Mikrocontroller - Der Leitfaden für Maker E-Book

Klaus Dembowski

• Herausgeber: dpunkt
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: HardwareHacks Edition
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2014

Seitenzahl: 403

Beschreibung

Sie haben bereits erste Projekte mit Minicomputern - wie Raspberry Pi - oder auf der Basis von Mikrocontrollern - etwa Arduino - realisiert und möchten nun tiefer in die Welt der Mikrocontroller eintauchen. Dieses Buch liefert Ihnen das dazu nötige Know-how. Es zeigt, mit welchen modernen Methoden, Hilfsmitteln und Bauelementen sich Applikationen für die Sensorik sowie zum Messen und zum Steuern entwickeln und umsetzen lassen. Das Buch wendet sich damit zum einen an Leser, die bereits einen Einstieg in die Thematik absolviert haben, anderseits sind aber auch "Maker" angesprochen, für die Digital- und Analog- sowie Sensortechnik zwar kein Neuland mehr ist, die jedoch einen systematischen Überblick betreffs moderner Mikrocontroller und Minicomputer sowie über aktuelle Komponenten suchen. Es bietet Grundlagen der modernen Schaltungstechnik und Kenntnisse darüber, wie aktuelle Bauelemente und Komponenten zusammenpassen, sodass die Leser damit ein verlässliches Kompendium für unterschiedlichste Mikrocontroller-Hacks erhalten. Die ersten sechs Kapitel beschäftigen sich mit den grundlegenden Themen: Mikrocontrollerfamilien, Minicomputersysteme, Ein-/Ausgabeeinheiten, Energieversorgung und Funkpraxis. Konkrete Projekte werden danach vorgestellt, wobei unterschiedliche Mikrocontroller zum Einsatz kommen. Besondere Aufmerksamkeit verdient das Kapitel sieben, denn die beiden behandelten Erweiterungsplatinen für den Raspberry Pi sind Eigenentwicklungen, die über das "typische Bastlerniveau" hinausgehen und dennoch zum Nachbau und zum Design eigener (ähnlicher) Applikationen verleiten sollen. Die Applikationen sind so ausgewählt, dass die in den grundlegenden Kapiteln erläuterten Kenntnisse sich dort in der praktischen Umsetzung wiederfinden.

Leseprobe

Klaus Dembowski hat Nachrichtentechnik studiert und ist an der Technischen Universität Hamburg-Harburg tätig. Seine Schwerpunkte liegen in den Bereichen Mikrocontrollerentwicklung, Hard-und Software für Mikrosysteme sowie Energy Harvesting. Bei der Vermittlung aktueller Inhalte aus den Bereichen der Elektronik sowie der Informations- und Netzwerktechnik kann er auf eine langjährige Erfahrung als Autor und Dozent zurückgreifen. Die mittlerweile über 40 erschienenen Buchtitel zeichnen sich ebenso wie die regelmäßig erscheinenden Zeitschriftveröffentlichungen, Seminare und Vorträge durch eine verständliche und praxisorientierte Darstellung auch komplexer Sachverhalte aus.

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Mikrocontroller – Der Leitfaden für Maker

Schaltungstechnik und Programmierung von Raspberry, Arduino & Co.

Klaus Dembowski

Klaus Dembowski

Lektorat: Dr. Michael Barabas

Copy-Editing: Friederike Daenecke, Zülpich

Herstellung: Frank Heidt

Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, www.exclam.de

Druck und Bindung: M.P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, 33100 Paderborn

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;

detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN:

Buch 978-3-86490-150-8

PDF 978-3-86491-511-6

ePub 978-3-86491-512-3

1. Auflage 2014

Copyright © 2014 dpunkt.verlag GmbH

Wieblinger Weg 17

69123 Heidelberg

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Vorwort

Praktische Bücher über Mikrocontroller behandeln üblicherweise einen ganz bestimmten Typ, der dementsprechend programmiert und eingesetzt wird. Lehrbücher über Mikrocontroller konzentrieren sich fast ausschließlich auf theoretische Gesichtspunkte, gehören nicht selten »zur trockenen Materie« und lassen einen aktuellen Praxisbezug oft vermissen. Mit diesem Buch wird versucht Theorie und Praxis anschaulich zu verbinden, wobei verschiedenste aktuelle Mikrocontroller und Boards zum Einsatz kommen, die sowohl erläutert als auch eingesetzt werden.

Das erste Buch, das ich geschrieben habe, hat den Titel Intel-8096-Microcontroller-Familie – Ein Handbuch für Programmierer und Systementwickler aus dem Jahre 1989. Der Intel 8096 war der erste 16-Bit-Microcontroller und wurde insbesondere für Embedded Systems wie beispielsweise bei Motorsteuerungen häufig eingesetzt. Fast 25 Jahre oder auch ca. 50 Bücher später, die sich vorwiegend mit PC- und Netzwerktechnik beschäftigt haben, also wieder ein Mikrocontrollerbuch.

Die Grundfunktionalität eines Mikrocontrollers hat sich in der Zwischenzeit zwar kaum verändert, allerdings ist diese Thematik nun nicht mehr allein den Programmierern und Systementwicklern vorbehalten, was insbesondere der Arduino- und der Raspberry-Pi-Plattform zu verdanken ist, die es mit einem fast spielerischen Ansatz erlauben, dass jedermann kostengünstig Projekte verwirklichen kann, die einen Mikrocontroller oder auch einen Single-Board-Computer einsetzen. Wer bereits erste Erfahrungen mit diesen oder ähnlichen Systemen gesammelt hat und weiter in die Elektronik und Programmierung einsteigen möchte, der kann mit diesem Buch auf einen verlässlichen Ratgeber und Leitfaden zurückgreifen.

Die ersten Kapitel sind durchaus für Anfänger geeignet. Der Schwierigkeitsgrad wird im Verlauf des Buches zunehmend höher, was der Tatsache geschuldet ist, dass die Funktionen der Einheiten, wie für das Energy Harvesting oder auch für Funksysteme notwendig sind, eben komplexer sind. Wer sich jedoch von Kapitel zu Kapitel »hocharbeitet«, wird zunehmend auch die komplizierteren Zusammenhänge erschließen können. Der Profi wird hingegen meist selektiv direkt die für ihn interessanten Teile anvisieren, weil sich das Buch vom Aufbau her auch als Nachschlagewerk eignet.

