Ratgeber
Embedded Mikrocontroller sind weit verbreitet und kommen in privaten Haushalten, Gewerbe und Industrie unter anderem für die Regelung und Steuerung von Robotern, Motoren, Smart Homes, Autos und Waschmaschinen zum Einsatz. In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie die Mikrorechner funktionieren und was beim Kauf der Chips zu beachten ist.
Ein Mikrocontroller ist eine Art programmierbarer „Miniatur-Computer“, der auf kleinen Halbleiterplättchen als integrierter Schaltkreis (IC) realisiert wird. Sein Prozessor beherrscht die digitale Logik und führt auf deren Basis Berechnungen und hochgeschwinde elektronische Schaltoperationen durch.
Zur hochintegrierten Mikroprozessor-Architektur gehören außer dem Prozessor (CPU) verschiedene Speichermodule sowie eine E/A-Steuereinheit für die Peripherie. Letztere ermöglicht auf der Basis von Protokollen zum Beispiel die Kommunikation mit anderen elektronischen Steuereinheiten (z.B. ECUs für Motorsteuerungen). Auch das Einlesen von Sensorsignalen z. B. für die Messung von Temperaturen gehört zu den Aufgaben einer Steuer- und Peripherie-Einheit. Damit Mikrorechner bestimmte Anforderungen erfüllen können, müssen sie programmiert werden. Bekannte Programmiersprachen sind z. B. Assembler und C/C++, da sie sich für eine hardwarenahe Programmierung sehr gut eignen.
Der Prozessor eines Mikrocontrollers, der auch MCU (Abkürzung für Microcontroller Unit) genannt wird, verwendet für die operativen Prozesse unterschiedliche Speicher. Zu den häufig vertretenen Speichertypen gehört der RAM- bzw. SRAM-Speicher. Während der Ausführung von Programmen werden die Daten und Variablen für die Rechen- und Verarbeitungsprozesse in diesem flüchtigen Speicher hinterlegt (solange Strom fließt). MCUs haben zudem nicht-flüchtige EEPROM- oder Flash-Speicher, die Programme und/oder Daten dauerhaft speichern (z. B. für vielfach wiederholbare Steuerungs- und Berechnungsroutinen). Reicht der integrierte Speicher nicht aus, nutzen MCUs auch externe Ergänzungs- und Zusatzspeicher.
Ein MCU ist ein in sich funktionsfähiger Mikrorechner, der mit möglichst wenigen Zusatzmodulen und externen Bauteilen auskommen sollte. In der Praxis wird er in der Regel in einem funktionalen und operativen Zusammenhang als Embedded Mikrocontroller eingesetzt. Embedded bedeutet "eingebettet". In diesem klar abgegrenzten Einsatzbereich muss er nur über die Steuerungs- und Regelungsfunktionen verfügen, die in einem Embedded System auch wirklich benötigt werden (z. B. integrierte Single-Function-Anwendungen, One-Task-Geräte).
Ein universell verwendbarer Mikroprozessor (z. B. von AMD oder Intel) muss hingegen sehr viele Aufgaben in unterschiedlichsten Einsatzbereichen möglichst schnell erledigen. Für dieses Anforderungsprofil benötigt der Mikroprozessor eines PCs eine hohe Rechenleistung, zusätzliche Bausteine sowie eine umfangreiche Peripherie. Zudem werden Mikroprozessoren dahingehend optimiert, dass sie in der Anwendungspraxis bestmöglich mit einem aufwendig programmierten und multifunktionalen Betriebssystem zusammenarbeiten (z. B. Software von Windows).
MCUs sollten zur geplanten Embedded-Anwendung passen und für die konkret anstehenden Aufgaben genügend Leistung bieten. Letztere hängt maßgeblich von der Architektur und Bitbreite eines Chips ab. Eine 8-Bit-Architektur hat eine Verarbeitungsbreite, die etwa für einfache Steuerungsaufgaben ausreichend ist (z. B. Überwachung von I/O-Anschlüssen, Statusänderungen auf der Grundlage erhaltener Überwachungsdaten, etwa von Temperatursensoren). Für anspruchsvollere und rechenintensive Aufgaben sind schnellere und leistungsfähigere Chips mit 16 oder 32 Bit zu empfehlen. Es gibt auch Chips, die mehrere Bitbreiten einsetzen können. 16/32-Bit und 8/16-Bit Mikrocontroller verwenden für komplexeren Berechnungen die jeweils verfügbare höhere Bit-Zahl, während für einfache Schritte die niedrigere Bitbreite genutzt wird.
