1 Mikrocontrollergrundlagen
Das erste Kapitel hat üblicherweise einen in das Thema einführenden Charakter, sodass hier eine Einführung in die Mikrocontrollertechnik gegeben ist, die sich insbesondere an den Einsteiger richtet. Nach einer kurzen Erläuterung der grundlegenden Architekturen von Prozessoren und zur Entstehungsgeschichte der Mikrocontroller werden die wichtigen Schaltungseinheiten von Mikrocontrollern behandelt, und gezeigt, wie sie adressiert und wie sie grundsätzlich programmiert werden. Dieses Basiswissen bildet das notwendige Rüstzeug für die folgenden Kapitel.
Mikrocontroller kommen für kompakte Lösungen, beispielsweise in Haushaltsgeräten, in Kraftfahrzeugen und in industriellen Steuerungen in vielfältiger Art und Weise zum Einsatz. Im Prinzip stellt ein Mikrocontroller einen Mikroprozessor dar, der um bestimmte Einheiten – wie einen Interrupt-Controller, um I/O-Ports oder auch um Analog/Digital-Wandler – erweitert wurde. Diese speziellen Einheiten sind für die jeweilige Geräteaufgabe, die typischerweise sowohl digitale als auch analoge Funktionsblöcke umfasst, als systemimmanent zu betrachten, wie es allgemein bei den sogenannten Embedded Systems der Fall ist. Ein Embedded System wird für eine ganz bestimmte Aufgabe entwickelt, wobei der Mikrocontroller die zentrale Rolle spielt, für die er entsprechend ausgelegt ist und programmiert wurde.
1.1 Architekturen
Bei der Charakterisierung von Mikroprozessoreigenschaften wird oftmals zwischen der Von-Neumann- und der Harvard-Architektur unterschieden. Da ein Mikrocontroller als ein um bestimmte Funktionen erweiterter Mikroprozessor betrachtet werden kann, gilt diese grundlegende Einteilung ebenfalls für die Mikrocontroller.
Johann von Neumann, geboren 1903 in Budapest, gestorben 1957 in Washington, definierte grundlegende Bestandteile eines Rechners, wie sie miteinander verbunden sind und wie sie miteinander kommunizieren. Zur damaligen Zeit nannte man Computer im deutschsprachigen Raum meist Rechner, weil die einzige Aufgabe, die sie (scheinbar) hatten, das Rechnen war.
Der erste Rechner, der nach dem Von-Neumann-Prinzip funktionierte, wurde 1952 nach dreijähriger Bauzeit in den USA fertiggestellt. Andere bekannte Funktionsprinzipien von Computern sind neben der Von-Neumann-Architektur, die sich durch eine sequenzielle Abarbeitung der Befehle auszeichnet, parallel arbeitende Architekturen, die oftmals als Superskalar, RISC oder CCM (Customized Computing Machines) bezeichnet werden.
Wie noch erläutert wird, erfolgt häufig eine Aufteilung von Computersystemen in RISC-Architekturen einerseits und CISC-Architekturen andererseits, die dann oftmals dem Von-Neumann-Modell entsprechen. Eine bekannte Ausnahme bilden die ARM7-Prozessoren (Abschnitt 2.5), die als RISC in einer Von-Neumann-Architektur aufgebaut sind.
Abb. 1–1 Die Architektur nach von Neumann
Folgende Eigenschaften zeichnen ein System nach der Von-Neumann-Architektur aus:
- Der Computer ist zentral gesteuert und verfügt deshalb über eine Central Processing Unit (CPU). Die CPU ist dabei in eine Steuereinheit (CU = Control Unit) und in eine Recheneinheit (ALU = Arithmetical Logical Unit) aufgeteilt.
- Neben einer CPU gibt es einen Speicher und eine separate Ein-/Ausgabeeinheit, wobei diese Einheiten über Bussysteme elektrisch miteinander verbunden sind.
- Die Programme und Daten stehen im gleichen Speicher.
- Die Abarbeitung der Befehle erfolgt sequenziell.
Das grundsätzliche Funktionsprinzip ist, dass zunächst ein Befehl anhand einer Adresse aus dem Speicher geladen wird. Für die Abarbeitung des Befehls werden daraufhin die jeweiligen Daten in das Rechenwerk geladen. Dem Befehlscode entsprechend werden die Daten daraufhin verarbeitet und gespeichert. Demnach handelt es sich bei dieser Arbeitsweise um ein (streng) sequenzielles Verfahren. Mitunter wird das Prinzip der Von-Neumann-Architektur als Stored Program Concept bezeichnet, was als wesentliches Merkmal herausgehoben werden kann.
Insbesondere im Zusammenhang mit Mikrocontrollern und mit Digitalen Signal Prozessoren (DSP) wird oftmals angegeben, dass sie nach der Harvard-Architektur arbeiten. Diese Architektur ist jedoch keineswegs als Alternative zur Von-Neumann-Architektur oder zu irgendeiner anderen zu betrachten. Es handelt sich im Grunde genommen lediglich um eine Variante des Von-Neumann-Modells, die den Speicher aufteilt, und zwar in einen Programm- und in einen Datenspeicher. Alle anderen wesentlichen Merkmale der Von-Neumann-Architektur gelten auch für die Harvard-Architektur, sodass diese Unterscheidung mitunter zu missverständlichen Interpretationen führt.