Klaus Dembowski

Februar 2014

Inhaltsverzeichnis

1        Mikrocontrollergrundlagen

1.1     Architekturen

1.2     Complex und Reduced Instruction Set Computer

1.3     Start mit Mikrocontrollern der Firma Intel

1.3.1     Low Power

1.4     Spannungsversorgung, Oszillator und Reset

1.5     Arbeitsspeicher

1.6     Interrupt-Logik

1.7     Watchdog

1.8     Brown Out Detection

1.9     JTAG-Interface

1.10  DMA-Logik

1.11  Adressierung

1.12  Programmierung

2        Mikrocontrollerfamilien beurteilen und auswählen

2.1     8051-Mikrocontroller

2.1.1     Architektur

2.2     Microchip-Mikrocontroller – PIC

2.2.1     Architektur und Ausstattungsmerkmale

Oszillatoren

Reset-Konfiguration

ICSP-Interface

Programmspeicher

2.2.2     Konfigurationsdaten

Taktgeneratoreinstellung

Power Up Timer

Brown Out Detect

Watchdog Timer

CCP2Mux

Stack Overflow Reset

Low Voltage Programming

Code Protection

Schreiben der Konfigurationsdaten

2.2.3     PIC-Mikrocontrollerfamilien

2.2.4     NanoWatt-Technologie

2.2.5     Entwicklungsumgebung

2.3     Atmel-Mikrocontroller

2.3.1     Architektur

2.3.2     AVR-Controller-Familien im Überblick

2.3.3     Power-Save-Betriebsarten

2.3.4     Entwicklungsumgebung

2.4     MSP430-Mikrocontroller

2.4.1     Architektur

2.4.2     MSP430-Controllerfamilien

2.4.3     Low Power Modes

2.4.4     Entwicklungsumgebung und Programmierung

2.5     ARM-Prozessoren und -Mikrocontroller

2.5.1     ARM-Architektur und -Typen

2.5.2     Cortex-Cores

2.5.3     EFM32-Gecko

Peripheral Reflex System

Advanced Energy Monitoring

Energy Aware Profiler

Betriebsarten – Energy Modes

Entwicklungsplattform

3       Single-Board-Systeme einsetzen

3.1     Raspberry Pi

3.1.1     Inbetriebnahme

3.1.2     Netzwerkverbindung herstellen

Manuelle Konfigurierung

SSH- und FTP-Verbindungen

3.1.3     Software und Programmierung

3.2     Beaglebone Black

3.3     mbed-Plattform

3.4     Gadgeteer

3.5     Arduino

3.5.1     Boards

3.5.2     Shields

3.5.3     Start und Entwicklungsumgebung

4       Anwenderprogrammierbare Ein- und Ausgabeeinheiten

4.1     GPIO

4.2     UART, USART und serielle Schnittstelle

4.3     I2C-Bus

4.4     Serial Peripheral Interface – SPI

4.5     A/D-Wandler

4.6     D/A-Wandler

4.7     PWM-Output

5       Spannungsversorgungen planen und aufbauen

5.1     Netzteile

5.2     Batterien

5.3     Akkumulatoren

5.3.1     Bleiakkumulator

5.3.2     Nickel-Cadmium-Akkumulator

5.3.3     Nickel-Metall-Hydrid-Akkumulator

Ladeschaltung

5.3.4     Lithium-Ionen-Akkumulator

5.3.5     Lithium-Polymer-Akkumulator

Ladeschaltung

5.4     Energy Harvesting

5.4.1     Solarzellen

Funktionsprinzip

Elektrisches Verhalten

Standard Test Conditions

Typen

5.4.2     Piezoelemente

Aufbau und Typen

Wandlerschaltung mit selbst gebautem Balkenschwinger

5.4.3     Elektrodynamische Wandler

5.4.4     Thermogeneratoren

5.5     Energiespeicher und Energiemanagement

5.5.1     Kondensatoren

5.5.2     Solid State Batteries

Thin-Film Batteries

Ladeschaltung

EnerChips

EnerChips mit Power-Management-Logik

Energy-Harvesting-Module und Energy Processor

6       Die Funkpraxis

6.1     ISM-Bänder

6.2     Nahfunksysteme in der Übersicht

6.3     Modulationsverfahren

6.4     WLAN

6.5     Sensorknoten im WLAN

6.5.1     Inbetriebnahme

6.5.2     Systemaufbau

6.5.3     Konfigurierung

6.5.4     Erweiterungsschaltungen

6.5.5     Sensoren am SPI

6.5.6     Steuerung mit Mikrocontroller

6.6     Bluetooth

6.6.1     Topologien und Implementierungen

6.6.2     Entwicklungssystem

6.7     Bluetooth Low Energy

6.7.1     Chips und Schaltung

6.7.2     Software und Programmierung

6.8     ZigBee

6.8.1     Topologien

6.8.2     ZigBee Green Power

6.9     ANT/ANT+

6.10   Low-Power-Funklösungen – Low Power RF

6.10.1     Module

6.10.2     Transceiver

6.10.3     Datenrate und Reichweite

6.10.4     Einfache Kommunikation aufbauen

6.10.5     SimplicTI-Protokoll

6.10.6     Software

6.11   EnOcean-Funktechnik

6.11.1     Dolphin System Architecture

6.11.2     Starter und Programmer Kit

6.11.3     Entwicklung und Programmierung

7       Mess- und Steuerschaltungen für den Raspberry Pi

7.1     GPIO-Port

7.2     A/D- und D/A-Wandlerplatine für SPI

7.2.1     Python und grafische Oberfläche

7.3     Erweiterungen mit I²C-Bus-Schaltungen

7.3.1     Temperaturmessung

7.3.2     LCD-Ansteuerung

7.3.3     A/D- und D/A-Messung

7.3.4     Echtzeituhr stellen und lesen

8       Solarzellentester selbst gebaut

8.1     Verfahren für die Charakterisierung von Solarzellen

8.2     Schaltungsaufbau

8.2.1     Spannungsversorgung

8.2.2     Widerstandsmatrix und Peripherie

8.2.3     Relais und Treiber

8.2.4     Lichtsensor zur Messung der Beleuchtungsstärke

8.3     Programmablauf und Bedienung

8.4     Implementierung der Software

8.4.1     LCD- und Menüsteuerung

8.4.2     Messen der Beleuchtungsstärke

8.4.3     Maximum-Power-Point-Messung

8.4.4     Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom messen

8.4.5     Ausgabe der Messergebnisse

Index

1 Mikrocontrollergrundlagen

Das erste Kapitel hat üblicherweise einen in das Thema einführenden Charakter, sodass hier eine Einführung in die Mikrocontrollertechnik gegeben ist, die sich insbesondere an den Einsteiger richtet. Nach einer kurzen Erläuterung der grundlegenden Architekturen von Prozessoren und zur Entstehungsgeschichte der Mikrocontroller werden die wichtigen Schaltungseinheiten von Mikrocontrollern behandelt, und gezeigt, wie sie adressiert und wie sie grundsätzlich programmiert werden. Dieses Basiswissen bildet das notwendige Rüstzeug für die folgenden Kapitel.

Mikrocontroller kommen für kompakte Lösungen, beispielsweise in Haushaltsgeräten, in Kraftfahrzeugen und in industriellen Steuerungen in vielfältiger Art und Weise zum Einsatz. Im Prinzip stellt ein Mikrocontroller einen Mikroprozessor dar, der um bestimmte Einheiten – wie einen Interrupt-Controller, um I/O-Ports oder auch um Analog/Digital-Wandler – erweitert wurde. Diese speziellen Einheiten sind für die jeweilige Geräteaufgabe, die typischerweise sowohl digitale als auch analoge Funktionsblöcke umfasst, als systemimmanent zu betrachten, wie es allgemein bei den sogenannten Embedded Systems der Fall ist. Ein Embedded System wird für eine ganz bestimmte Aufgabe entwickelt, wobei der Mikrocontroller die zentrale Rolle spielt, für die er entsprechend ausgelegt ist und programmiert wurde.

1.1 Architekturen

Bei der Charakterisierung von Mikroprozessoreigenschaften wird oftmals zwischen der Von-Neumann- und der Harvard-Architektur unterschieden. Da ein Mikrocontroller als ein um bestimmte Funktionen erweiterter Mikroprozessor betrachtet werden kann, gilt diese grundlegende Einteilung ebenfalls für die Mikrocontroller.

Johann von Neumann, geboren 1903 in Budapest, gestorben 1957 in Washington, definierte grundlegende Bestandteile eines Rechners, wie sie miteinander verbunden sind und wie sie miteinander kommunizieren. Zur damaligen Zeit nannte man Computer im deutschsprachigen Raum meist Rechner, weil die einzige Aufgabe, die sie (scheinbar) hatten, das Rechnen war.

Der erste Rechner, der nach dem Von-Neumann-Prinzip funktionierte, wurde 1952 nach dreijähriger Bauzeit in den USA fertiggestellt. Andere bekannte Funktionsprinzipien von Computern sind neben der Von-Neumann-Architektur, die sich durch eine sequenzielle Abarbeitung der Befehle auszeichnet, parallel arbeitende Architekturen, die oftmals als Superskalar, RISC oder CCM (Customized Computing Machines) bezeichnet werden.

Wie noch erläutert wird, erfolgt häufig eine Aufteilung von Computersystemen in RISC-Architekturen einerseits und CISC-Architekturen andererseits, die dann oftmals dem Von-Neumann-Modell entsprechen. Eine bekannte Ausnahme bilden die ARM7-Prozessoren (Abschnitt 2.5), die als RISC in einer Von-Neumann-Architektur aufgebaut sind.

Abb. 1–1 Die Architektur nach von Neumann

Folgende Eigenschaften zeichnen ein System nach der Von-Neumann-Architektur aus:

Das grundsätzliche Funktionsprinzip ist, dass zunächst ein Befehl anhand einer Adresse aus dem Speicher geladen wird. Für die Abarbeitung des Befehls werden daraufhin die jeweiligen Daten in das Rechenwerk geladen. Dem Befehlscode entsprechend werden die Daten daraufhin verarbeitet und gespeichert. Demnach handelt es sich bei dieser Arbeitsweise um ein (streng) sequenzielles Verfahren. Mitunter wird das Prinzip der Von-Neumann-Architektur als Stored Program Concept bezeichnet, was als wesentliches Merkmal herausgehoben werden kann.

Insbesondere im Zusammenhang mit Mikrocontrollern und mit Digitalen Signal Prozessoren (DSP) wird oftmals angegeben, dass sie nach der Harvard-Architektur arbeiten. Diese Architektur ist jedoch keineswegs als Alternative zur Von-Neumann-Architektur oder zu irgendeiner anderen zu betrachten. Es handelt sich im Grunde genommen lediglich um eine Variante des Von-Neumann-Modells, die den Speicher aufteilt, und zwar in einen Programm- und in einen Datenspeicher. Alle anderen wesentlichen Merkmale der Von-Neumann-Architektur gelten auch für die Harvard-Architektur, sodass diese Unterscheidung mitunter zu missverständlichen Interpretationen führt.

Abb. 1–2 Speicherarchitektur nach Harvard und nach von Neumann

Durch die physikalische Trennung von Daten- und Programmspeicher sind bei der Harvard-Architektur für beide Speicherbereiche jeweils ein eigener Datenbus (Programme sind auch Daten) sowie ein eigener Adressbus bzw. Adressgenerator notwendig, was einen entsprechend ausgelegten Prozessor oder auch eine spezielle Zusatzlogik erfordert.

Bei den ersten PIC-Mikrocontrollern wird der Programmspeicher (Flash) beispielsweise in einer Breite von 12 Bit und der Datenspeicher mit 8 Bit (SRAM) betrieben. Bei Controllern nach von Neumann wie dem ARM7 sind hingegen beide Speicherpfade gleich breit.

Ein offensichtlicher Vorteil der Harvard-Architektur ist, dass ein gleichzeitiger Zugriff auf Programmcode und Daten möglich ist. Die CPU kann bereits den folgenden Befehl lesen, während die aktuellen Daten geladen oder gespeichert werden.

Weil die typischen Mikrocontroller den Daten- und den Programmspeicher lediglich intern realisieren und mit einem festen Programm (Firmware) arbeiten, bietet die Harvard-Architektur hierfür eine ideale Plattform, obwohl ihre Realisierung (siehe Abbildung 1–2) aufwendiger erscheint.

