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Was ist ein Mikrocontroller?
Veröffentlicht: 4. Juni 2024
Mitwirkende: Josh Schneider, Ian Smalley
Eine Mikrocontroller-Einheit (MCU) ist im Grunde ein kleiner Computer auf einem einzigen Chip. Es wurde entwickelt, um bestimmte Aufgaben innerhalb eines eingebetteten Systems zu verwalten, ohne ein komplexes Betriebssystem zu benötigen.
Diese kompakten integrierten Schaltkreise (ICs) enthalten einen Prozessorkern (oder -kerne), einen Arbeitsspeicher (RAM) und einen elektrisch löschbaren, programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM) zum Speichern der benutzerdefinierten Programme, die auf dem Mikrocontroller ausgeführt werden, auch wenn das Gerät von der Stromversorgung getrennt ist.
Im Gegensatz zu Universal-Mikroprozessoren integrieren Mikrocontroller Verarbeitung, Speicher und Ein-/Ausgabe-Peripheriegeräte – einschließlich Zeitgeber, Zähler und Analog-Digital-Wandler (ADCs) – in einer effizienten und kostengünstigen Standalone-Einheit. Durch die Kombination mehrerer Komponenten in einem einzigen System eignen sich Mikrocontroller gut für Anwendungen, die eine Echtzeit-Signalverarbeitung erfordern, wie z. B. die Steuerung von Motoren und Servos und die Anbindung an verschiedene Arten von Sensoren und Kommunikationssystemen.
Die folgenden Komponenten sind die Hauptbestandteile eines Mikrocontrollers:
- Zentrale Recheneinheit (CPU): Die CPU, die umgangssprachlich als „Gehirn“ des Computers bezeichnet wird, ist die Kernkomponente, die für die Ausführung von Anweisungen und die Steuerung von Abläufen verantwortlich ist.
- Speicher: Mikrocontroller enthalten sowohl flüchtigen Speicher (RAM), der im Gegensatz zum Programmspeicher temporäre Daten speichert, die bei einem Stromausfall verloren gehen können, als auch nichtflüchtigen Flash-Speicher zum Speichern des Programmierbefehlssatzes (Firmware) des Mikrocontrollers.
- Peripheriegeräte: Je nach Verwendungszweck kann ein Mikrocontroller verschiedene Zusatzkomponenten enthalten, wie z. B. Ein-/Ausgabeschnittstellen (E/A) – einschließlich Zeitgeber, Zähler, Analog-Digital- (ADC) und Digital-Analog- (DAC) Signalwandler (ADCs) – und Kommunikationsprotokolle (UART, SPI, I2C). Zu den Hilfsmitteln können auch Komponenten wie LCD-Bildschirme, Ethernet-Anschlüsse oder Schnittstellen für solche Modultypen gehören.
Mikrocontroller sind ideal für batteriebetriebene Unterhaltungselektronik, wie z. B. Smartphones, Smartwatches und andere Wearables, da sie leicht und klein sind und vergleichsweise wenig Strom benötigen.
Die preiswerten Mikrocontroller und Mikrocontroller-Entwicklungsplatinen, wie sie von Arduino und Adafruit hergestellt werden, sind bei Anhängern der Open-Source-Bewegung sehr beliebt und lassen sich in einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) mit gängigen Programmiersprachen wie C, C++ und Python einfach konfigurieren. Obwohl sie selbst für Anfänger leicht zugänglich sind, werden Mikrocontroller auch häufig zur Steuerung von Systemen in einer Vielzahl von professionellen Anwendungen eingesetzt, darunter Prototyping, Robotik, Automobilsysteme, industrielle Automatisierung und Internet der Dinge (IoT)-Anwendungen.
Mikrocontroller und Mikroprozessoren weisen viele Gemeinsamkeiten auf. Beide können als Ein-Chip-Prozessoren beschrieben werden, die in der Lage sind, Rechenlogik auszuführen, und beide sind für die Entwicklung und Verbreitung der allgemeinen Computertechnologie von großem Wert. Die beiden Komponenten unterscheiden sich jedoch sowohl in der Hardwarearchitektur als auch in der Anwendung.
Das bestimmende Merkmal eines Mikrocontrollers ist die Kombination aller notwendigen Rechenelemente in einem einzigen Chip – Mikrocontroller benötigen keine zusätzlichen externen Schaltkreise, um zu funktionieren. Umgekehrt bestehen Mikroprozessoren aus einer CPU und mehreren unterstützenden Chips, die Speicher, serielle Schnittstelle, E/A und andere notwendige Funktionen bereitstellen.
Obwohl die Begriffe Mikroprozessor und CPU manchmal synonym verwendet werden, ist es genauer, Mikroprozessor-Halbleiter als einzelne integrierte Schaltkreise zu beschreiben, die eine CPU enthalten und mit anderen externen Hilfsmitteln, wie z. B. Ein-/Ausgabegeräten, verbunden werden können.
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Arten von Mikrochips besteht darin, dass Mikrocontroller eigenständig sind, während Mikroprozessoren für die Verbindung mit externen Zusatzgeräten konzipiert sind.
Daher sind allgemeine und anspruchsvolle Aufgaben, die möglicherweise spezielle Hardware mit höherer Rechenleistung erfordern, besser für Mikroprozessoren geeignet. Spezifische Aufgaben innerhalb eingebetteter Systeme, wie z. B. die Sensor- oder Motorsteuerung, sind hingegen gute Beispiele für geeignete Mikrocontroller-Anwendungen.
