Mikrocontroller und Mikroprozessor

In diesem Kapitel wird der grobe Aufbau eines Mikrocontrollers und eines Mikroprozessors erklärt.

Mikrocontroller:

Bei einem Mikrocontroller werden in einem Chip Mikroprozessor, Programmspeicher, Arbeitsspeicher und Peripherieschnittstellen untergebracht. Mittels dieser Kombination lassen sich allein mit dem Mikrocontroller Aufgaben wie serielle Kommunikation betreiben, Zeiten messen und vieles mehr. Das Ziel von Mikrocontrollern ist es, ein Ein-Chip-System zu bauen, welches eine vorgegebene Aufgabe/Programm ohne zusätzliche Elemente wie z.B. externe Programmspeicher umsetzt.  

^{Abb.: Elemente des Chipsystems; Quelle: Fig. 2-1 in Datenblatt ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P [https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/ATmega48A-PA-88A-PA-168A-PA-328-P-DS-DS40002061A.pdf]}

Mikroprozessor:

Bei einem Mikroprozessor werden im Chip keine weiteren Elemente wie Programmspeicher (ROM / EEPROM), Arbeitsspeicher (RAM) oder vielfältige Peripheriefunktionen untergebracht. Somit besitzen sie nicht die Möglichkeit, ohne externe Bauelemente praktische Aufgaben zu erledigen. Durch das Outsourcing kann nun mehr Chipfläche verwendet werden, um Rechenleistung bereit zu stellen. Das Ziel eines Mikroprozessors ist, in einem Chip möglichst viel Rechenleistung unterzubringen. Um externe Bauelemente anschließen zu können, werden Adress-, Bus- und Interruptanschlüsse aus dem Chip herausgeführt. Mikroprozessoren haben die Aufgabe, den Ablauf der Datenverarbeitung zu steuern und die Daten zu verarbeiten, die über externe Bauelemente bereitgestellt werden.

Vereinfachter Aufbau von Mikroprozessor und -controller im Vergleich:

^{Abb.: Vereinfachter Aufbau Mikrocontroller und Mikroprozessor; Quelle: BBS2 Wolfsburg}

Elemente:

ROM (Read only Memory):

ROM ist ein nicht flüchtiger Speicher. Dies bedeutet, dass Inhalte auch nach Abschalten des Controllers immer noch vorhanden sind. Reine ROM Speicher sind nicht in der Lage Inhalte neu aufzunehmen/ zu ändern - daher die Bezeichnung "read only". Heutzutage werden anstelle von ROM-Elementen oft Flash-Speicher (Flash-EPROM) oder EEPROM eingesetzt, da diese den Vorteil besitzen wiederbeschreibbar zu sein. In Mikrocontrollern kommen meist Flash-Speicher zum Speichern des Programmes sowie EEPROM-Elemente zum Speichern von Daten zum Einsatz. Auch diese beiden Speicherarten sind nicht flüchtig, besitzen jedoch eine begrenzte Wiederbeschreibbarkeit von je nach Aufbau zwischen 3 000 und 1 000 000 Zyklen. Werden Mikrocontroller benötigt, deren Programme nicht geändert werden müssen, z.B. das Programm einer Waschmaschine, werden auch heute noch häufig ROM Speicher genutzt.

RAM (Random Access Memory):

RAM ist ein flüchtiger Speicher, dessen Inhalte nach Abschalten der Spannungsversorgung nicht mehr gespeichert sind. Genutzt wird diese Speicherart zum zwischenzeitlichen Speichern von Inhalten. Ein spezieller Typ von RAM sind SRAM (Static RAM)-Elemente. Sie sind statisch und behalten ihren Inhalt bei bestehender Versorgung ohne weitere Maßnahmen, d.h. ohne diesen ständig aktualisieren zu müssen. SRAM Bausteine werden in vielen Mikrocontrollern eingesetzt. Sie beinhalten die Arbeitsregister und alle Register zur Konfiguration des Mikrocontrollers und zur Kommunikation mit der Außenwelt.

I/O (Input/Output):

Die Eingabe-/Ausgabe-Bausteine bilden eine Schnittstelle und werden genutzt, um extern angeschlossene Bauteile zu steuern oder einzulesen, beispielsweise die Ansteuerung einer LED oder das Erkennen eines Tastendruckes. Sie können durch interne Verarbeitung der Daten dafür sorgen, dass der Mikroprozessor rechentechnisch entlastet wird.

Busleitungen:

Wie in der vereinfachten Darstellung erkennbar gibt es unterschiedliche Busleitungen. Allgemein basieren Busleitungen auf dem Prinzip der (hier) parallelen Datenübertragung, an die auch mehr als nur zwei Kommunikationsteilnehmer angeschlossen sein können.

Der Datenbus überträgt Daten z.B. zwischen Mikroprozessor und Hardwarekomponenten wie dem Speicher (EEPROM/SRAM). Auf ihn dürfen immer nur ein Empfänger und ein Sender zur gleichen Zeit zugreifen.

Der Adressbus dient dazu, die richtigen Speicherzellen mittels definierter Adressen anzusprechen, um so die Datenübertragung zu ermöglichen.

Auf dem Steuerbus werden Steuerbefehle übertragen, die beispielsweise angeben, ob Schreib- oder Leseoperationen vollzogen werden sollen.

Adress- und Steuerbus dienen folglich der Steuerung des Informationsflusses. Der Datenbus enthält die zu schreibenden oder die auszulesenden Informationen.