Zusammenfassung Microcontroller [PDF]

Zitiervorschau

Embedded System   

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eingebettetes System Harvard-Architektur ist ein binärwertiges digitales System (auch Computersystem genannt), das in ein umgebendes technisches System eingebettet ist und mit diesem in Wechselwirkung steht  müssen in der Regel immer auf den umgebenden Prozess reagieren Mikrocomputersysteme, die ein fester Bestandteil von z.B. Geräten, Maschinen oder Anlagen sind, werden auch als Embedded Systems bezeichnet. Rechner übernimmt meist Überwachungs-, Steuerungs- oder Regelungsfunktionen und Daten- bzw. Signalverarbeitung. Gegenstück: Self-Contained System (z. B. Tastatur) Echtzeitsystem: Wird die Einhaltung von Zeitschranken zu einer Hauptsache, d.h. wird die Verletzung bestimmter Zeitschranken sehr kritisch im Sinn einer Gefährdung für Mensch und Maschine, dann spricht man von Echtzeitsystemen

Eingebettete Systeme findet man in vielen Anwendungsbereichen. Zum Beispiel:        

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

Unterschied Embedded Systeme / IT-Systeme

Computersystem: Die Kombination von Computer, Peripherie und Software bezeichnet man als Computersystem. PC (Personal Computer): Ein Personal Computer ist ein Mikrocomputer mit standardisierten Schnittstellen für Hard- und Software.

Mikrocomputer: Alle Computer, die zur Befehlsbearbeitung einen Mikroprozessor verwenden, werden allgemein als Mikrocomputer bezeichnet.    

Datenverarbeitungssystem mit einem Mikroprozessor als CPU Extrem räumlich verkleinertes DVS (PC, Laptop, Steuerechner, etc.) Leistungsfähigkeit eingeschränkt gegenüber Mini- und Groß-DVS Verwendung häufig als Steuerungsrechner

Einsatzbereiche Mikrocomputer:

Mikrocomputer im PC-Bereich Seit der Einführung des PC sind bei der Herstellung viele kleine 1Cs2 zu immer größeren ICs zusammengefasst worden. Der Verbund dieser ICs wird als Chipsatz bezeichnet. Chipsätze werden von verschiedenen Herstellern angeboten und sind auf bestimmte Mikroprozessoren abgestimmt. Zwei wichtige ICs aus dem Chipsatz (Bild 3) für eine CPU von INTEL® sind die North- und die Southbridge. Sie ermöglichen den Datenaustausch der CPU mit den anderen Komponenten des Computers. Die Anbindung der CPU an die Northbridge erfolgt über den Front-Side-Bus.

Mikroprozessor (CPU) Der Mikroprozessor ist für die Bearbeitung der Befehle eines Programms zuständig. Ein Befehl wird dem Programmspeicher entnommen, entschlüsselt (decodiert) und anschließend ausgeführt. Mit den nachfolgenden Befehlen im Programmspeicher wird in gleicher Weise verfahren. Der Mikroprozessor (CPU) ist für das Holen, Decodieren und Ausführen der Programmbefehle zuständig. Je schneller der Ablauf zur Befehlsbearbeitung durchgeführt wird, desto schneller wird ein Programm abgearbeitet. Die Geschwindigkeit wird dabei vom CPU-Takt vorgegeben. Der CPU-Takt kann aber nicht beliebig erhöht werden, da sich ein Mikroprozessor mit zunehmender Taktfrequenz z.B. stärker erwärmt. Auch verringert der Zugriff auf einen langsamen Arbeitsspeicher die Arbeitsgeschwindigkeit der CPU. Darum haben Mikroprozessoren für PCs interne schnelle Zwischenspeicher (Cache1-Speicher), die z.B. bei einer Core i7 CPU als L2- bzw. L3-Cache-Speicher bezeichnet werden. Diese speichern eine Kopie des momentan zu bearbeitenden RAM-Speicherbereichs. Auf den Cache-Speicher kann die CPU viel schneller zugreifen als auf den RAM. Eine weitere Erhöhung der Leistungsfähigkeit eines Mikroprozessors wird durch das parallele Arbeiten mehrerer CPU-Kerne, z.B. vier Kerne (Core 1 bis 4) bei einem Quad-Core-Mikroprozessor, erreicht. 

Auf einem Chip integrierte Steuer- und Verarbeitungseinheit, die als CPU im Mikrocomputer verwendet wird (Steuer- und Leitwerk)

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Mikroprozessor alleine ist nicht einsatzfähig - erst der Mikrocomputer

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Mikrocomputer = Mikroprozessor + Speicher + E/A-Bausteine [+ Peripherie]

Mikrocontroller In Bereichen der Consumer Electronic (CE) oder der Automatisierungstechnik sind die Bestandteile eines Mikrocomputers meist in einem integrierten Schaltkreis enthalten. Dieser Single Chip Mikrocomputer ist klein und hat einen geringen Energieverbrauch. Er wird als Mikrocontroller bezeichnet. Mikrocontroller sind leistungsfähige, kompakte, programmierbare Rechnersysteme. Diese enthalten einen Prozessor und alle benötigten Bausteine wie Speicher, Zeitgeber, digitale / analoge Ein- und Ausgabegeräte, usw. Alle Komponenten sind dabei auf einem Chip, deshalb bezeichnet man den Mikrocontroller auch als Ein-ChipMikrorechner. Anforderungen und Möglichkeiten von Mikrocontrollerlösungen: 

programmierbar (Update, Optimierung, Wartung)

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flexible Schnittstellen (vielfältig, integriert, standardisiert)

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Selbstdiagnose, Fehlerkorrektur, Debuginterface

