Mikrocontroller-Einheiten (MCUs) und Mikroprozessoreinheiten (MPUs) sind zwei Arten von integrierten Schaltkreisen, die sich zwar in einigen Punkten ähneln, sich aber in vielen anderen Bereichen stark unterscheiden. Diese Einzelchip-Prozessoren ersetzen veraltete Mehrkomponenten-Prozessoren (CPUs) durch separate Logikeinheiten und sind beide für die weitere Entwicklung der Computing-Technologie äußerst wertvoll. Mikrocontroller und Mikroprozessoren unterscheiden sich jedoch erheblich in Komponentenstruktur, Chiparchitektur, Leistungsfähigkeit und Anwendung.

Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Einheiten besteht darin, dass Mikrocontroller alle notwendigen Elemente eines Mikrocomputersystems auf einer einzigen Hardware vereinen. Mikrocontroller benötigen im Unterschied zu Mikroprozessoren keine zusätzliche Peripherie oder komplexe Betriebssysteme, um zu funktionieren. Beide Schaltkreise enthalten CPUs, aber Mikrocontroller integrieren auch Speicher, Eingabe/Ausgabe-Komponenten (E/A) und andere Peripheriegeräte.

Kostengünstige und kleine Mikrocontroller mit geringem Stromverbrauch sind für die umfassende Funktionalität optimiert. Daher eignen sich diese Einheiten am besten für spezifische Anwendungen wie Infotainmentsysteme in Kraftfahrzeugen und Geräte des Internets der Dinge (IoT).

Im Gegensatz dazu sind Universal-Mikroprozessoren in der Regel leistungsfähiger und werden von spezieller Hardware unterstützt, um eine höhere Leistung bei anspruchsvollen Anwendungen wie Personal Computing und Grafikverarbeitung zu erzielen.

Auf Hardware-Ebene basieren Mikroprozessoren auf der „klassischen“ Von-Neumann-Architektur. Diese besteht aus einer CPU mit einer arithmetisch-logischen Einheit (ALU) und Prozessorregistern (kleine Mengen von schnellem Speicher für schnellen Datenzugriff), einer Steuereinheit, einem Speicher für Daten und Anweisungen, einem externen Speicher für Massenspeicher sowie E/A Mechanismen. Diese Methode verwendet denselben Satz von Verbindungsleitungen (einen Bus) , um sowohl Anweisungen zu übertragen als auch Abläufe auszuführen. Mikroprozessoren können diese Aktionen nicht gleichzeitig ausführen, doch moderne Geräte nutzen verschiedene Techniken zur Schadensbegrenzung, um Datenengpässe zu vermeiden.

Dagegen verwenden Mikrocontroller die komplexere Harvard-Architektur, die über einen dedizierten Satz von Datenbussen und Adressbussen zum Lesen und Schreiben von Daten in den Speicher sowie einen weiteren Satz zum Abrufen von Anweisungen zur Durchführung von Abläufen verfügt. Da die CPU gleichzeitig Anweisungen lesen und auf den Datenspeicher zugreifen kann, kann die Harvard-Architektur grundlegende Abläufe schneller ausführen.

Die Harvard-Architektur eignet sich hervorragend für Datenverarbeitungsaufgaben in Echtzeit und Hochgeschwindigkeit. Der einheitliche Daten- und Befehlsspeicherraum der vereinfachten Von-Neumann-Architektur führt jedoch zu einer verbesserten Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit. Aus diesem Grund werden Von-Neumann-Mikroprozessoren für anspruchsvollere Aufgaben wie Hochleistungsrechnen (HPC) und Spiele bevorzugt, während Mikrocontroller in der Regel für die schnelle Signalverarbeitung verwendet werden.

Im Wesentlichen ist ein Mikrocontroller ein kleiner Computer auf einem einzelnen Chip, der einen (oder mehrere) Prozessorkerne, einen Arbeitsspeicher (RAM) und einen elektrisch löschbaren, programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM) als Programmspeicher enthält. Die für den Betrieb als eigenständige Einheiten optimierte Mikrocontroller-Integration verbessert die Signalverarbeitung in Echtzeit und macht diese kompakten Einheiten ideal für die Steuerung spezifischer Aufgaben oder Pflichten innerhalb eingebetteter Systeme.

Die wichtigsten Komponenten eines Mikrocontrollers

• Zentrale Recheneinheit (CPU): Die CPU, umgangssprachlich auch als „Gehirn“ des Computers bezeichnet, ist für die Ausführung von Anweisungen und die Steuerung von Abläufen verantwortlich.
• Speicher: Mikrocontroller enthalten sowohl einen flüchtigen Speicher (RAM), in dem temporäre Daten gespeichert werden, die bei einem Stromausfall verloren gehen können, als auch einen nichtflüchtigen Flash-Speicher (ROM), in dem der Programmiercode des Mikrocontrollers gespeichert wird.
• Peripheriegeräte: Je nach vorgesehener Anwendung kann ein Mikrocontroller verschiedene Peripheriekomponenten enthalten, z. B. E/A-Schnittstellen, Timer, Zähler, Analog-Digital-Wandler (ADCs) und Kommunikationsprotokolle (UART, SPI, I2C).

