Mikrocontroller. eine Einführung. Florian Schmitt / 34

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Wilfried Kohl
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1 Mikrocontroller eine Einführung Florian Schmitt / 34

2 Inhalt Was sind Mikrocontroller, wozu sind sie nützlich? Unterschiede und Gemeinsamkeiten mit dem PC Wie funktionieren Mikrocontroller Probleme und Schwierigkeiten Aussicht: Möglichkeiten, zukünftige Entwicklung 2 / 34

3 Was sind Mikrocontroller? Halbleiterchips Prozessor mit vielen Zusatzfunktionen Integrierte Speichermöglichkeiten Ein-Chip-Computersystem Beispiele für integrierte Funktionen: Einfache Parallelausgänge z.b. zum Steuern Serielle Schnittstellen Ethernet- und USB-Schnittstellen ADC (Analog Digital Converter) Spannungen messen LCD-Controller 3 / 34

4 Was sind Mikrocontroller? 4 / 34

5 Was sind Mikrocontroller? 5 / 34

6 Was sind Mikrocontroller? 6 / 34

7 Pins Eingabe Ausgabe / Steuern Ausgabe Einlesen / Messen Programm / Prozessor Aus Speicher lesen In Speicher schreiben Speicher 7 / 34

8 8 / 34

9 Port als Eingang Port 163 5V = 1 GND = 0 9 / 34

10 Port als Ausgang Port B 163 5V = 1 GND = 0 10 / 34

11 Eingebettete Systeme embedded systems (engl.) Ein elektronischer Rechner, der im technischen Kontext in einem System (Gerät) eingebunden ist. Sowohl Mikrocontroller als auch ganze Computer Aufgaben des Rechners: Schalten, steuern, messen, überwachen, / 34

12 Beispiele: Auto Waschmaschine Handy Getränke- / Kaffeeautomat viele mehr 12 / 34

13 Vergleich: Mikrocontroller vs. PC Im Grunde enthält ein Mikrocontroller einen kleinen PC: Arbeitsspeicher / RAM nichtflüchtige Speicher (z.b. Flash, EEPROM) Prozessor Eingabe- und Ausgabefunktionen (Tasten, Display) Netzwerkfunktionen 13 / 34

14 Vergleich: Anwendung ATMega8-16 PC Verbrauch 0,05 W (5V / 8MHz) 0,01 W (3V / 4MHz) 100 W Prozessortakt Wortlänge Architektur 16 MHz 8 Bit Harvard 1 bis 3 Ghz 32 Bit / 64 Bit Von-Neumann Größe / Mobilität Klein und leicht Groß und schwer Fester Speicher 8 kb 80 GB Ram 1 kb 2-8 GB Preis 2, Anmerkung: Gegeben sind nicht Maximalwerte sondern gebräuchliche Werte. 14 / 34

15 Vergleich: Einsatzmöglichkeiten µc Steuerungen Batteriegeräte (Digitalwecker) Messstationen Tragbare Geräte (MP3-Player) Computer Maus, Tastatur, USB-Stick, Drucker, CNC-Fräse Datenbanken Webserver Aufwendige Berechnungen Home-PC 15 / 34

16 Vergleich: Architektur 16 / 34

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18 Assembler Assembler ist eine Programmiersprache, welche die Maschinensprache eines Prozessors für den Menschen lesbar macht. Die Programme laufen sequenziell ab. 18 / 34

19 Exkurs: Assembler Assembler wird direkt in Maschinensprache übersetzt Im Prozessor werden Funktionen durch Zahlenwerte aufgerufen: Assembler: Maschinencode: 1 Byte - Befehl 1 Byte - Wert add r0, r / 34

20 Assembler: Programmbeispiel ldi r16, 90 ldi r17, 10 add r16, r17 inc r17 Veranschaulichung: Büro / Fächer 20 / 34

21 Assembler: Programmbeispiel ldi r16, 90 ldi r17, 10 add r16, r17 inc r17 Veranschaulichung: Büro / Fächer 21 / 34

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28 Mikrocontroller in C programmieren void main() { DDRD = 0b ; while(1) { PORTD = 0b ; _delay_ms(1000); PORTD = 0b ; _delay_ms(1000); } } 28 / 34

29 Probleme und Schwierigkeiten Abhängig von Bauart und Hersteller Systemnahe Programmierung: Zugriffsfehler Vorsicht bei zeitkritischen Algorithmen! Überlauf: Wert > Wortlänge (> 255) Meist geringere Wortlänge Berechnungen mit großen Zahlen schwierig und zeitintensiv Fehler bei eingebetteten System besonders problematisch 29 / 34

30 Aussicht Sensoren können leicht vernetzt werden: Anbindung an große Netzwerke oder das WWW Übertragen der Messwerte an Rechner zur Auswertung Zugriff von mehreren Stellen im Netzwerk Das ermöglicht: Bessere Steuerungen (Ampeln, Aufzüge) Bessere Zugänglichkeit (Stau, Wetterdaten im Web) Systeme werden deutlich flexibler 30 / 34

31 Aussicht Auch in der Experimentalphysik immer wichtiger: Schnelle, effiziente und sichere Verarbeitung von Messwerten Zugang von verschiedenen Stellen zur Überwachung Sensoren können auch weitere Daten senden, z.b. ob das Lämpchen einer Lichtschranke defekt ist 31 / 34

32 Aussicht Probleme: Netzwerke können leicht von außen Manipuliert werden Systeme werden komplizierter Fehler in der Programmierung sind fatal Abwägung von Nutzen und Aufwand 32 / 34

33 Aussicht Beispiele: Fehler durch falsche Zeitberechnung im µc Neuer Personalausweis Vernetzte Autos Handyortung 33 / 34

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