Für Mikrocontroller wird mitunter auch angegeben, dass sie mit einer Modified Harvard Architecture arbeiten, was bedeutet, dass es keine strikte Trennung zwischen Programm- und Datenspeicher gibt, sondern dass – je nach Typ – unterschiedliche Methoden existieren, um diese Prinzipientrennung aufzubrechen, etwa wenn beide Speichersysteme in der gleichen Busbreite arbeiten oder die separaten Adressbereiche »durchlässig« gestaltet werden. Ein wichtiger Grund für diese Modifizierung besteht darin, dass andernfalls Hochsprachen-Compiler (C, BASIC) nicht ohne Weiteres einsetzbar wären.

1.2 Complex und Reduced Instruction Set Computer

Ende der Siebzigerjahre gab es bereits einige Mikroprozessoren, und es entstand eine Spezialisierung einerseits in Standardprozessoren, wie etwa in die 8086-Familie für Personal Computer, andererseits in Mikrocontroller und digitale Signalprozessoren.

Mikrocontroller, wie der damals eingeführte Typ 6805 von Motorola oder der 8051 von Intel, verfügen generell über verschiedene Peripherie-Einheiten On Chip, wie den Speicher, verschiedene Ports und möglicherweise auch Umsetzer (z. B. A/D-Wandler), die bei Standardprozessoren noch als separate Einheiten hinzugefügt werden müssten.

Mikrocontroller kommen als kompakte Lösungen, beispielsweise in Haushaltsgeräten, in Kraftfahrzeugen und in industriellen Steuerungen zum Einsatz und werden auch als Embedded Systems (eingebettete Systeme) bezeichnet. Digitale Signalprozessoren (DSP) sind demgegenüber insbesondere für die digitale Verarbeitung analoger Signale konzipiert. Eine klassische Anwendung liegt in der Realisierung digitaler Filter, wie sie beispielsweise mit dem ersten DSP – dem 2920 – im Jahre 1979 von Intel programmiert worden sind. Allgemein werden DSPs für die Signalsynthese, etwa für die Audio- und Videoverarbeitung sowie für Übertragungsfunktionen in der Nachrichtentechnik eingesetzt.

Bei den Standardprozessoren für den universellen Einsatz wurden zwei unterschiedliche Architekturen diskutiert und realisiert: Dabei handelt es sich um die Reduced Instruction Set Computer (RISC) und die Complex Instruction Set Computer (CISC), wobei die verbreiteten Prozessoren der Firma Intel (80x86-Generation), die den PC-Standard manifestiert haben, zu den CISC-Systemen gehören.

Wie es die Bezeichnung complex ausweist, verfügen CIS-Computer über einen (relativ) komplexen und umfangreichen Befehlssatz. Der 80386-Prozessor, der die 32 Bit Intel Architecture (IA-32) begründet, kennt bereits ca. 300 Befehle, und mit jeder neuen Prozessorgeneration sowie mit den Befehlssatzerweiterungen (MMX, SSE) sind zahlreiche weitere hinzugekommen, was aufgrund verschiedener Befehlsformate und Befehlslängen (1 Byte bis zu 17 Byte) tatsächlich zu komplexen Codierungen führt. Demgegenüber besitzen die CISC-Typen nur (relativ) wenige Register, die recht universell einsetzbar sind. Die IA-32 kennt lediglich acht Allzweckregister.

Es zeigte sich, dass viele der komplexen Befehle eher selten eingesetzt wurden (und werden). Dies liegt zum einen daran, dass komplexe Rechenvorgänge in der Praxis längst nicht so häufig auftreten wie einfache, für die zahlreiche Einzelschritte und Einzelentscheidungen notwendig sind. Zum anderen setzen Programmierer oftmals vertraute Befehle ein, und dies sind vielfach nicht die komplexen, sondern die einfachen. So bewiesen auch Untersuchungen – beispielsweise von IBM –, dass in typischen Programmen nur etwa 20 % der zur Verfügung stehenden Befehle eingesetzt werden, die aber 80 % der Programmverarbeitungszeit in Anspruch nehmen.

Daraus kann man folgern, dass es Sinn macht, nur relativ wenige Befehle zu implementieren, die dafür aber möglichst schnell – möglichst innerhalb eines einzigen Taktzyklus – ausgeführt werden können, was somit zu den RISC-Systemen (Intel 860, SPARC, PowerPC, MIPS) führt, die über einen relativ kleinen, reduzierten Befehlssatz (Reduced Instruction Set Computer), dafür jedoch über viele Register verfügen. Das Vorhandensein möglichst vieler interner Register bedeutet, dass hier auch eine Vielzahl von Operanden vorgehalten werden können, die andernfalls mit dem relativ langsamen (externen) Hauptspeicher verarbeitet werden müssten.

Diese Unterteilung in RISC und CISC erscheint bereits seit einiger Zeit überholt, denn es gibt kaum mehr Mikroprozessoren und damit auch Mikrocontroller, die sich eindeutig der einen oder der anderen Kategorie zuordnen lassen. Der Pentium-kompatible Prozessor K5 der Firma AMD arbeitet als erste CPU für Personal Computer intern nach dem RISC-Prinzip anhand von sogenannten RISC OPerations (ROPs). Dabei werden die komplexeren CISC-Befehle in elementare ROPs umgesetzt. Anschließend werden nur die ROPs ausgeführt, nicht mehr die ursprünglichen x86-Befehle. Bei der Firma Intel wird dieses Verfahren ab dem Pentium Pro eingesetzt, wobei die ROPs hier als µOPs (Micro Operations) bezeichnet werden. Demnach arbeitet auch in einem CISC-Mikroprozessor ein RISC-Mechanismus.

Dass ein RISC-Prozessor über wesentlich mehr Register als ein CISC-Prozessor verfügt, stimmt in dieser allgemeinen Formulierung auch schon längst nicht mehr, denn die explizit als RISC-Mikrocontroller bezeichneten Typen, wie von Microchip und Atmel, kennen auch nur vier bis acht universell einsetzbare Register. Vielmehr sollte der nach wie vor häufig benutzte Begriff RISC bei den Mikrocontrollern so interpretiert werden, dass hier verschiedene Eigenschaften im Verhältnis zur einer typischen RISC-Architektur wie IA-32 reduziert sind: der Befehlssatz, der Programmieraufwand, die Gehäuse und der Preis sowohl für den Chip selbst als auch für die Entwicklungswerkzeuge.

1.3 Start mit Mikrocontrollern der Firma Intel

Im Jahre 1976 stellte die Firma Intel den ersten Mikrocontroller, den 8048, vor. Er wurde in der Original IBM-PC-Tastatur in einer ROM- (8048, 8049) oder auch in einer EPROM-Version (8748) als Tastaturcontroller eingesetzt. Die Kenndaten sind wie folgt:

8-Bit-CPU, Modified Harvard Architecture

90 Befehle

Programmspeicher: 1 k × 8 (1 kByte × 8 Bit)

Datenspeicher: 64 Bytes × 8 Byte

27 I/O-Ports

8 Bit Timer/Event Counter

Interrupt-Logik

Oszillator- und Takt-Generierung (max. 11 MHz)

Zykluszeit von minimal 2,5 µs

Reset-Schaltung

40-poliges DIP-Gehäuse

5-V-Versorgung (1,5 W, NMOS)

Auf dem Mainboard des IBM-PC-AT wurde ein weiterer Vertreter aus der schnell angewachsenen MCS-48-Mikrocontrollerserie eingebaut, ein 8042 (2 k ROM, 128 Byte RAM) oder auch ein 8041 (1 k ROM, 64 Byte RAM), der gegenüber dem 8048/8049-Controller über ein programmierbares, paralleles Interface verfügt.

Hiermit wurden das Tastatur-Interface sowie die Umschaltung zwischen Real Mode und Protected Mode (Gate A20) und einige Peripheriefunktionen (Lautsprecher, Keylock, Turbo Switch) realisiert. Aufgrund des Standards, den der IBM-PC begründete, haben diese Mikrocontroller eine große Verbreitung insbesondere im PC-Bereich gefunden und wurden auch von anderen Firmen in Lizenz nachgebaut.

Abb. 1–3 Der Mikrocontroller 8042, hier von der Firma AMI, für ein PC-Mainboard

Intel stellte knapp drei Jahre später einen neuen Mikrocontroller vor, den 8051. Dieser Typ kann gewissermaßen als Urvater der Mikrocontroller schlechthin betrachtet werden und wird heutzutage von zahlreichen Firmen und in den unterschiedlichsten Ausführungen angeboten. Ursprünglich verfügt er als Basis der MCS-51-Familie über die folgenden Merkmale:

8-Bit-CPU, Harvard Architecture

Separate Adressbereiche (16 Bit): Jeweils 64 kByte für Programm- und für Datenspeicher

111 Befehle, Bit-Operationen

Programmspeicher: 4 k × 8 (4 kByte × 8 Bit)

Datenspeicher: 128 Bytes × 8 Byte

32 I/O-Ports

Zwei 16-Bit-Timer/Event Counter

Interrupt-Logik, sechs Quellen, zwei Prioritätsstufen

UART Full Duplex (Serial Port)

Oszillator- und Takt-Generierung (max. 16 MHz)

Zykluszeit von minimal 1 µs

Reset-Schaltung

40-poliges DIP-Gehäuse

5-V-Versorgung (1 W, CHMOS)

Die angeführten Eigenschaften des 8051 markieren somit die wesentlichen Elemente eines Mikrocontrollers. Er enthält neben der CPU den Speicher, eine Timer- und Interrupt-Logik, eine Oszillator- und eine Reset-Schaltung sowie diverse I/O-Ports und eine serielle Schnittstelle. Der 8051 lässt sich zum CISC-Typ mit Harvard-Architektur rechnen.