Abb. 1–2 Speicherarchitektur nach Harvard und nach von Neumann
Durch die physikalische Trennung von Daten- und Programmspeicher sind bei der Harvard-Architektur für beide Speicherbereiche jeweils ein eigener Datenbus (Programme sind auch Daten) sowie ein eigener Adressbus bzw. Adressgenerator notwendig, was einen entsprechend ausgelegten Prozessor oder auch eine spezielle Zusatzlogik erfordert.
Bei den ersten PIC-Mikrocontrollern wird der Programmspeicher (Flash) beispielsweise in einer Breite von 12 Bit und der Datenspeicher mit 8 Bit (SRAM) betrieben. Bei Controllern nach von Neumann wie dem ARM7 sind hingegen beide Speicherpfade gleich breit.
Ein offensichtlicher Vorteil der Harvard-Architektur ist, dass ein gleichzeitiger Zugriff auf Programmcode und Daten möglich ist. Die CPU kann bereits den folgenden Befehl lesen, während die aktuellen Daten geladen oder gespeichert werden.
Weil die typischen Mikrocontroller den Daten- und den Programmspeicher lediglich intern realisieren und mit einem festen Programm (Firmware) arbeiten, bietet die Harvard-Architektur hierfür eine ideale Plattform, obwohl ihre Realisierung (siehe Abbildung 1–2) aufwendiger erscheint.
Für Mikrocontroller wird mitunter auch angegeben, dass sie mit einer Modified Harvard Architecture arbeiten, was bedeutet, dass es keine strikte Trennung zwischen Programm- und Datenspeicher gibt, sondern dass – je nach Typ – unterschiedliche Methoden existieren, um diese Prinzipientrennung aufzubrechen, etwa wenn beide Speichersysteme in der gleichen Busbreite arbeiten oder die separaten Adressbereiche »durchlässig« gestaltet werden. Ein wichtiger Grund für diese Modifizierung besteht darin, dass andernfalls Hochsprachen-Compiler (C, BASIC) nicht ohne Weiteres einsetzbar wären.
1.2 Complex und Reduced Instruction Set Computer
Ende der Siebzigerjahre gab es bereits einige Mikroprozessoren, und es entstand eine Spezialisierung einerseits in Standardprozessoren, wie etwa in die 8086-Familie für Personal Computer, andererseits in Mikrocontroller und digitale Signalprozessoren.
Mikrocontroller, wie der damals eingeführte Typ 6805 von Motorola oder der 8051 von Intel, verfügen generell über verschiedene Peripherie-Einheiten On Chip, wie den Speicher, verschiedene Ports und möglicherweise auch Umsetzer (z. B. A/D-Wandler), die bei Standardprozessoren noch als separate Einheiten hinzugefügt werden müssten.
Mikrocontroller kommen als kompakte Lösungen, beispielsweise in Haushaltsgeräten, in Kraftfahrzeugen und in industriellen Steuerungen zum Einsatz und werden auch als Embedded Systems (eingebettete Systeme) bezeichnet. Digitale Signalprozessoren (DSP) sind demgegenüber insbesondere für die digitale Verarbeitung analoger Signale konzipiert. Eine klassische Anwendung liegt in der Realisierung digitaler Filter, wie sie beispielsweise mit dem ersten DSP – dem 2920 – im Jahre 1979 von Intel programmiert worden sind. Allgemein werden DSPs für die Signalsynthese, etwa für die Audio- und Videoverarbeitung sowie für Übertragungsfunktionen in der Nachrichtentechnik eingesetzt.
Bei den Standardprozessoren für den universellen Einsatz wurden zwei unterschiedliche Architekturen diskutiert und realisiert: Dabei handelt es sich um die Reduced Instruction Set Computer (RISC) und die Complex Instruction Set Computer (CISC), wobei die verbreiteten Prozessoren der Firma Intel (80x86-Generation), die den PC-Standard manifestiert haben, zu den CISC-Systemen gehören.
Wie es die Bezeichnung complex ausweist, verfügen CIS-Computer über einen (relativ) komplexen und umfangreichen Befehlssatz. Der 80386-Prozessor, der die 32 Bit Intel Architecture (IA-32) begründet, kennt bereits ca. 300 Befehle, und mit jeder neuen Prozessorgeneration sowie mit den Befehlssatzerweiterungen (MMX, SSE) sind zahlreiche weitere hinzugekommen, was aufgrund verschiedener Befehlsformate und Befehlslängen (1 Byte bis zu 17 Byte) tatsächlich zu komplexen Codierungen führt. Demgegenüber besitzen die CISC-Typen nur (relativ) wenige Register, die recht universell einsetzbar sind. Die IA-32 kennt lediglich acht Allzweckregister.
Es zeigte sich, dass viele der komplexen Befehle eher selten eingesetzt wurden (und werden). Dies liegt zum einen daran, dass komplexe Rechenvorgänge in der Praxis längst nicht so häufig auftreten wie einfache, für die zahlreiche Einzelschritte und Einzelentscheidungen notwendig sind. Zum anderen setzen Programmierer oftmals vertraute...
