Reihen von Atmel haben eine innovative RISC-Architektur, die schnell und einfach zu erlernen ist. Sie sind inzwischen sehr weit verbreitet. Sie sind elektrisch robust und bis zu 1000-mal programmierbar. Da die AVR-Prozessoren zu den modernsten Controllern am Markt gehören und enorme Zuwachsraten aufweisen, sollen sich alle Ausführungen und die Experimentierhardware auf diese Controller beziehen.
Prinzipiell lassen sich jedoch alle Aussagen auf alle anderen Mikrocontroller übertragen. Ein pikanter Hintergrund ist, dass der AVR-Kern eine Entwicklung von zwei Studenten der Universität Trontheim in Norwegen ist. Atmel kaufte die Lizenz und entwickelte dieses innovative Konzept weiter. Hartnäckig hält sich das Gerücht, dass die Abkürzung „AVR“ etwas mit den Vornamen der beiden inzwischen nicht mehr Studenten Alf Egil Bogen und Vegard Wollan zu tun hat, die diesen RISC-Prozessor entwickelt haben. Wer weiß ;-)

RS232-Treiber

Im Folgenden eine Auswahl von verschiedenen Prozessorklassen:

Mikroprozessor: Ein "herkömmlicher" Prozessor, wie er auch in PCs zu finden ist. Die Verbindung mit der Außenwelt erfolgt ausschließlich über weitere Bausteine in einem Bussystem.
Fokus: allgemeine Aufgaben, Leistung, Flexibilität, Standardhardware, Standardsoftware.
Mikrocontroller: Ein Mikrocontroller beinhaltet in einem Chip bereits alle Komponenten, die ihn zu einem funktionsfähigen 1-Chip-µRechner machen. Er besitzt also neben einem Prozessor auch Speicher, diverse Schnittstellencontroller, Timer, einen Interruptcontroller. Er kann über digitale und analoge Ein- und Ausgabeleitungen Mess- und Steueraufgaben ausführen.
Fokus: Spezialisierung auf konkrete Aufgaben, Platzbedarf, Energieverbrauch.
Signalprozessor, Digitaler Signalprozessor (DSP), Mixed-Signal-Controller: Darunter versteht man Mikrocontroller, die sowohl digitale als auch analoge Signale sehr schnell verarbeiten können.
Fokus: Spezialisierung auf Signalverarbeitung (Audio, Video, Datenübertragung), Geschwindigkeit, Platzbedarf, Energieverbrauch.
Embedded Prozessor, Embedded System: Mikrocontroller oder DSP werden häufig als eingebettete Systeme verwendet. Das sind Systeme, in denen die Steuereinheit im Zielsystem integriert ist. Ein Beispiel wäre ein Mobiltelefon, hier ist der steuernde Controller im Gerät selbst integriert.