Bei der Speicherausstattung eines MCUs sollten Sie ebenfalls die speziellen Anforderungen für den Einsatz in einem Embedded System berücksichtigen. Benötigen Sie zum Beispiel eine gute Performance und einen großen internen Programm- und Datenspeicher, sollten Sie 16-Bit oder 32-Bit-Chips mit besserer Speicherausstattung bevorzugen. Für einfache Aufgaben kann aber auch ein stromsparender 8-Bit-Mikrocontroller mit wenig Speicherkapazität ausreichen. Beim Kauf sollten Sie zudem auf den angegebenen Arbeitstakt achten, der auch als Taktfrequenz bezeichnet wird. Für viele Aufgaben reichen schon niedrigere Taktfrequenzen ab 1 MHz aus. Wer sich für einen besonders leistungsfähigen Chip mit hoher Taktfrequenz entscheidet, erhält ein performanteres System. Dieses verbraucht dann aber mehr Strom und ist teurer in der Anschaffung.
Die Verwendbarkeit und Funktionsvielfalt eines MCUs wird wesentlich von der integrierten Onboard-Peripherie bestimmt. Hat der Chip z. B. eine SPI-Schnittstelle, können Sie Mikrocontroller miteinander verbinden und zwischen ihnen eine serielle synchrone Datenübertragung realisieren. Bei vielen Schnittstellen und komplexen Aufgaben im Embedded System ist eine ausreichende Anzahl an I/O-Pins (IO = Input/Output) wichtig. Über diese Pins werden Ein- und Ausgaben von Daten und Werten sowie die Kommunikation zur Peripherie abgewickelt.
Für sich genommen verbraucht ein Mikrocontroller wenig Strom. Allerdings kann auch der Stromverbrauch beim Design und bei der Entwicklung von Embedded Systemen ein wichtiger Faktor sein. Sollen MCUs zum Beispiel möglichst lange via Batterie oder Akku betrieben werden, sind stromsparende Controller die richtige Wahl. 8-Bit-Mikrocontroller ermöglichen meist längere Akkulaufzeiten als vergleichbare 32-Bit-Modelle. Viele Mikrocontroller besitzen zudem Stromsparmodi, die den Embedded-Mikrocontroller teilweise abschalten können.
Wenn Sie Microcontroller häufiger austauschen möchten, sind spezielle IC-Sockel sehr nützlich. Von einem IC-Sockel lässt sich der Chip schneller und leichter entfernen. Außerdem schonen Sie beim Tausch die Lötaugen der Platine. IC-Sockel sind für viele Embedded-Mikrocontroller verfügbar.
Was bedeutet der Begriff „Brennen“ im Zusammenhang mit Mikrocontrollern?
Beim „Brennen“ wird ein Programm, das vorher geschrieben und in maschinennahen Quellcode übersetzt wurde, dauerhaft in den nicht-flüchtigen Speicher eines Mikrocontrollers übertragen. Nach der Implementierung kann es wiederholt zum Beispiel Steuerungsroutinen ausführen. Gebrannt wird unter anderem via “In System Programming” (ISP). Bei dem Verfahren, das spezielle Hardware sowie eine ISP-Schnittstelle erfordert, muss der Controller für die Programmierung nicht ausgebaut werden.
Was ist eine SPI-Schnittstelle?
Um mit der Peripherie zu kommunizieren und gewisse Aufgaben zu bewältigen, benötigen Mikrocontroller sogenannte Schnittstellen (englisch: Interface). Zu den typischen Schnittstellen für MCUs gehört das Serial Peripheral Interface (SPI), das Daten gleichzeitig und nach dem Master-Slave-Prinzip in beide Richtungen überträgt (bidirektionales Verfahren, auch duplex genannt). SPI gilt als schnelle Schnittstelle für die serielle Kommunikation. Langsamer sind die ebenfalls weit verbreiteten Kommunikationsprotokolle UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) und I2C (Inter-Integrated Circuit).
Was ist ein MCU-Kit?
MCU-Kits enthalten mehrere aufeinander abgestimmte Komponenten und dienen Entwicklern meist als Plattform für Experimente und Entwicklungen. Mit den Bausätzen oder bereits fertig konfektionierten Platinen können auch Interessierte ohne große Vorkenntnisse verhältnismäßig schnell und ohne umfangreiche Einarbeitung erste Projekte realisieren. Es gibt z. B. Kits für CALLIOPE und Arduino, die mit einem Begleitbuch den Einstieg erleichtern.