Bei aktuellen Mikrocontrollern gibt es noch weitere integrierte Schaltungseinheiten, die noch in den folgenden Abschnitten erläutert werden. Mehr zu den aktuellen Vertretern der 8051-Mikrocontrollerfamilie ist im Abschnitt 2.1 zu finden.

Abb. 1–4 Das Blockdiagramm des 8051 im Intel-Original aus dem Jahre 1980

1.3.1 Low Power

Der erste Schritt zu einem energiesparenderen Betrieb wurde beim 8051 durch den Wechsel von der NMOS- zur HMOS- und insbesondere zur HCMOS-Technologie erreicht, auch wenn die Betriebsspannung noch bei 5 V lag.

Der 8051 in der CHMOS-Version kannte auch bereits zwei Power Saving Modes: Idle und Power Down. Beide Optionen können in einem speziellen Register, Power Control (PCON), aktiviert werden, das zu den Special-Function-Registern (SFR) gehört. Im Idle-Modus wird der Takt für die CPU abgeschaltet, für die anderen Einheiten, wie den Interrupt-Controller, den Timer und den UART, bleibt er aktiv. Deshalb können auftretende Interrupts den Idle-Mode auch wieder beenden. Die Stromersparnis gegenüber dem normalen Betrieb beträgt ca. 15 %.

Im Power-Down-Modus wird der Oszillator komplett deaktiviert, wobei der Inhalt des internen RAMs und der Special-Function-Register erhalten bleibt. Der Power-Down-Modus kann nur durch einen Hardware-Reset beendet werden, wobei die SFR-Inhalte dann neu geschrieben werden, der RAM-Inhalt bleibt erhalten.

Im Power-Down-Modus ist es zulässig, die Betriebsspannung auf 2 V zu reduzieren, was dann zu einem minimalen Strom von 10 µA führt und – von heutigen Werten aus gesehen – zwar um circa zwei Zehnerpotenzen schlechter ist, gleichwohl das nach wie vor gültige Prinzip der beiden Betriebsarten darstellt. Details zu den aktuellen Stromsparmodi sind bei den einzelnen Mikrocontroller-Familien in den folgenden Kapiteln angegeben.

Abb. 1–5 Die Stromsparmodi Idle (IDL=1) und Power Down (PD=1) in ihrer ursprünglichen Form

In den letzten Jahren sind eine Vielzahl von Mikrocontrollern auf dem Markt gekommen, die mit Begriffen wie stromsparend, energieeffizient oder auch Long Battery Lifetime und Extreme Low Power beworben werden. Einen Standard für die verlässliche Beurteilung des Stromverbrauches gibt es jedoch nicht, sodass die Hersteller jeweils ganz eigene Testkriterien zugrunde legen, die mitunter in der Praxis gar nicht umzusetzen sind, dafür nicht selten mit vermeintlich ausdrucksstarken Attributen versehen werden und schon gar nicht für einen Vergleich geeignet sind. Für den Entwickler ist es deshalb nicht einfach, hier den richtigen Überblick zu gewinnen und nicht die Orientierung in diesem sich rasant entwickelnden Markt zu verlieren. In den folgenden Kapiteln werden die wichtigsten Mikrocontroller(-familien) deshalb näher vorgestellt.

So schnell, wie einige Mikrocontroller auf dem Markt gekommen sind, sind sie auch wieder vom Markt verschwunden, ohne dass für sie ein funktionsund/oder anschlusskompatibler Nachfolger zur Verfügung steht. Deshalb sind aufgrund ihrer hohen »Chipfluktuation« Firmen wie Microchip und auch Atmel mit ihren Mikrocontrollern selten in Produkten zu finden, die mehrere Jahre oder sogar Jahrzehnte lang funktionieren und deshalb über diese Zeiträume unverändert mit den ursprünglichen Spezifikationen hergestellt und unterstützt werden müssen.

Das in der Industrie oftmals geforderte Kriterium, dass in den Schaltungen Bauelemente verwendet werden sollen, die von unterschiedlichen Firmen (Second Source) hergestellt werden, ist mit den meisten aktuellen Mikrocontrollern ebenfalls kaum zu erfüllen.

Eine herstellerübergreifende Kompatibilität ist – wenn überhaupt – bei Mikrocontrollern gegeben, die auf einer traditionellen Architektur wie der 8051-Architektur von Intel oder der ARM-Architektur basieren, auf beide wird in den folgenden Kapiteln noch näher eingegangen. Der Entwickler ist dennoch gezwungen, eine sehr genaue Verifizierung durchzuführen, denn bereits ein einziger, anders genutzter Anschluss kann den Einsatz eines (vermeintlich) kompatiblen Mikrocontrollers unmöglich machen.

1.4 Spannungsversorgung, Oszillator und Reset

Jeder Mikrocontroller benötigt eine Versorgungsspannung, wofür mehr oder weniger viele Anschlüsse am Gehäuse vorhanden sind. In früheren Zeiten und auch bei den traditionellen Typen wird eine Versorgungsspannung von 5 V benötigt. Bei neueren – stromsparenden Mikrocontrollern – sind typischerweise 3,3 V oder auch 1,8 V notwendig. Je nach Typ sind auch Zwischenwerte möglich, wobei stets das jeweilige Datenblatt zum Controller zu beachten ist. Grundsätzlich muss es sich um eine stabilisierte Spannungsversorgung handeln, die möglichst »sauber« sein sollte, also keine Störimpulse enthalten darf, die etwa von einem Motor stammen, der mit der gleichen Quelle betrieben wird.

Abb. 1–6 Links zwei einzelne Quarze unterschiedlicher Bauform, die zum Schwingen eine zusätzliche Beschaltung benötigen, und rechts ein Quarzoszillator, der die aufgedruckte Frequenz nach dem Anschluss einer Versorgungsspannung selbsttätig ausgibt.

Die zweite Voraussetzung für den Betrieb eines Mikrocontrollers ist ein Takt, der von einem Oszillator (Schwingkreis) erzeugt wird. Dieser kann bereits komplett Controller-intern vorhanden sein, sodass dann keine separate Beschaltung erforderlich ist. Fast jeder Mikrocontroller erlaubt jedoch auch einen externen Takt, der von einem Quarzoszillator oder einem Quarz plus zwei Kondensatoren aufgebaut wird. Meist ist diese Variante präziser als ein Chip-interner Takt, was bei Anwendungen erforderlich wird, die ein sehr exaktes Timing erfordern.

Ein Mikrocontroller benötigt für den Start einen Reset-Impuls, der bei manchen Typen automatisch beim Anlegen der Spannung (Power-On-Reset) ausgelöst wird (genauer: wenn die Spannung einen bestimmten Pegel erreicht hat). Bei anderen Typen ist hierfür eine externe Beschaltung notwendig, die sich im einfachsten Fall aus einem Widerstand und einem Kondensator zusammensetzt. Um einen manuellen Reset auslösen zu können, wird zusätzlich ein Taster in der Reset-Schaltung eingesetzt.

Abb. 1–7 Typische einfache Reset-Schaltungen

Korrekte Versorgungsspannung, Takt und Reset sind ganz generell die Mindestvoraussetzungen für den Betrieb eines Mikrocontrollers, sodass im Fehlerfall, wenn der Controller überhaupt nicht zu funktionieren scheint, diese drei Punkte mit einem Oszilloskop und die Spannung mit einem Multimeter zu kontrollieren sind. Dabei sind die Messungen (möglichst) direkt an den Kontakten des Mikrocontrollers vorzunehmen.

Weil sich diese drei Betriebsparameter bei den verschiedenen Mikrocontrollern prinzipiell sehr stark voneinander unterscheiden können, wird hierauf bei den einzelnen Mikrocontroller-Familien noch näher eingegangen.

1.5 Arbeitsspeicher

Jeder Mikrocontroller verfügt über einen sogenannten Arbeitsspeicher, der für die Ablage von Daten und Programmen zuständig ist. Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen einem Festwertspeicher (ROM) und einem Schreib-/Lesespeicher (RAM). Der Festwertspeicher kann vom Mikrocontroller während des üblichen Betriebes nur gelesen werden, was für die Abarbeitung des im ROM (Read Only Memory) fest gespeicherten Programms notwendig ist, während es sich beim Schreib-/Lesespeicher um einen flüchtigen Speicher (volatile) handelt, dessen Inhalt beim Abschalten der Versorgungsspannung verloren geht. Der RAM-Speicher (Random Access Memory) ist demnach nur für die kurzzeitige Speicherung von Daten und Programmen einsetzbar.

