Mikrocontroller: ein integraler Bestandteil eingebetteter Hardware

Mikrocontroller-Einheiten (MCUs) sind Miniatur-Mikrocomputer, die zur Steuerung der Funktionen verschiedener Haushaltsgeräte, Kraftfahrzeuge, Büromaschinen, Roboter usw. entwickelt wurden. Sie werden oft auch als eingebettete Steuerungen bezeichnet und tragen zur Verarbeitungsfunktionalität, Flexibilität und Effizienz verschiedener Geräte bei. Um jedoch die Frage “Was ist ein Mikrocontroller?” genauer zu beantworten, muss man seine wichtigsten Merkmale erläutern:

Eingebettete Natur

Eines der wichtigsten Dinge, die man über Mikrocontroller wissen muss, ist, dass sie in andere, komplexere Geräte eingebaut sind. Auf diese Weise ermöglichen sie die Steuerung der Eigenschaften oder Funktionen dieser Geräte.

Geringe Größe

Die Vorsilbe “Mikro” zeigt, dass diese integrierten Schaltungen (IC) sehr klein sind. Der kleinste Mikrocontroller ist nicht größer als 2 mm.

Niedriger Stromverbrauch

Diese winzigen Geräte sind stromsparend, das heißt, sie verbrauchen wenig Strom. MCUs, die eine Batterie verwenden, können etwa 50 Milliwatt verbrauchen.

Kontrollierende Funktion

Wenn man sich den Begriff selbst ansieht, lässt sich die Frage “Was macht ein Mikrocontroller?” leicht beantworten. Sie steuern. Diese Geräte verwenden einen digitalen Prozessor und einen digitalen Speicher, die speziell für die Interaktion mit anderen Komponenten entwickelt wurden. MCUs können LED-Bildschirme beleuchten, Töne abspielen, Alarmsysteme auslösen, die Funktion des Geräts an die Umgebungsbedingungen anpassen usw.

Robuste Bauweise

Ein weiteres wichtiges Merkmal von MCUs ist ihre Fähigkeit, unter rauen Bedingungen (z. B. bei extremen Temperaturen) zu arbeiten. Ein Mikrocontroller, der beispielsweise in einen Automotor eingebaut ist, kann sehr hohen Temperaturen standhalten, ohne seine Funktionalität zu verlieren. Allerdings haben nicht alle eingebetteten Steuerungen diese Eigenschaft. Diejenigen, die für den Betrieb unter normalen Bedingungen ausgelegt sind (z. B. in einem Videorekorder), müssen einfach nicht widerstandsfähig sein.

Die Verwendung von Mikrocontrollern ist vielfältig. Diese winzigen Computer sind in viele verschiedene Geräte eingebettet, wie z. B. in die unten aufgeführten:

• Mikrowellenherde mit LCD- oder LED-Bildschirmen und Tastenfeldern
• Geschwindigkeitsregler
• Antiblockiersystem
• Moderne Stereoanlagen
• Geschirrspülmaschinen
• Digitalkameras
• Anrufbeantworter
• Laserdrucker
• Telefone
• Hochwertige Kühlschränke

Wie Sie sehen, werden MCUs in vielen Geräten des täglichen Lebens eingesetzt, so dass die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass sie Sie in Ihrem Büro und zu Hause umgeben. Sie müssen nicht einmal wissen, wie man Mikrocontroller benutzt, da diese eingebetteten Geräte die ganze Arbeit für Sie erledigen. Außerdem werden diese kleinen Computer häufig in industriellen Steuergeräten und Messgeräten (z. B. Voltmeter) eingesetzt.

Ein Wi-Fi-Mikrocontroller ist eine eigene Art von eingebettetem Controller, der gesondert beschrieben werden sollte. Diese kleinen Computer, die in verschiedene Geräte eingebaut werden, ermöglichen das Senden und Empfangen von Daten über eine Wi-Fi-Verbindung. Als solche spielen diese Steuerungen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Internets der Dinge. Die niedrigen Kosten der drahtlosen Geräte, in die sie eingebettet sind, machen sie perfekt für den industriellen und alltäglichen Gebrauch.