Leicht, klein und mit relativ wenig Stromverbrauch: Mikrocontroller sind ideal für akkubetriebene elektronische Geräte wie Smartphones, Smartwatches und andere Wearables. Sie sind auch bei Hobbyanwendern sehr beliebt. Programmierbare Mikrocontroller für Verbraucher, wie die von Ubuntu oder dem Raspberry Pi, können einfach in Programmiersprachen wie C, C++ und Python konfiguriert werden, die häufig in Windows-, Linux- und MacOS-Betriebssystemen verwendet werden. Mikrocontroller sind zwar auch für Entwicklungsanfänger zugänglich, werden aber häufig in einer Vielzahl von professionellen und industriellen Anwendungsfällen eingesetzt, z. B. in der industriellen Automatisierung, in Transportsicherheitssystemen und in der Prototypenentwicklung.

Mikrocontroller-Arten und Anwendungsfälle 

Auf Anfrage eines japanischen Taschenrechnerherstellers haben die Ingenieure von Texas Instruments, Gary Boone und Michael Cochran, im Jahr 1971 den ersten Mikrocontroller entwickelt. Die darauffolgenden Jahre stellten einen Durchbruch in der Schaltungstechnik dar und brachten unzählige Verbesserungen und Iterationen von Herstellern wie Intel, NXP und ARM hervor.

Im Folgenden sind einige der gebräuchlichsten Arten von Mikrocontrollern aufgeführt:

• 8-Bit-Mikrocontroller: Die einfachste Art von Mikrocontroller mit begrenzter Verarbeitungs- und Speicherkapazität. Er wird normalerweise in kleinen Geräten wie Spielzeug und Fernbedienungen verwendet.
• 16-Bit-Mikrocontroller: 16-Bit-Mikrocontroller sind zweimal so leistungsfähig wie 8-Bit-Modelle und werden für komplexere Anwendungen verwendet, darunter Medizinprodukte, Automobilsysteme und industrielle Steuerungssysteme.
• 32-Bit-Mikrocontroller: Diese leistungsstärksten und funktionsreichsten Mikrocontroller werden für anspruchsvolle Anwendungen wie Spielekonsolen, Unterhaltungsgeräte und High-End-Industrieautomatisierung eingesetzt.
• RISC-Mikrocontroller (Reduced Instruction Set Computer): RISC-Mikrocontroller verfügen über eine Designarchitektur, die Abläufe vereinfacht und verbessert, indem sie weniger Rechenanweisungen schneller ausführt als andere Methoden, wie z. B. die CISC-Architektur (Complex Instruction Set Computer).
• ARM-Mikrocontroller: Früher eine Abkürzung für Advanced RISC Machines, beinhalten diese Arten von Mikrocontrollern die ARM-Architektur, einschließlich der modernen Arm-Cortex-Untergruppe, die Leistung und Zuverlässigkeit steigern. ARM-Mikrocontroller werden in Mobilgeräten, Automobilsystemen und industriellen Steuerungssystemen weit verbreitet eingesetzt.
• PIC-Mikrocontroller: Entwickelt von Microchip Technology, ist der PIC-Mikrocontroller der kleinste Mikrocontroller der Welt und wird häufig in der Robotik, der Heim- und Industrieautomation sowie in Systemen für erneuerbare Energien eingesetzt.
• FPGA-basierte Mikrocontroller: Diese Mikrocontroller werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die digitale Signalverarbeitung, Videoverarbeitung und Hochgeschwindigkeitsnetzwerke erfordern. Sie verwenden anpassbare Chips, sogenannte Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), die auf Hardwareebene konfiguriert und rekonfiguriert werden können, um einzigartige Hardwarelösungen für anspruchsvolle Verarbeitungsanforderungen zu erstellen.

Mikroprozessoren sind die vorherrschende Art von Computerprozessoren, die alle erforderlichen Komponenten einer CPU in einer einzigen Schaltung integrieren. MPUs vereinen die Rechen-, Logik- und Steuereinheiten veralteter CPU-Computersysteme in einem einzigen, taktgesteuerten und registrierten Universal-Hardwareteil. Dieses integrierte Design verbessert die Zuverlässigkeit durch die Reduzierung potenzieller Fehlerquellen. Obwohl Mikroprozessoren keinen integrierten Programmspeicher besitzen, sind sie für die anspruchsvolle, universelle Verwendung optimiert und so konzipiert, dass sie spezielle Computerperipheriegeräte unterstützen bzw. von diesen unterstützt werden.

Die wichtigsten Komponenten eines Mikroprozessors

Moderne Mikroprozessoren verbinden Millionen von kleinen Transistoren, Widerständen und Dioden, die auf einem Halbleitermaterial zusammengefügt wurden, um die Hauptkomponenten einer CPU zu erschaffen. 