Bei Mikrocontrollern wird der RAM-Speicher üblicherweise als SRAM (Static RAM) realisiert, was bedeutet, dass die Information hier in Zellen abgelegt wird, die aus Flip-Flops aufgebaut sind. Bei Anwendungen, bei denen große Arbeitsspeicherkapazitäten notwendig sind, werden hingegen DRAMs (Dynamic RAM) eingesetzt, wie es etwa bei Personal Computern der Fall ist, wo die DRAMs – je nach PC-Baujahr – auf verschiedenen Modulen (SIM, DIMM, DDR) untergebracht sind. Im Vergleich zu SRAM ist DRAM wesentlich kostengünstiger, weil hier die Speicherung als Ladung in einem Kondensator stattfindet und keine Halbleiterschaltungen wie Flip-Flops notwendig sind. Allerdings benötigt DRAM einen separaten Memory-Controller für die relativ komplizierte Adressierung der Speicherzeilen und -spalten sowie für die regelmäßige Ausführung eines Refresh-Zyklus, damit die Ladung der Kondensatorzellen nicht unzulässigerweise absinkt. DRAM-Speicher wird bei Mikrocontrolleranwendungen nicht eingesetzt, was zudem separate Chips erfordern würde, denn in den Mikrocontrollern selbst ist kein integriertes DRAM zu finden.

Sowohl für den Langzeitspeicher (ROM) als auch für den Kurzzeitspeicher (SRAM) existieren verschiedene Technologien und Varianten, wobei die Festwertspeicher von besonderem Interesse sind, weil hier das Programm für den Mikrocontroller abzuspeichern ist, was mit unterschiedlichen Methoden erfolgt. Ausgehend vom ursprünglichen ROM gibt es zahlreiche Ausführungen von Nur-Lese-Speichern, die nach verschiedenen Funktionsprinzipien arbeiten. Die folgende Aufzählung nennt hierzu in Kurzform die wichtigsten Details.

ROM: Read Only Memory

Dies ist ein festprogrammierter Nur-Lese-Speicher, der nicht gelöscht werden kann. Er wird bei der Herstellung mit einer entsprechenden Maske (Masken-ROM) programmiert.

PROM: Programmable Read Only Memory

Hierbei handelt es sich um einen mit einem speziellen Programmiergerät zu programmierenden Nur-Lese-Speicher, der nach dem einmaligen Beschreiben nicht wieder gelöscht werden kann.

EPROM: Electrically Programmable Read Only Memory

Bei diesem programmierbaren Nur-Lese-Speicher kann der Inhalt als Ganzes durch UV-Licht gelöscht werden, wobei dieser Vorgang ca. 20 Minuten dauert. Mit einem speziellen Programmiergerät kann man ein EPROM wieder erneut beschreiben. EPROMs sind an ihrem Fenster zu erkennen, durch das man den Chip bei Bedarf mit UV-Licht bestrahlt.

Abb. 1–8 Verschiedene PIC-Mikrocontroller mit EPROM-Speicher

EEPROM: Electrically Eraseable and Programmable Read Only Memory

Ein programmierbarer Nur-Lese-Speicher, dessen Inhalt zeilenweise elektrisch zu löschen ist und der mit einem speziellen Programmiergerät wieder beschrieben werden kann. Die elektrisch lösch- und wiederbeschreibbaren Speicher sind relativ einfach mit einer kleinen Zusatzschaltung programmierbar.

E

2

PROM: Electrically Eraseable and Programmable Read Only Memory

Dies ist zunächst eine nur eine andere Bezeichnung für ein EEPROM. Diesen Chip-Typ gibt es auch in serieller Ausführung (Daten- und Taktsignal). Er besitzt eine relativ geringe Speicherkapazität (100 Byte bis mehrere kByte) und benötigt eine vergleichsweise lange Schreibzeit (typisch 10 ms) pro Wert. Dieser Speicher kann oftmals mit spezieller (Entwickler-)Software in der Schaltung selbst – oder wie die anderen Speicher auch – mit einem Programmiergerät beschrieben werden.

EAROM: Electrically Alternate Programmable Read Only Memory

Die Funktion dieses Typs entspricht der Funktion eines EEPROM und hat keine besondere Bedeutung mehr.

OTP-ROM: One Time Programmable Read Only Memory

Ein OTP-ROM ist von der Funktion her mit einem EPROM identisch, kann jedoch nur einmal beschrieben und nicht wieder gelöscht werden.

Flash-Memory

Dies ist ein flexibler und verhältnismäßig schneller Speicher, der prinzipiell wie ein RAM gehandhabt werden kann, wobei die Information nach dem Abschalten der Spannung jedoch nicht verloren geht. Typischerweise sind mindestens 10.000 Programmier- und Löschvorgänge möglich. Mittlerweile gibt es zahlreiche unterschiedliche Flash-Varianten. Die älteren Flash-Speicher können nur komplett oder immerhin seitenweise elektrisch gelöscht werden.

FRAM: Ferro Electric Random Access Memory

Ein relativ neuer Speichertyp, der prinzipiell wie ein RAM aufgebaut ist, jedoch seinen Speicherinhalt beim Abschalten der Betriebsspannung nicht verliert, was mithilfe eines speziellen Speicherkondensators erreicht wird. Der Speicherkondensator (F-Cap) verwendet ein spezielles dielektrisches Material, und zwar eine Keramik (PZT), die einen ferroelektrischen Effekt ausnutzt, was diesem Speichertyp seine Bezeichnung verleiht. Im Gegensatz zu EEPROM- oder Flash-Speicher wird für den Speichervorgang weder eine höhere Spannung noch eine spezielle Datensequenz benötigt. Die erste kommerzielle Verwendung bei Mikrocontrollern hat Texas Instruments mit der MSP430FR-Serie realisiert, die insbesondere für Ultra- Low-Power-Anwendungen gedacht ist.

Die angeführten Speichertypen gibt es als einzelne Bausteine, die mit den entsprechenden Signalen (Adress-, Daten- und Steuerleitungen) des Mikrocontrollers zu verbinden sind. Bei den meisten aktuellen Mikrocontrollern ist dies aufgrund der nicht mehr nach außen geführten parallelen Signale nicht mehr möglich und auch nicht notwendig, weil der Speicher im Mikrocontroller selbst eingebaut ist und der von der Kapazität her meist ausreichend ist. Bei Speichermangel lässt sich ein Mikrocontroller – je nach Hersteller/Familie – oftmals durch einen baugleichen Typ mit höherer Speicherkapazität austauschen.

Falls dennoch separate Speichererweiterungen notwendig werden sollten, wird dies üblicherweise durch die einfach anschließbaren Serial EEPROMs oder Serial Flash-Bausteine praktiziert, die beispielsweise mit dem I2C-Bus (siehe Abschnitt 4.3) arbeiten. Flexible Speicherlösungen ergeben sich durch austauschbare Flash-Karten, die über ein SD-Karten-Interface in der Schaltung integriert werden.

1.6 Interrupt-Logik

Die meisten Mikrocontroller – eine Ausnahme sind die »kleinen« Typen wie die 10F2xx-Serie von Microchip – verfügen über ein integriertes Interrupt-System, das bei entsprechender Programmierung ein ganz wesentliches Element für die effektive Nutzung der einzelnen internen Einheiten sowie der Peripherie darstellt.

Beim Auftreten eines Interrupts, der von unterschiedlichen Einheiten ausgelöst werden kann, wird der Mikrocontroller in seiner momentanen Arbeit unterbrochen. Dies könnte gerade beim Senden von Daten über die serielle Schnittstelle passieren, wenn ein Interrupt vom A/D-Wandler ausgelöst wird, weil ein aktueller Messwert zur Verfügung steht. Daraufhin wird das Senden der Daten an den UART eingestellt, der Messwert vom A/D-Wandler eingelesen und das Programm an derjenigen Stelle weitergeführt, wo es zuvor unterbrochen wurde.

Damit der Mikrocontroller weiß, mit welcher Arbeit er vor dem Auftreten des Interrupts beschäftigt war, werden der logische Zustand des Controllers und die Inhalte der Register zuvor mehr oder weniger automatisch gespeichert. Sie werden auf einen Stapel-Speicher (Stack) gelegt und später nach Beendigung der Interrupt Service Routine wieder eingelesen. Wie dies im Einzelnen zu praktizieren ist, hängt von der jeweiligen Controllerfamilie ab. Im Folgenden ist ein Beispiel für eine Interrupt Service Routine angegeben, wie sie für Mikrocontroller von Microchip (PIC 16F876A) üblich ist.

org 4                  ; Beginne bei Adresse 04h; Mit den folgenden Zeilen wird der Programmstatus gerettet   MOVWF   wcopy       ; Akku-Register w sichern   SWAPF   STATUS,W    ; STATUS-Register sichern   CLRF    STATUS   MOVWF   s_copy   MOVFP   CLATH, W    ; PCLath - Register sichern    MOVWF   pclath_copy   CLRFP   CLATH; Ab hier beginnt die 'eigentliche' Interrupt-Routine.; Testen, welcher Interrupt ausgelöst wurde.BTFSCINTCON, T0IF      ; Wenn I0IF = 0, überspringe den                         ; nächsten Befehl   GOTO Timerüberlauf  ; sonst Interrupt durch Timerüberlauf  ; Interrupt vom PB0?   BTFSCINTCON, INTF   ; INTF =0 ? überspringe                         ; den nächsten Befehl   GOTO   INTPB0   BTFSC  PIR1,TMR1IF   GOTO   IntTMR1      ; Interrupt durch Timer1 ; Wiederherstellen des Programmstatus, der vor der ISR-Ausführung  ; herrschte.sprungmarke   MOVF  pclath_copy,  W   MOVWF PCLATH        ; PCLath - Register zurückschreiben    SWAPF s_copy,W      ; STATUS - Register zurückschreiben    MOVWF STATUS   SWAPF w_copy,F   SWAPF w_copy,W      ; Akku - Register zurückschreiben    Retfie              ; verlasse die ISR und kehre ins Programm zurück

Ohne Interrupt-Verarbeitung müsste der Mikrocontroller in einer (endlosen) Programmschleife arbeiten und die einzelnen Einheiten der Reihe nach abfragen, was sich als kaum praktikabel erweist, zumal er die meiste Zeit mit Abfragen beschäftigt wäre, die zum größten Teil die gleichen Ergebnisse wie zuvor liefern würden oder gerade aufgetretene Ereignisse erst viel zu spät erfasst werden würden.