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Echtzeitfähigkeit (schnelle Reaktionszeiten)

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Timer, Interruptfähigkeit

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deterministisch (bestimmbares, berechenbares Verhalten)



geringe Kosten, geringer Leistungsverbrauch

Ein Mikrocontroller hat folgende typische Eigenschaften: 

besitzt einen Programmspeicher (früher ROM, EPROM, EEPROM, heute FLASH)

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einen Datenspeicher (SRAM) (meist weniger als 1 Mbyte)

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Geringere Taktrate (PC: bis GHz, MC: wenige MHz)

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Kein Massenspeicher (Festplatte)

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eine Verarbeitungseinheit (CPU)

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digitale Eingabe- / Ausgabe- Ports (GPIO), oft analoge Eingabegeräte (ADC)

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einen oder mehrere Zeitgeber

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Kommunikationsbausteine (COM, UART,…)

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manchmal spezielle Bausteine für besondere Aufgaben z.B. LCD-Treiber

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

Roboter

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CD-, MP3- und DVD-Player

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Temperaturregler

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Füllstandsregler

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Motorsteuerungen

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Signaldecoder für Satellitenempfang

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Fernbedienung, Waschmaschinen, Geschirrspüler, Radio

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Alarmanlagen, Schaltuhren, Ladegeräte

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Messwerterfassung (z.B. Drehzahlmessung im Auto)

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intelligente Geräte in der Automatisierungstechnik

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intelligente Sensoren

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intelligente Aktoren, z.B. die Airbags in PKWs

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alle Formen von Heimelektronik

Prozessorarchitekturen Von-Neumann-Architektur Befehle und Operanden stehen im selben Speicher. Damit sind zum Lesen zwei Lese-Zyklen der CPU notwendig. Programme sind Daten und liegen im selben Speicher und werden vom Eingabewerk gleich behandelt. Vorteil: Man benötigt nur halb so viele Leitungen und CPU Anschlüsse, wie bei der Harvard Architektur. Nachteil: Die CPU muss zum Lesen eines Befehls der einen Operanden hat zweimal auf den Speicher zugreifen. Die von Neumann-Architektur wurde etwa 1946 entwickelt. Bei der rasanten Entwicklung der Komponenten eines Rechners ist es kaum zu glauben, dass diese Architektur heute noch aktuell sein soll. Aber bis auf wenige Unterschiede wird die von Neumann-Architektur auch bei heutigen Computern realisiert. Die Unterschiede bestehen vor allem in folgender Hinsicht: 1. Mehr-Kern-Prozessor: Der von Neumann-Rechner besitzt einen Prozessor; die wichtigste Aufgabe des Rechners ist ja einen Algorithmus abzuarbeiten und dies sollte zunächst nacheinander geschehen. Heutige Rechner, sogar im unteren Preisbereich, werden fast ausschließlich als Mehr-Kern-Prozessoren angeboten. Das heißt es gibt mehrere Prozessoren, die es erleichtern, dass viele Programme gleichzeitig abgearbeitet werden können (Multi-Tasking). 2. Cache-Speicher: Wie beim Harvard-Rechner besprochen, kann beim von Neumann-Rechner das Bussystem leicht zum Flaschenhals des Rechners werden. Dies kann man vermeiden, indem man zwischen dem Hauptspeicher und dem Prozessor einen (oder sogar mehrere) Cache-Speicher anbietet. Im Cache-Speicher befinden sich dann Daten und Programmteile, auf die der Prozessor oft zugreifen muss. Er wird zwar nur als klein (im Vergleich zum Hauptspeicher) realisiert, aber auf ihn kann sehr schnell zugegriffen werden. Mit einem geschickten Speicher-Management (was wird im Speicher abgelegt?) kann die Befehlsabarbeitung deutlich schneller ablaufen.

Harvard-Architektur CPU hat zwei getrennte Busse über die zwei getrennten Speicher gleichzeitig adressiert werden. Programme und Daten besitzen getrennte Speicher. Vorteil: Damit kann die CPU den Befehl und die zugehörigen Operanden gleichzeitig lesen. Nachteil: Es werden mehr Leitungen benötigt. => teurer Unflexibel – Code Speicher nicht für Daten nutzbar Beim von Neumann-Rechner sind im Hauptspeicher sowohl Daten als auch Programme gespeichert. Dies kann zu Sicherheitsproblemen führen, da Computer-Viren leichter eingeschleußt werden können. Beim sogenannten Harvard-Rechner werden Daten und Programme in zwei unterschiedlichen Speichern abgelegt (Daten-Speicher und Programm-Speicher). Der Nachteil der Harvard-Architektur ist, dass man im Voraus nicht weiß, wie der Computer später eingesetzt werden soll. Und daher ist es schwer, die Größe der beiden Speicher zu dimensionieren. Für eingebettete Systeme (embedded systems) trifft dies nicht zu; dort wird die Harvard-Architektur oft eingesetzt, bei PCs dominiert immer noch die von Neumann-Architektur (mit den Verbesserungen). Der Vorteil der Harvard-Architektur besteht vor allem darin, dass für Daten und Programme ein eigenes Bussystem bereitsteht. Der Daten-Speicher muss nur mit dem Rechenwerk kommunizieren, der Programm-Speicher nur mit dem Steuerwerk. Daher ist der Bus insgesamt sehr viel schneller als beim von Neumann-Rechner. Dort kann das Bussystem leicht zum Flaschenhals des Rechners werden, das heißt dass es nicht schnell genug die Daten und Programmteile für den Prozessor nachliefern kann.

Kühlschrank Bestandteile:       

Thermostat Sensor Tür Kommunikationsschnittstelle (Ethernet) Kamera Kühlung Licht LCD