Möchten Sie wissen, wie Mikrocontroller funktionieren? Diese Geräte erledigen Aufgaben und implementieren Programme über eine Zentraleinheit (CPU), was sie herkömmlichen Computern sehr ähnlich macht. Wir können Mikrocontroller so programmieren, dass sie Programme ausführen und Daten im RAM (Random Access Memory) speichern. Ein integrierter Oszillator oder eine Uhr hilft ihnen, die Prozessorgeschwindigkeit zu steuern. Wenn Sie ein Gerät mit einem eingebetteten Mikrocontroller verwenden, interagieren Sie mit ihm über einen LED-Bildschirm, Sensoren, Relais, eine Tastatur oder andere Systeme, die mit dem Controller verbunden sind.

Die beschriebenen Eigenschaften und Funktionen erklären die wachsende Beliebtheit von MCUs. Bei diesen kleinen Mikrocontrollern handelt es sich um hochfunktionale Geräte, die viele Vorteile haben, darunter:

• Kosteneffizienz. MCUs sind relativ einfach zu erstellen, können aber die Arbeits- und Gesamtkosten erheblich senken.
• Mikrocontroller sind sehr klein, so dass sie helfen, Platz zu sparen und die Geräte kleiner zu machen.
• Spezialisierte Aufgaben. MCUs machen eingebettete Geräte hochfunktional und ermöglichen die Ausführung komplexer Aufgaben, für die früher mehr Energie und Ressourcen benötigt wurden.

Woraus der Mikrocontroller besteht

Mikrocontroller sind kleine Computer und daher komplexer aufgebaut, als man denkt. Diese eingebetteten Controller haben die folgenden Komponenten:

• Der CPU-Prozessor ist eine der wichtigsten Komponenten, die dem Computer hilft, Daten zu sammeln, sie zu entschlüsseln und die Aufgabe zu erfüllen. Dieser Teil ist das Gehirn der MCU und ermöglicht es ihr, komplexe mathematische und logische Aufgaben auszuführen.
• RAM ist der Datenspeicher, der als temporärer Speicherplatz für Daten und Programme dient. Im Gegensatz zum Festwertspeicher (ROM), der auch ohne Strom funktioniert, wird der RAM nur verwendet, wenn das Gerät eingeschaltet ist.
• Der Oszillator fungiert als Taktgeber; er überwacht den Rhythmus der internen Prozesse des Computers. Dieser Teil des Geräts hilft dabei, die ausgeführten Funktionen zu verfolgen und sie bei Bedarf einzuleiten und zu stoppen.
• Eingangs- und Ausgangsports sind die Kommunikationsports, die den eingebetteten Controller mit anderen Gerätekomponenten verbinden und ihm helfen, Signale zu senden.
• Das Bus System ist der interne Weg, der den CPU Prozessor mit dem Speicher verbindet.
• Wandler wie Analog-Digital-Wandler (ADC) und Digital-Analog-Wandler (DAC) wandeln analoge elektrische Signale in digitale um und umgekehrt.
• Ein zusätzlicher Funktionsblock wird in den anspruchsvollsten Geräten wie Robotern und Raumfahrtsystemen verwendet. Dieses Bauteil führt in der Regel einige enge und komplexe Funktionen aus, die in alltäglichen Geräten nicht benötigt werden.

Arten von Mikrocontrollern

Eingebettete Steuerungen werden anhand von Parametern wie interner Busbreite, Befehlssatz, Speicherarchitektur usw. klassifiziert. Im Folgenden werden einige der Haupttypen von MCUs besprochen, um ein besseres Verständnis dieser Controller zu ermöglichen.

Die 8-, 16- und 32-Bit-Geräte

Die erste Gruppe, zu der die Intel 8031/8051 gehören, führt einfache logische und mathematische Operationen aus. Die zweite Gruppe, zu der der Intel 8096 gehört, kann komplexere Aufgaben ausführen. Die dritte Gruppe ist die anspruchsvollste und in der Luft- und Raumfahrtindustrie, in Mobiltelefonen usw. weit verbreitet. Sie ist technisch gesehen dateneffizienter, was sie auch teurer macht.