Ob überhaupt eine Interrupt-Verarbeitung stattfinden soll, kann ganz generell in einem bestimmten Register (z. B. Configuration Word) eingeschaltet – enabled – werden. Diese grundsätzliche Konfigurierung ist wichtig, weil beim nicht expliziten Freigeben oder Sperren der Interrupt-Verarbeitung unerwartete und letztlich undefinierte Situationen auftreten können, die sich nur schwer reproduzieren und damit verstehen lassen, weil die Interrupts asynchron, also prinzipiell jederzeit, auftreten können.

Die Interrupt Service Routine, auch als Interrupt Handler bezeichnet, ist eine kurze Befehlssequenz, die die Reaktion des Controllers auf einen aufgetretenen Interrupt abbildet. In dieser Routine wird üblicherweise zunächst das Statusregister des Interrupt-Controllers (Pending Register) ausgelesen, damit die anfordernde Quelle identifiziert ist, woraufhin ein Vergleich mit der Konfiguration des Interrupt-Mask- oder Interrupt-Enable-Registers durchgeführt wird, um festzustellen, ob der aktuell aufgetretene Interrupt (für die Weiterverarbeitung) freigegeben wurde. Ist dies der Fall, kann die Interrupt-Service-Routine in den jeweils dazugehörigen Programmteil, etwa den für eine A/D-Umsetzung, springen, diesen abarbeiten, das Messergebnis speichern und wieder zum Ausgangspunkt (bevor der Interrupt auftrat) zurückkehren.

Dieser einfache Ablauf funktioniert nur dann einwandfrei, wenn nicht gleichzeitig mehrere Interrupt-Anforderungen ausgelöst werden, sodass dann nach der jeweiligen Dringlichkeit entschieden werden muss, welche Anforderung zuerst bedient wird bzw. welche Reihenfolge bei der Abarbeitung einzuhalten ist. Hierfür verfügt die Interrupt-Logik über eine Prioritätsverwaltung (Priority Encoder), die im Chip festgelegt ist und im Bedarfsfall auch meist individuell programmiert werden kann.

Abb. 1–9 Typische Interrupt-Architektur

1.7 Watchdog

Der Watchdog eines Mikrocontrollers besteht aus einem Zähler (Timer), der bei Überlauf automatisch einen Reset des Mikrocontrollers auslöst. Er dient zur Kontrolle, ob das Programm des Mikrocontrollers wie vorgesehen funktioniert und nicht etwa in einer Endlosschleife hängt oder abgestürzt ist, was beispielsweise durch Störungen verursacht sein kann.

Vorausetzung für die Watchdog-Funktion ist, dass der Watchdog Timer (WDT) im normalen Programmlauf laufend zurückgesetzt wird, damit kein unerwünschter Überlauf und damit kein Reset stattfindet. Je nach Mikrocontrollertyp und Programmierung wird ein Timeout nach Millisekunden bis hin zu Sekunden detektiert.

Andere Watchdog-Implementierungen arbeiten mit der Überwachung eines zyklisch erzeugten Signals, und falls dieses ausbleiben sollte, erfolgt ein Reset, der das System daraufhin neu startet. Extern arbeitende Watchdogs funktionieren oftmals auf diese Art und Weise. »Extern« bedeutet, dass der Watchdog als eigenständige Einheit ausgeführt ist und nicht interner Bestandteil des Mikrocontrollers ist, was eine höhere Sicherheit zur Folge hat, als wenn der Mikrocontroller sich quasi selbst überwachen würde.

Eine Verbesserung eines internen Watchdogs ergibt sich durch die Verwendung eines eigenen Oszillators für den Takt des WDT, sodass hiermit eine gewisse Entkopplung von der CPU erreicht wird. Dieses Feature ist bei aktuellen Mikrocontrollern mittlerweile als Standard zu betrachten und sollte möglichst wenig Energie verbrauchen.

Abb. 1–10 Watchdog-Schaltung und Programmbeispiel für die Einstellung des Teilers

Die korrekte Programmierung des WDT ist von der jeweiligen Applikation abhängig, und nicht selten arbeitet der Watchdog – insbesondere nach einer Programmänderung – nicht wie gewünscht, sodass das Timing des Programms bzw. das Rücksetzen des WDT entsprechend anzupassen ist. Der Watchdog ist demnach keine Einheit, die lediglich eingeschaltet werden muss und automatisch eine Sicherheitsfunktion bildet, sondern sie bedarf einer gewissenhaften Programmierung, damit sie nicht fälschlich ausgelöst wird. Unter Umständen ist der Watchdog in kritischen Anwendungen zwischendurch abzuschalten, weil er in einem Power-Down-Modus üblicherweise nicht arbeitet.

Die Einschaltung und Konfigurierung des Watchdog erfolgt mitunter über ein eigenes Register, häufiger wird der WDT jedoch gemeinsam mit anderen Einheiten in einem Option- oder Special-Function-Register eingestellt. In Abbildung 1–10 ist die (vereinfacht dargestellte) Schaltung des Watchdog eines PIC-Mikrocontrollers gezeigt.

Der Timeout tritt bei diesem Typ (PIC12C5xx) automatisch nach 18 ms auf, was durch die Verwendung von Teilern (Prescaler/Postscaler, PSA, PS2) auf der Basis des internen Timers für die jeweilige Anwendung angepasst werden kann, wie es in Abbildung 1–10 beispielhaft angegeben ist.

1.8 Brown Out Detection

Die Brown Out Detection oder auch Brown Out Protection und damit der Brown Out Reset (BOR) übt eine ähnliche Funktion wie ein Watchdog aus, nur wird nicht detektiert, ob der Controller noch arbeitet, sondern ob die Versorgungsspannung stets oberhalb eines bestimmten Minimalwertes liegt. Falls die Spannung kurzzeitig unter diesen Wert absinkt, tritt meist ein kritischer Systemzustand ein, sodass es dann sicherer erscheint, einen Reset auszulösen. Die Brown-Out-Schaltung wird bei den verschiedenen Mikrocontrollern unterschiedlich implementiert, und die Schaltschwelle kann auf einen festen Wert festgelegt oder programmierbar sein. Möglicherweise kann die Brown Out Detection auch in einem Sleep-Modus weiterhin aktiv sein, etwa wie bei den MSP430-Mikrocontrollern.

Grundsätzlich sollte der Stromverbrauch der Brown-Out-Schaltung genau verifiziert werden, denn er kann verhältnismäßig groß sein, sodass es in bestimmten Situationen Sinn macht, auf die Brown Out Detection – zumindest in bestimmten Programmabschnitten – zu verzichten, den Detector also abzuschalten.

Typischerweise wird der Mikrocontroller nach einem BOR so lange im Reset-Modus gehalten, bis die Spannung die kritische Grenze wieder überschritten hat. Jeder BOR ist ein Ausnahmezustand, der möglichst nicht eintreten sollte, denn er zeigt, dass mit der Versorgungsspannung etwas nicht stimmt, die nach Möglichkeit stets stabil und störungsfrei gehalten werden sollte.

1.9 JTAG-Interface

JTAG ist eine nach IEEE 1149.1 genormte Programmier- und Testschnittstelle für digitale Bausteine. Sie ist nach der Joint Test Access Group benannt und wurde ursprünglich für programmierbare Logik entwickelt, um diese per Software testen zu können.

Das Messen von Signalen direkt am Chip ist, seitdem die Logik immer komplexer wird und die Gehäuse immer kleiner werden, kaum mehr praktikabel. Deshalb können Signalleitungen intern im Chip abgefragt und stimuliert werden, wofür der jeweilige Baustein intern über entsprechende Boundary Scan Cells verfügt, die über eine serielle Datenleitung miteinander verbunden sind. Die Leitung geht per TDI-Eingang in die Zelle hinein und durch den TDO-Ausgang wieder hinaus zur folgenden Zelle.

Alle zu testenden Einheiten, die sich in einer Schleife befinden, können dann mithilfe des Boundary Test Scan überprüft werden. Der Zugang erfolgt dabei per JTAG-Schnittstelle, die aus den in Tabelle 1–1 angegebenen Leitungen besteht.

Eine JTAG-Schnittstelle wird häufig für Mikrocontroller eingesetzt und standardisiert zunächst das Chip-Programmieren. Außerdem erlaubt die Schnittstelle das Testen und Debuggen von Mikrocontrollern und ihrer Peripherie mithilfe eines JTAG-Debuggers, sofern der Mikrocontroller hierfür ausgelegt ist. Hierbei können Hardware- und Software-Breakpoints ausgelöst werden und das Programm kann unterbrochen und im Single-Step-Modus ausgeführt werden. Deshalb ist es generell von Vorteil, wenn ein Mikrocontroller über ein JTAG-Interface verfügt.