Hauptunterschiede zwischen Mikrocontrollern und Mikroprozessoren
Beim Vergleich von Mikrocontrollern und Mikroprozessoren ist es hilfreich, vier Hauptmerkmale zu berücksichtigen:
- Integrationen:
- Mikrocontroller integrieren CPU, Speicher und E/A-Hilfsmodule auf einem einzigen Chip.
- Mikroprozessoren benötigen externen Speicher und zusätzliche Hilfsmittel.
- Anwendungen:
- Mikrocontroller eignen sich besser für spezifische Anwendungen mit geringem oder sehr geringem Stromverbrauch in eingebetteten Systemen, wie z. B. Haushaltsgeräten oder IoT-Geräten.
- Mikroprozessoren eignen sich besser für allgemeine und leistungsstarke Anwendungen, die mehr Rechenleistung erfordern, wie z. B. PCs oder Server in Rechenzentren.
- Leistung:
- Mikrocontroller sind für Effizienz und Echtzeitverarbeitung optimiert und arbeiten mit niedrigeren Taktraten bis zu 200 MHz.
- Mikroprozessoren sind für anspruchsvollere und kompliziertere Berechnungen ausgelegt und können mit Taktgeschwindigkeiten von über 1 GHz arbeiten.
- Betriebskosten:
- Mikrocontroller-Hardware ist preiswert, und da keine speziellen Programmierkenntnisse erforderlich sind, belasten sie das Gesamtbudget des Projekts nur geringfügig.
- Mikroprozessoren sind teurer und komplexer. Die Konfiguration eines fortschrittlichen mikroprozessorbasierten Systems erfordert möglicherweise spezielle Fähigkeiten.
Die ersten Arten von Mikrocontrollern entstanden aus den Fortschritten in der Mikroprozessorherstellung, bei der Forscher Techniken zur Integration von CPU, Speicher und Peripheriekomponenten in einzelne Chips entwickelten.
Den Ingenieuren von Texas Instruments, Gary Boone und Michael Cochran, wird die Entwicklung des ersten Mikrocontrollers im Jahr 1971 zugeschrieben. Hersteller wie Intel und verschiedene japanische Elektronikunternehmen folgten schnell.
Heute bieten Dutzende verschiedener Mikrocontroller-Hersteller – wie Intel, NXP und Arm – Hunderte von Varianten an, die von Allzweckoptionen für Bastler und Amateure bis hin zu hochspezialisierten Lösungen für professionelle Technologen und alle möglichen Branchen reichen.
Zu den gängigsten Arten von Mikrocontrollern gehören:
Der einfachste Typ von Mikrocontroller mit begrenzter Verarbeitungs- und Speicherkapazität. Er wird normalerweise in kleinen Geräten wie Spielzeug und Fernbedienungen verwendet.
16-Bit-Mikrocontroller sind doppelt so leistungsfähig wie 8-Bit-Modelle und werden für komplexere Anwendungen verwendet, z. B. für medizinische Geräte, Automobilsysteme und industrielle Steuerungssysteme.
Diese leistungsstärksten und funktionsreichsten Mikrocontroller werden für anspruchsvolle Anwendungen wie Spielekonsolen, Unterhaltungsgeräte und High-End-Industrieautomatisierung eingesetzt.
RISC-Mikrocontroller verfügen über eine Designarchitektur, die Vorgänge vereinfacht und verbessert, indem sie weniger Rechenanweisungen schneller ausführt als andere Methoden, wie z. B. die CISC-Architektur (Complex Instruction Set Computer).
Diese Art von Mikrocontrollern, die früher als Abkürzung für Advanced RISC Machines standen, enthalten die ARM-Architektur, einschließlich der modernen ARM-Cortex-Teilmenge, die die Leistung und Zuverlässigkeit verbessert. ARM-Mikrocontroller werden häufig in Mobilgeräten, Automobilsystemen und industriellen Steuerungssystemen eingesetzt.
Der von Microchip Technology entwickelte PIC-Mikrocontroller ist der kleinste Mikrocontroller der Welt und wird häufig in der Robotik, der Heim- und Industrieautomation sowie in Systemen für erneuerbare Energien eingesetzt.
Diese Mikrocontroller werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine digitale Signalverarbeitung, Videoverarbeitung und Hochgeschwindigkeitsnetzwerke erfordern. Sie verwenden feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs), die auf Hardwareebene konfiguriert und neu konfiguriert werden können, um äußerst vielseitige und anpassbare Verarbeitungsergebnisse zu erzielen.
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Ressourcen
Die zentrale Recheneinheit (CPU) ist die wichtigste Funktionskomponente eines Computers. Es handelt sich um eine elektronische Schaltung, die das Betriebssystem und die Apps eines Computers ausführen und eine Vielzahl anderer Computervorgänge verwaltet.
Datenspeicher beziehen sich auf magnetische, optische oder mechanische Medien, die digitale Informationen für laufende oder zukünftige Operationen aufzeichnen und aufbewahren.
Ein FPGA ist ein vielseitiger integrierter Schaltkreistyp, der auf der Hardwareebene programmierbar ist und sich für verschiedene Zwecke eignet, z. B. für High-Performance Computing (HPC) und Prototyping.
Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) und Mikrocontroller-Einheiten (MCUs) sind zwei Arten von häufig verglichenen integrierten Schaltkreisen (ICs), die typischerweise in eingebetteten Systemen und digitalem Design verwendet werden.
Die CPU ist das Gehirn des Computers und verschiedene Typen werden durch den Prozessor oder Mikroprozessor definiert, der sie steuert.
Supercomputing ist eine Form des Hochleistungsrechnens, bei der ein leistungsstarker Computer, ein Supercomputer, für Ermittlungen oder Berechnungen verwendet wird, was die Gesamtzeit bis zur Lösung verkürzt.
