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Mikrocontrollereine Einfhrung

Florian Schmitt - 16.11.2010

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Was sind Mikrocontroller, wozu sind sie ntzlich? Unterschiede und Gemeinsamkeiten mit dem PC Wie funktionieren Mikrocontroller Probleme und Schwierigkeiten Aussicht: Mglichkeiten, zuknftige Entwicklung

Inhalt

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Halbleiterchips Prozessor mit vielen Zusatzfunktionen Integrierte Speichermglichkeiten Ein-Chip-Computersystem

Beispiele fr integrierte Funktionen: Einfache Parallelausgnge z.B. zum Steuern Serielle Schnittstellen Ethernet- und USB-Schnittstellen ADC (Analog Digital Converter) Spannungen messen LCD-Controller

Was sind Mikrocontroller?

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Was sind Mikrocontroller?

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Was sind Mikrocontroller?

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Was sind Mikrocontroller?

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Programm / Prozessor

Pins

Speicher

Einlesen / Messen

Ausgabe / Steuern

In Speicher schreiben

Aus Speicher lesen

AusgabeEingabe

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Port

10100011

5V=1GND=0

163

Port als Eingang

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Port B

10100011

5V=1GND=0

163

Port als Ausgang

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embedded systems (engl.) Ein elektronischer Rechner, der im technischen Kontext in einem System (Gert) eingebunden ist. Sowohl Mikrocontroller als auch ganze Computer

Aufgaben des Rechners: Schalten, steuern, messen, berwachen, ...

Eingebettete Systeme

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Auto Waschmaschine Handy Getrnke- / Kaffeeautomat viele mehr

Beispiele:

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Im Grunde enthlt ein Mikrocontroller einen kleinen PC:

Arbeitsspeicher / RAM nichtflchtige Speicher (z.B. Flash, EEPROM) Prozessor Eingabe- und Ausgabefunktionen (Tasten, Display) Netzwerkfunktionen

Vergleich: Mikrocontroller vs. PC

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Vergleich: Anwendung

ATMega8-16 PCVerbrauch 0,05 W (5V / 8MHz)

0,01 W (3V / 4MHz)100 W

ProzessortaktWortlnge

16 MHz8 Bit

1 bis 3 Ghz32 Bit / 64 Bit

Architektur Harvard Von-NeumannGre / Mobilitt Klein und leicht Gro und schwer

Fester Speicher 8 kB 80 GB

Ram 1 kB 2-8 GB

Preis 2,40 200-400

Anmerkung: Gegeben sind nicht Maximalwerte sonderngebruchliche Werte.

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Vergleich: Einsatzmglichkeiten

C Computer

Datenbanken

Webserver

AufwendigeBerechnungen

Tragbare Gerte (MP3-Player)

Steuerungen

Messstationen

Batteriegerte (Digitalwecker)

Maus,Tastatur,

USB-Stick,Drucker,

CNC-Frse

Home-PC

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Vergleich: Architektur

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Assembler ist eine Programmiersprache, welche die Maschinensprache eines Prozessors fr den Menschen lesbar macht.

Die Programme laufen sequenziell ab.

Assembler

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Assembler wird direkt in Maschinensprache bersetzt

Im Prozessor werden Funktionen durch Zahlenwerte aufgerufen:

Assembler: add r0, r1Maschinencode: 0000.1100.000.00011 Byte - Befehl1 Byte - Wert

Exkurs: Assembler

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Assembler: Programmbeispiel

ldir16,90

ldir17,10

addr16,r17

incr17

Veranschaulichung:Bro/Fcher

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Assembler: Programmbeispiel

ldir16,90

ldir17,10

addr16,r17

incr17

Veranschaulichung:Bro/Fcher

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Mikrocontroller in C programmieren

voidmain(){

DDRD=0b11111111;

while(1){

PORTD=0b11111111;

_delay_ms(1000);

PORTD=0b11111110;

_delay_ms(1000);

}

}

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Probleme und Schwierigkeiten Abhngig von Bauart und Hersteller Systemnahe Programmierung: Zugriffsfehler Vorsicht bei zeitkritischen Algorithmen! berlauf: Wert > Wortlnge (> 255) Meist geringere Wortlnge Berechnungen mit groen Zahlen schwierig und zeitintensiv Fehler bei eingebetteten System besonders problematisch

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AussichtSensoren knnen leicht vernetzt werden:

Anbindung an groe Netzwerke oder das WWW bertragen der Messwerte an Rechner zur Auswertung Zugriff von mehreren Stellen im Netzwerk

Das ermglicht:

Bessere Steuerungen (Ampeln, Aufzge) Bessere Zugnglichkeit (Stau, Wetterdaten im Web) Systeme werden deutlich flexibler

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AussichtAuch in der Experimentalphysik immer wichtiger:

Schnelle, effiziente und sichere Verarbeitung von Messwerten Zugang von verschiedenen Stellen zur berwachung Sensoren knnen auch weitere Daten senden, z.B. ob das Lmpchen einer Lichtschranke defekt ist

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AussichtProbleme:

Netzwerke knnen leicht von auen Manipuliert werden Systeme werden komplizierter Fehler in der Programmierung sind fatal Abwgung von Nutzen und Aufwand

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AussichtBeispiele:

Fehler durch falsche Zeitberechnung im C Neuer Personalausweis Vernetzte Autos Handyortung

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TitelblattGliederungWas sind Mikrocontroller?AVR-ExamplePIC-ExampleBeispielschaltungenArbeitsweisePinbelegung ATMega8Port als EingangPort als AusgangEmbedded SystemsEmbSys ExamplesVergleich: GemeinsamkeitenVergleich: UnterschiedeVergleich: EinsatzVergleich: ArchitekturBlockdiagrammAssemblerAssembler: MaschinencodeAssembler: ProgrammbeispielFolie 21Step Example NotesStep Example 1 Step Example 2Step Example 3Step Example 4Step Example 5Andere ProgrammiersprachenProblemeAussicht IAussicht IIProbleme bei AussichtProblembeispieleFolie 34