Mikrocontroller

Mikrocontroller (auch µController, µC, MCU) sind Ein-Chip-Computersysteme, bei welchen nahezu sämtliche Komponenten (wie z.B.: CPU, Programmspeicher (meist auf ROM- oder Flash-Basis), Arbeitsspeicher (auf SRAM-Basis), Ein-/Ausgabe-Schnittstellen) auf einem einzigen Chip (Integrierter Schaltkreis) untergebracht sind. Auf modernen Mikrocontrollern finden sich häufig auch speziellere Peripherieblöcke wie z.B. Taktgeneratoren, EEPROM-Speicher, CAN-, LIN, USB-, I²C-, SPI, serielle oder Ethernet-Schnittstellen, LCD-Controller und -treiber, hochauflösende Analog-Digital-Wandler (mit 8 bis 24 Bit Auflösung und bis zu 16 Kanälen) uvm.

Einsatzbereiche

Diese Form eines Computers treten in Gestalt von eingebetteten Systemen im Alltag oft unbemerkt in technischen Gebrauchsartikeln auf, zum Beispiel in Waschmaschinen, Chipkarten (Geld-, Telefonkarten), Unterhaltungselektronik (Videorekordern, CD/DVD-Playern, Radios, Fernsehgeräten, Fernbedienungen), Büroelektronik, Kraftfahrzeugen (ABS, Airbag, Motorsteuerung, ESP usw.), Mobiltelefonen und sogar in Uhren und Armbanduhren sowie in gängigen schultergestützten Flugabwehrraketen.

Darüber hinaus sind sie in vielen Computer-Peripheriegeräten enthalten (Tastatur, Maus, Drucker, Monitore, Scanner uvm.).

Die Anwendungszwecke sind nahezu grenzenlos. Mikrocontroller sind meist anspruchslos im Energiebedarf und in der Serienfertigung äußerst preiswert herzustellen. Dieses ist auf die hohen Stückzahlen, meist geringen Taktfrequenzen von weniger als 100 Megahertz und auf die im Vergleich zu leistungsstarken Mikroprozessoren geringere Komplexität zurückzuführen.

Architekturen

Die Anzahl der verbauten Mikrocontroller überschreitet bei weitem die Geräte, die man sich unter einem Computer eigentlich vorstellt. Die überwiegende Mehrzahl der verwendeten Mikrocontroller basiert auf 8-Bit-Prozessoren, deren grundlegende Architektur teilweise noch aus der ersten Hälfte der 1970er Jahre stammt. Es gibt jedoch auch 4-, 16- und 32-Bit-Mikrocontroller, wobei die 32- und 16-Bitter mittlerweile mengenmäßig zu den 8-Bittern aufholen.

Praktisch gibt es zu jedem Mikroprozessor mehr als ein Pendant bei den Mikrocontrollern. Deshalb an der Stelle „nur“ der Verweis auf die Liste der Mikroprozessoren, wobei diese erstens nicht vollständig ist und zweitens es außerdem Mikrocontroller gibt, die keinem Mikroprozessor nachgefolgt sind, wie Atmel AVR, PIC-Mikrocontroller oder TI MSP430, Infineon TriCore, (X)C16x, ... (auch eine äußerst unvollständige Liste).

Benutzte Programm-Speicher

Für Hobbyanwendungen, bei Stückzahlen bis zu einigen tausend pro Jahr und bei Anforderungen nach hoher Flexibilität (z.B. wegen geplanter nachträglicher Programmupdates) werden Mikrocontroller mit Programmspeicher in Flash- oder EEPROM-Technologie eingesetzt. Für größere Stückzahlen, d.h. im Bereich von mehr als einigen tausend pro Jahr, werden dagegen zumeist maskenprogrammierte Mikrocontroller eingesetzt. Der einzelne Mikrocontroller ist hierbei preisgünstiger, jedoch entstehen Initialkosten für die Herstellung einer Maske mit dem jeweiligen Programmcode (siehe Integrierter Schaltkreis). Des weiteren gibt es Mikrocontroller, deren Programm in einem EPROM abgelegt wird. Das erforderliche Quarzglas-Fenster verteuert das Gehäuse und verlangt zum Löschen etwa 20 Minuten lang stark ozonbildende UV-C-Strahlung. EPROM-Typen sind daher fast vollständig durch funktionsgleiche Flash-basierte Mikrocontroller ersetzt worden.

Typische Speichergrößen heutiger Mikrocontroller liegen zwischen 1 KB und 1 MB für das Programm und zwischen 32 Bytes und 48 KB für die Daten. Viele Modelle können aber auch wesentlich größeren externen Speicher ansprechen.

Programmierung

Mikrocontroller werden meist in Assembler oder auch in C programmiert. Andere Programmiersprachen wie BASIC, FORTH, Pascal, Ada oder C++ werden ebenfalls eingesetzt. Assembler bietet hierbei unter bestimmten Umständen den Vorzug, dass die Programme schnell sind und wenig Programmspeicher benötigen. Dies ist deshalb von so großer Bedeutung, da einerseits der Speicherplatz auf einem Mikrocontroller meist sehr eingeschränkt ist und andererseits die CPU nicht so schnell ist wie beispielsweise die in einem PC. Ein Vorteil von C liegt hingegen in der Übersichtlichkeit und Wiederverwendbarkeit des Programmcodes. Funktionen, die immer wieder benutzt werden, wie z.B. die Übertragung von Daten über eine serielle Schnittstelle, müssen so nicht für jedes Projekt neu geschrieben werden sondern lassen sich einfach anpassen (siehe auch Programmiersprachen). Zur Funktionsüberwachung von Mikrocontrollersteuerungen werden in der Regel so genannte Watchdog-Schaltungen eingesetzt, die teilweise aber auch schon in den Mikrocontroller integriert sind.

Allgemeine Mikrocontroller

Applied Micro Circuits Corporation

403 PowerPC CPU
- PPC 403GCX
405 PowerPC CPU
- PPC 405EP
- PPC 405GP/CR
- PPC 405GPr
- PPC NPe405H/L
440 PowerPC Book-E CPU
- PPC 440GP
- PPC 440GX
- PPC 440EP/EPx/GRx
- PPC 440SP/SPe

Atmel

AT89 Serie (Intel 8051 Architektur)
AT90, ATtiny, ATMega Serie
AT91SAM (ARM-Architektur)
AVR32 (32-bit AVR Architektur)

Freescale Semiconductor

8-bit
- 68HC05 (CPU05)
- 68HC08 (CPU08)
- 68HC11 (CPU11)
16-bit
- 68HC12 (CPU12)
- 68HC16 (CPU16)
- Freescale DSP56800 (DSPcontroller)
32-bit
- Freescale 683XX (CPU32)
- MPC500
- MPC 860 (PowerQUICC)
- MPC 8240/8250 (PowerQUICC II)
- MPC 8540/8555/8560 (PowerQUICC III)

Intel

8-bit
- MCS-48 (Familie der 8048)
- MCS-51 (Familie der 8051)
- 8xC251
16-bit
- 80186/80188
- MCS-96 (Familie der 8096)
- MXS296
32-bit
- 80386EX (i386EX)
- 80960 (i960)

Microchip Technology

8 and 16-bit Mikrocontroller mit 12 oder 24-Bit Anweisungen
PIC16Fxx

Renesas Technology Corporation

Texas Instruments

16-bit
- MSP430
32-bit
- TMS470 (ein ARM7 Derivat)
- TMS320C2000 (DSP basiert)

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Weblinks

Siehe auch