AVR vs. ARM-Controller

AVR-Mikrocontroller wurden erstmals 1996 auf der Grundlage der RISC-Befehlssatzarchitektur (ISA) entwickelt. Sie sind sehr beliebt und billig, haben aber eine geringere Busbreite und unterstützen weniger Kommunikationsprotokolle als ARM. AVR-Controller werden von Atmel hergestellt, während ARM-Controller von vielen Unternehmen wie Nvidia, Apple, Samsung und anderen hergestellt werden. ARM-Controller sind fortschrittlicher und bieten Hochgeschwindigkeitsbetrieb und mehr erweiterte Funktionen

Harvard- vs. Princeton-Architektur

MCUs, die auf dem zuvor besprochenen Design basieren, verwenden getrennte Signal- und Speicherbusse für unterschiedliche Anweisungen und Daten. Die Princeton-Architektur, auch von-Neumann-Architektur genannt, verwendet einen einzigen Datenpfad oder Bus sowohl für Daten als auch für Befehle. Das bedeutet, dass MCUs dieses Typs nur eine Funktion zur gleichen Zeit ausführen können.

Externer vs. eingebetteter Speicher

Einige Controller verfügen nicht über alle Funktionsblöcke auf dem Chip. Dem Intel 8031 fehlt zum Beispiel der Programmspeicher. MCUs mit eingebettetem Speicher, wie z. B. Intel 8051, verfügen dagegen über alle wichtigen Blöcke auf den Chips.

Mikroprozessor vs mikrocontroller

Es gibt einen feinen Unterschied zwischen Mikrocontrollern und Mikroprozessoren (MPUs), der häufig zu einer falschen Verwendung dieser Begriffe führt. Das Problem wird durch die Tatsache verkompliziert, dass viele MCUs und MPUs gleich aussehen, so dass selbst technisch versierte Benutzer den Unterschied zwischen diesen eingebetteten Geräten nicht erkennen können.

Ein Mikrocontroller ist ein Ein-Chip-Computer, der aus einem MPU-Computer, RAM, ROM, Eingabe-/Ausgabegeräten usw. besteht. Ein Mikroprozessor hingegen verfügt nur über die Verarbeitungsleistung und nicht über RAM, ROM und andere Chipkomponenten. Mikroprozessoren können erweitert werden (z. B. durch Hinzufügen von mehr Speicher auf dem Chip). Im Gegensatz dazu ist die Erweiterung eines Mikrocontrollers technisch nicht möglich. Wenn mehr Verarbeitungsleistung benötigt wird, sollte ein anderes MCU-Modell verwendet werden.

Ein weiterer erwähnenswerter Unterschied ist, dass Mikroprozessoren mehr Strom verbrauchen als Mikrocontroller, aber auch eine höhere Verarbeitungsleistung aufweisen. Daher sind Mikroprozessoren für Geräte, die mit Batterien arbeiten, nicht geeignet.Außerdem verfügen MPU-Mikroprozessoren nicht über einen Stromsparmodus, im Gegensatz zu MCUs, die in der Regel über diese hilfreiche Funktion verfügen.

Mikroprozessorsteuerungen sind die Hauptkomponenten eines Computers und werden häufig in Laptops und Personalcomputern verwendet. Mikrocontroller sind selbst kleine Computer und werden hauptsächlich in eingebetteten Geräten verwendet.

Die beschriebenen Unterschiede zwischen einem Mikroprozessor und einem Mikrocontroller verlieren mit dem Aufkommen immer ausgefeilterer und vielseitigerer Technologien an Bedeutung. Viele Jahre lang war die Integration von Flash-Speicher das entscheidende Merkmal von Mikrocontrollern. In der Zwischenzeit verfügten selbst die fortschrittlichsten eingebetteten Steuerungen nicht über diese Komponente und waren auf einen externen Flash-Speicher angewiesen. Die neuen Mikrocontroller verwenden jedoch das so genannte Shadowing, um Daten vom externen Flash-Speicher in den dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) zu übertragen. Damit verschwindet die Unterscheidung zwischen MPUs und MCUs allmählich. Handelt es sich nun um einen MCU-Mikroprozessor oder einfach um einen verbesserten eingebetteten Controller? Es scheint, dass selbst Experten Schwierigkeiten haben, den Unterschied zu erkennen. Da die Unterscheidung zwischen den beiden etwas willkürlich ist, können diese Geräte alles sein, was Sie wollen.

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