• Arithmetisch-logische Einheit (ALU): Die Hauptlogikeinheit des CPU. Diese Komponente führt logische Abläufe aus, einschließlich mathematischer Berechnungen und Datenvergleiche. 
• Steuereinheit (CU): Die CU-Schaltung interpretiert Anweisungen und initiiert ihre Ausführung, indem sie die grundlegenden Abläufe des Prozessors steuert. 
• Register: Kleine, leistungsfähige Speicher, die von einer CPU zur temporären Speicherung von Daten und Befehlen während des Rechenvorgangs verwendet werden. 
• Cache: Mikroprozessoren und CPUs speichern darin häufig aufgerufene Daten. Es ist ein Hochgeschwindigkeitsspeicher dicht an der CPU, um die Leistung zu steigern. 
• Prozessorkerne: Einzelne Verarbeitungseinheiten innerhalb von Mikroprozessoren werden Kerne genannt. Moderne Prozessoren verfügen häufig über mehrere Kerne (Dual-Core, Quad-Core), was eine parallele Verarbeitung ermöglicht, indem mehrere Aufgaben gleichzeitig ausgeführt werden können.   
• E/A-Module: Die E/A-Komponenten eines Mikroprozessors sind für die Verwaltung des Datenflusses zur und von der CPU von entscheidender Bedeutung. Dazu gehören auch alle zusätzlichen Computerperipheriegeräte, darunter Netzwerkperipheriegeräte wie Ethernet-Anschlüsse oder WLAN-Einheiten.

Mikroprozessor-Arten und Anwendungsfälle 

Vielseitige Mikroprozessoren sind in einer Vielzahl von Anwendungen zu finden, während spezialisierte Einheiten in der Regel für spezifische Aufgaben eingesetzt werden, die eine Hochleistungsverarbeitung erfordern. Im Folgenden werden einige der wichtigsten Mikroprozessor-Arten vorgestellt, die sich in Bezug auf Leistung, Größe, Energieverbrauch und viele andere Aspekte unterscheiden:

• Universal-Mikroprozessoren: Diese vielseitigen Mikroprozessoren sind in einer Vielzahl gängiger Anwendungen und Geräte wie Laptops und Servern zu finden.
• Digitale Signalprozessoren (DSPs): DSPs sind spezialisiert auf numerische Hochgeschwindigkeitsberechnungen und werden häufig für anspruchsvolle Aufgaben wie Audioverarbeitung, Telekommunikation und Bildverarbeitung eingesetzt. Sie sind auch in Anwendungen zu finden, die Interpretation von analogen zu digitalen Signalen erfordern, wie z. B. Wettersensoren. DSPs werden häufig in militärischen Anwendungen wie Überwachungsdrohnen und anderen autonomen Flugzeugen eingesetzt.
• Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs): ASIC-Mikroprozessoren sind für spezifische Aufgaben konzipiert und werden an die spezifischen Anforderungen verschiedener Anwendungen angepasst. Einige Beispiele dafür sind kundenspezifische Chips für Spielkonsolen oder das Krypto-Mining. DSPs, GPUs und andere spezialisierte Mikroprozessoren sind technisch gesehen ebenfalls ASICs.
• Grafikprozessoren (GPUs): GPU-Mikroprozessoren sind speziell für die anspruchsvolle Aufgabe konzipiert, digitale Videos und Grafiken zu rendern, die eine hohe Leistung und parallele Verarbeitung erfordern Leistungsstarke GPU-Mikroprozessoren, die für High-End-Gaming unverzichtbar sind, werden auch häufig beim Krypto-Mining eingesetzt und sind für ihren hohen Stromverbrauch bekannt.
• Netzwerkprozessoren: Eine Art von ASIC-Mikroprozessor, der speziell für die Verarbeitung von Netzwerkdatenpaketen optimiert ist und am häufigsten in Telekommunikations-Switches, Routern und Netzwerksicherheitsgeräten eingesetzt wird.
• Koprozessoren: Koprozessoren, wie Gleitkommaeinheiten (Floating Point Units, FPUs), unterstützen die Haupt-CPU eines Systems, um die Leistung bei bestimmten anspruchsvollen Aufgaben zu steigern, z. B. bei der Durchführung fortgeschrittener wissenschaftlicher Berechnungen oder komplizierter mathematischer Formeln.

Mikrocontroller und Mikroprozessoren können einige der gleichen Aufgaben ausführen. Je nach Anwendungsanforderung hat jede Art jedoch ihre eigenen Stärken und Schwächen. Die integrierten Funktionen eines Mikrocontrollers, einschließlich Energiesparmodi für geringen Stromverbrauch, machen ihn ideal für die meisten eingebetteten Systeme.

Bei komplexen Berechnungen oder höherer Rechenleistung sind Mikroprozessoren jedoch die bessere Wahl, wobei die zusätzliche Leistung und Flexibilität jedoch mit einem höheren Stromverbrauch und einem höheren Preis einhergeht. Diese Funktionen machen Mikroprozessoren zur bevorzugten Wahl für PCs und industrielle Supercomputer.

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