Bezeichnung

Bedeutung

Richtung

Funktion

TCK

Test Clock

Eingang

Taktsignal

TDI

Test Data Input

Eingang

Serieller Dateneingang

TDO

Test Data Output

Ausgang

Serieller Datenausgang

TMS

Test Mode Select

Eingang

Selektierung der jeweiligen JTAG-Testfunktion

Tab. 1–1 JTAG-Leitungen und deren Funktion

1.10 DMA-Logik

Über die Möglichkeit zur Durchführung einer DMA-Verarbeitung verfügen nur die leistungsfähigeren Mikrocontroller, in der Regel also diejenigen, die einen verhältnismäßig großen Speicher und rechenintensive Peripherieeinheiten (FPU, USB) besitzen.

Wie die Bezeichnung Direct Memory Access besagt, ist damit der direkte Speicherzugriff gemeint, und zwar ohne die Beteilung der CPU, was sich für die effektive Übertragung großer Datenmengen zwischen Peripherieeinheiten nutzen lässt, etwa um Daten aus einer Tabelle, die im Speicher stehen, an den Digital Analog Converter zu schicken. Dieser Vorgang läuft dann quasi parallel zur üblichen Programmausführung der CPU ab. Bei einigen Mikrocontrollern (z.B. EFM32) kann ein DMA-Vorgang sogar in einem Sleep-Modus ausgeführt werden.

Für die DMA-Übertragung wird eine eigene Einheit, ein DMA-Controller, eingesetzt, der über separate Steuerleitungen verfügt, um damit den Vorgang zu steuern. Der Speicher und die Peripherie werden dabei über den internen Adressbus adressiert. Generell nutzt der DMA-Controller den Systembus genau so wie die CPU. Bei Mikrocontrollern bedeutet die DMA-Übertragung zumeist, dass Daten zwischen zwei Speicherzellen oder -bereichen transferiert werden, weil die internen Einheiten auf Speicherbereichen abgebildet werden.

Der DMA-Controller fordert den Bus über ein Bus-Request-Signal an, was von der CPU erkannt wird, woraufhin sie die Bus-Kontrolle an den DMA-Controller abgibt, der über ein Bus-Acknowledge-Signal (auch Bus Grant genannt) darüber informiert wird. Der DMA-Controller kann dann über den Bus verfügen und die Transfers so lange durchführen, bis er das Bus-Request-Signal wieder deaktiviert.

Abb. 1–11 Der DMA-Controller eines Mikrocontrollers bildet neben der CPU einen zweiten Busmaster.

Für die DMA-Übertragungen verfügt ein Mikrocontroller über mehrere Kanäle und über eigene Register für die Konfigurierung. Es gibt mindestens ein allgemeines DMA-Konfigurationsregister (DMA Control) sowie für jeden vorhandenen Kanal noch ein eigenes, wo Quelle und Ziel, die Datengröße und der Typ der Übertragung (Einzel-Block-Transfer) spezifiziert werden.

1.11 Adressierung

Unter der Adressierung eines Mikroprozessors oder auch Mikrocontrollers wird die Art und Weise verstanden, wie mittels Adressenangaben, Registerinhalten und Offsets die Adresse von Operanden bestimmt wird. Die Operanden sind Variablen, Konstanten und Ausdrücke, die als numerische Werte (Operand einer mathematischen Funktion) oder auch als Strings (Zeichenkettenoperanden) auftreten können.

Je nach Aufbau und Befehlsimplementierung unterstützt ein Mikrocontroller verschiedene Adressierungsarten. Wenn jeder Befehl in jeder Adressierungsart verwendet werden kann, wird der Befehlssatz als orthogonal bezeichnet.

Die wichtigsten Mikrocontroller-Adressierungsarten sind im Folgenden angegeben, wobei jeweils der Befehl mov, den eigentlich jeder Mikrocontroller unterstützt, als Beispiel verwendet wird (mov bedeutet im programmiertechnischen Zusammenhang nicht verschieben, sondern laden oder kopieren und die Syntax ist hier mov ZIEL, QUELLE).

Register-Adressierung – (Implied) Register Addressing

Der Befehl enthält ein Register des Mikrocontrollers, es wird keine Adresse angegeben. Mit dem folgenden Befehl wird der dezimale Wert 7 in das Register R2 geladen.

mov R2,#7

Unmittelbare Adressierung – Immediate Adressing

Der Befehl enthält eine Konstante, einen numerischen Wert. Um die dezimale Zahl 50 in den Akkumulator (A) zu laden, kann dies wie folgt angegeben werden.

mov A,#50

Direkte, auch absolute Adressierung – Direct Adressing

Der Befehl enthält die Adresse eines Operanden. Der folgende Befehl liest den Wert aus der Adresse 10h, die meist im internen RAM lokalisiert ist, und kopiert ihn in den Akkumulator (A).

mov A,10h

Indirekte Adressierung – Indirect Addressing

Der Befehl enthält ein Register, das die Adresse (Pointer) des Operanden enthält. Für den Pointer wird meist das @-Zeichen verwendet, sodass mit der folgenden Zeile der Akkumulator mit demjenigen Wert geladen wird, der sich im RAM unter der Adresse befindet, die im Register R2 angegeben ist.

mov A,@R2

Indizierte Adressierung – Indexed Addressing

Der Befehl enthält ein Register, das durch Addition mit einer Konstanten (Offset) die Adresse des benötigten Operanden enthält. Der Offset wird meist im Akkumulator (A) gehalten. Mit der folgenden Zeile wird der Akkumulatorinhalt in das Datenregister kopiert, das im Register R0 angegeben (indiziert) ist.

mov @R0,A

Mikrocontroller können – typabhängig – ein bis drei Operanden in einem Befehl verwenden. Je mehr es sind, desto kürzer können die Programme bei gleicher Funktionalität realisiert werden, wofür entsprechende Datenregister benötigt werden.

Ein Datenregister ist stets vorhanden, das vom Akkumulator gebildet wird, was als die einfachste Implementierung gilt. Die Befehle können in diesem Fall lediglich eine Adresse übergeben, und der zweite Operand befindet sich im Akkumulator, wo nach der Ausführung auch das Ergebnis gespeichert wird.

1.12 Programmierung

Entsprechend seiner Aufgabe ist der Mikrocontroller zu programmieren, wofür die Hersteller verschiedene Entwicklungsumgebungen zur Verfügung stellen. Die meist auf einem PC erstellte Software wird anschließend in den Festwertspeicher des Mikrocontrollers (vgl. Abschnitt 1.5) übertragen und wird dann als Firmware bezeichnet. Der Festwertspeicher kann je nach Typ unterschiedlich realisiert sein. Dementsprechend unterscheidet sich auch die Vorgehensweise bei dem Transfer der erstellten Software in den Speicher eines Mikrocontrollers.

Es ist üblich, dass ein aktueller Mikrocontroller über einen internen Flash-Speicher verfügt, der sich elektrisch beschreiben und löschen lässt, was mehrere Hundert Mal wiederholt werden kann, ohne dass der Speicher dadurch seine Zuverlässigkeit einbüßt. Flash-Speicher ist in der Herstellung prinzipiell teurer als nur einmal beschreibbarer Speicher (OTP, One Time Programmable). Deshalb war es zumindest in der Vergangenheit üblich, dass der Prototyp mit einem Flash-Speicher für die Programmerstellung und Erprobung ausgestattet war und in der Serienproduktion ansonsten baugleiche Modelle mit nur einmal beschreibbarem Speicher eingesetzt wurden. Weil die Kosten für Flash-Speicher jedoch stark gesunken sind, wird mittlerweile häufig auch in der Serienproduktion auf diesen Typ zurückgegriffen.

Abb. 1–12 Mikrocontroller mit einem integrierten Flash-Speicher (hier MSP430F2013) werden direkt in der Applikation programmiert, meist wie hier über den USB.

Vorkehrungen gegen unerwünschtes Auslesen oder Löschen müssen dabei explizit getroffen werden, was bei den einmalig programmierbaren Typen oftmals nicht nötig ist, weil bereits vom Prinzip her kein Löschen der Daten mehr möglich ist. Um das Auslesen zu verhindern, muss der Controller entsprechend konfiguriert und daraufhin programmiert werden.

Flash-Speicher wird auch deshalb in Seriengeräten eingesetzt, damit im Bedarfsfall eine Aktualisierung der Firmware möglich ist, was oft schon aus Gründen der Fehlerbehebung notwendig wird und auch vom BIOS-Update bei Personal Computern her bekannt ist. Voraussetzung dafür ist die Möglichkeit einer In-System-Programmierung, alsodass der Chip für die (Neu-)Programmierung in der Schaltung verbleiben kann. Hierfür verfügt der Mikrocontroller über eine eigene serielle Schnittstelle, wie beispielsweise JTAG oder Spy-Bi-Wire (vgl. Abbildung 1–12) oder auch über eine andere, was vom Typ und Hersteller abhängig ist. In der Applikation ist die jeweilige Schnittstelle mit einem Anschluss versehen, der mit einer seriellen Schnittstelle (RS232, COM-Port) oder einem USB-Anschluss eines PCs verbunden wird. Die Kommunikation mit dem Mikrocontroller kann oft direkt aus der Entwicklungsumgebung des Mikrocontrollers heraus stattfinden.

Insbesondere ältere Mikrocontroller bieten diese praktische Möglichkeit der In-System-Programmierung nicht, sondern müssen in einem Programmiergerät beschrieben werden. In der Schaltung wird der Chip in diesem Fall in einem Sockel verwendet, damit er eingesetzt und auch wieder herausgenommen werden kann.

Bei dem Programmiergerät kann es sich um ein spezielles Gerät des jeweiligen Chipherstellers handeln, wie etwa um PICSTART Plus der Firma Microchip. Dieses Programmiergerät kann direkt aus der Entwicklungsumgebung angesteuert werden, sodass automatisch das richtige Format und die passenden Initialisierungsdaten mit in den Mikrocontroller geschrieben werden sowie eine nachfolgende Verifizierung möglich ist.

Abb. 1–13 Universelle Programmiergeräte – hier der Firma Conitec – unterstützen eine ganze Reihe unterschiedlicher Speichertypen und Mikrocontroller.

Universelle Programmiergeräte lassen sich vielseitig für unterschiedliche Speicher- und Mikrocontrollertypen einsetzen, wie beispielsweise die Geräte von den Firmen Data I/O, Leap oder die GALEP Programmer der deutschen Firma Conitec. Zu beachten ist dabei generell, dass der gewünschte Mikroprozessortyp auch explizit vom Programmer unterstützt wird, nicht nur von der Programmer-Firmware, sondern auch vom jeweiligen Gehäusetyp her. Für die GALEP Programmer werden eine Vielzahl unterschiedlicher Adapter angeboten, die teilweise teurer sind als das eigentliche Gerät. Wichtig ist außerdem das vorliegende Dateiformat des zu programmierenden Programms, das von der Entwicklungsumgebung bestimmt wird, denn das Programmiergerät muss es korrekt lesen können. Üblich sind das Binär-, Intel-Hex-, Motorola-S- und das JEDEC-Format.

2 Mikrocontrollerfamilien beurteilen und auswählen

In diesem recht umfassenden Kapitel sind verschiedene Mikrocontrollerfamilien mit ihren jeweiligen Ausstattungsmerkmalen ausführlich dargestellt. Es beginnt mit der 8051-Architektur der Firma Intel, die als wegweisend für den Einsatz von Mikrocontrollern (Embedded Systems) gilt. Auch wenn Intel diesen Typ bereits seit Längerem nicht mehr produziert, haben andere Hersteller wie Atmel, Analog Devices oder Maxim aktuelle und im Vergleich zum Original funktionstechnisch erweiterte Modelle im Programm. Außerdem wird die 8051-Architektur in zahlreichen aktuellen Bauelementen, wie in USB-Controllern (Cypress), Bluetooth-Chips (Texas Instruments) oder auch in besonders stromsparenden Mikrocontrollern (EnOcean), als Core eingesetzt. Neben der ARM-Architektur kann die 8051-Architektur für sich in Anspruch nehmen, dass sie von zahlreichen verschiedenen Herstellern umgesetzt wird, was insbesondere für industrielle Applikationen wichtig ist, bei denen längere Verfügbarkeiten und alternative Lieferanten (Second Source) für ein Produkt eine wichtige Rolle spielen.

Die Hersteller Microchip und Atmel stellen ähnliche recht preisgünstige Mikrocontroller her, die sich durch ihren begrenzten Befehlssatz und einfachen Aufbau mit der Kombination von analogen Schaltungseinheiten (A/D-Wandler) auszeichnen. Das Mikrocontroller-Produktspektrum ist bei beiden Firmen mittlerweile so groß, dass es immer schwerer fällt, den passenden Typ zu finden, sodass dieses Kapitel auch die notwendige Orientierung bietet. Traditionell wird die jeweils erforderliche Entwicklungsumgebung kostenlos zur Verfügung gestellt. Außerdem besteht auch die Möglichkeit, bestimmte Mikrocontrollertypen kostenlos direkt vom Hersteller als Sample zu beziehen. Dieser Service steht prinzipiell Firmen und Bildungseinrichtungen zur Verfügung. Gleichwohl sind die Mikrocontroller von Microchip und insbesondere von Atmel aufgrund ihrer einfachen Programmierung und Handhabbarkeit auch bei Bastlern sehr beliebt.

Der MSP430-Mikrocontroller der Firma Texas Instruments ist ursprünglich für eine ganz spezielle Anwendung (Heizkostenzähler mit Temperaturmessung) entwickelt worden, bei der es auf einen geringen Stromverbrauch ankommt. Deshalb kann dieser Typ als der erste Mikrocontroller angesehen werden, bei dem diese Eigenschaft konstruktionsbedingt ist. Außerdem ist er im Gegensatz zu den Typen der anderen behandelten Hersteller ein 16-Bit-Controller, was insbesondere für die hohe Genauigkeit des Timers und der Temperaturumsetzung von Bedeutung ist. Diese Eigenschaften führten zu einem durchschlagenden Erfolg in industriellen Applikationen und zu einer laufenden MSP430-Produkterweiterung mit aktuell circa über 400 verschiedenen Typen. Eine kostenlose Entwicklungsumgebung sowie die Möglichkeit, auch kostenlose Samples anfordern zu können, hat darüber hinaus zur Beliebtheit des MSP430 sowohl im professionellen als auch im Hobby-Bereich beigetragen.

Die ARM-Architektur ist allgegenwärtig und in erster Linie durch den Einsatz in Smartphones bekannt. Ein Ableger davon sind die ARM-Mikrocontroller, die ebenfalls mit 32 Bit und verhältnismäßig hohen Taktraten arbeiten können, sodass mit ihnen auch hohe Rechenleistungen möglich sind. Wie bei den klassischen ARM-Prozessoren gibt es eine Vielzahl von Firmen, die ihre Mikrocontroller mit dieser Architektur ausstatten. Eine besondere Rolle spielen die Modelle der Firma Energy Micro/Silicon Labs, die eine Vielzahl von analogen und digitalen Schnittstellen beinhalten, einen äußerst geringen Stromverbrauch aufweisen und im Bedarfsfall eine für Mikrocontroller vergleichsweise hohe Rechenleistung bieten. Bemerkenswert und für ARM-basierte Prozessoren eher ungewöhnlich ist, dass problemlos kostenlose Samples angefordert werden können und ein Anwender-Support geleistet wird, wie man ihn sich auch bei anderen Mikrocontrollerherstellern wünschen würde. Die Bereitstellung einer kostenlosen Entwicklungsumgebung ist wie bei den anderen im Buch behandelten Mikrocontrollern ebenfalls selbstverständlich.

Ausgehend vom ursprünglichen Mikrocontroller, dem 8051 (siehe Abschnitt 1.3), der auch heute noch in den unterschiedlichsten Ausführungen hergestellt wird, existieren zahlreiche Mikrocontrollerfamilien mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit und mit recht verschiedenen Ausstattungsmerkmalen. In diesem Kapitel werden die wichtigsten Mikrocontrollerfamilien mit den gebräuchlichsten Vertretern näher vorgestellt.

2.1 8051-Mikrocontroller

Der Mikrocontroller 8051 gilt gewissermaßen als Urvater der Mikrocontroller überhaupt und ist in der Elektronik in irgendeiner Form fast allgegenwärtig.

8051-Mikrocontroller werden von zahlreichen Firmen unter verschiedenen Bezeichnungen hergestellt. Teilweise sind sie explizit als Ersatz für die älteren Typen (siehe Tabelle 2–1) mit den entsprechenden Gehäusen (DIP, PLCC) vorgesehen.

Die Firma Atmel liefert mit der AT89xxxLP-Familie verschiedene Typen mit bis zu 128 kByte Flash-Speicher, die zusätzlich, neben PWM-, A/D- und D/A-Anschlüssen, über Interfaces wie CAN oder USB verfügen können. Die Firma Maxim/Dallas stellt die DS89C4xxx-Typen mit ähnlichen Ausstattungsmerkmalen her.

Texas Instruments stellt auf der Basis des 8051/8052 zwei Serien her: die Microsystems- (MSC) und die USB-Linie. Die Vertreter der MSC-Serie bieten hochauflösende A/D-Wandler (24 Bit Sigma Delta), D/A-Wandler (16 Bit), programmierbare Verstärker (PGA), Spannungsreferenzen oder auch Temperatursensoren bei einem maximalen Programmspeicher von 32 kByte Flash. Als Schnittstellen stehen SPI, I2C und USARTs zur Verfügung. Diese bei Mikrocontrollern üblichen Schnittstellen und Kommunikationseinheiten werden in Kapitel 4 näher erläutert.

Abb. 2–1 Hersteller von 8051-kompatiblen Mikrocontrollern

Die USB-Linie (TSUBxx) von TI ist für den Aufbau von USB-Peripherie gedacht, bei der ein USB-Controller (Version 2.0) mit einem 8051 kombiniert ist. Andere Firmen, wie etwa Cypress, haben ähnliche USB-Controller (EzUSB) wie den CY7C68013 entwickelt, der in vielen USB-Einheiten eingebaut ist.

Abb. 2–2 Der 8051 ist hier als Kern in einem USB-Controller der Firma Cypress implementiert.

Als unmittelbare Nachfolger des Intel 8051 sind die Typen 80515 und 80535, gefolgt von 80C517 und 80C537 der Firma Siemens