Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 1 3. Mikrocontroller Mikrocontroller: Mikrorechner auf einem

1Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer

3. Mikrocontroller

Mikrocontroller: Mikrorechner auf einem Chip

Für spezielle Anwendungsfälle zugeschnitten

Meist Steuerungs- oder Kommunikationsaufgaben

Anwendung oft einmal programmiert und für die Lebensdauer des Mikrocontrollers auf

diesem ausgeführt

Anwendungsfelder sind breit gestreut

Oft unsichtbar in uns umgebenden Geräten verborgen


3. Mikrocontroller

im Haushalt die Steuerung der Kaffeemaschine, der Waschmaschine, des Telefons, des Staubsaugers, des Fernsehers, ...

in der KFZ Technik das Motormanagement, das Antiblockiersystem, das Stabilitätsprogramm, die Traktionskontrolle, diverse Assistenten, z.B. beim Bremsen, ...

in der Automatisierung das Steuern und Regeln von Prozessen, das Überwachen von Prozessen, das Regeln von Materialflüssen, die Steuerung von Fertigungs- und Produktionsanlagen, ...

Anwendungsfelder


3. Mikrocontroller

3.1 Abgrenzung zu Mikroprozessoren

Ein-Chip Mikrorechner mit aufgabenspezifischer Peripherie

Mikrocontroller

. . . . . .

Prozessor-kern RAM

ROMEPROM

EEPROM

Ein-/Ausgabe-steuerung

Unter-brechungs-steuerung

Zähler/Zeit-geber Erweiterungs-

busschnittstelle

Takt


3. Mikrocontroller

Ziel: Möglichst wenige externe Bausteine für eine Steuerungsaufgabe

Idealfall: Mikrocontroller, Quarz, Stromversorgung sowie ggf. Treiber und ein Bedienfeld

Beispiel: Fernbedienung

Mikrocontroller

TastaturmatrixQuarz Spannungsversorgung

Infrarot-

leuchtdiode


3. Mikrocontroller

Schalenmodell einesMikrocontrollers:

Prozessor-kern

Schreib-/Lesespeicher RAM

Festwertpeicher

ROM Flash PROM EPROM EEPROM

Zähler / Zeitgeber serielle / parallele EA Kanäle

A/D- Wandler

Watch-dog

Echtzeit- Kanäle

DMA & Unter- brech- ungen

Erweiterungs- bus Ruhebetrieb


3. Mikrocontroller

Prozessorkern:

• prinzipiell kein Unterschied zum Kern eines Mikroprozessors

• Kosten spielen jedoch meist die dominante Rolle

=> einfacher als der Kern eines Mikroprozessors

Varianten:

1. Eigens für den Mikrocontroller entwickelter einfacher Kern


3. Mikrocontroller

2. Verwendung älterer Kerne von Mikroprozessoren

• bewährte Technik, Kompatibilität, reduzierte Kosten

• Leistungsvermögen meist ausreichend

• Modifikationen:

– Stromsparmodus

– kein Cache

– keine virtuelle Speicherverwaltung

=> Reduktion des Stromverbrauchs, Verbesserung des Echtzeitverhaltens


3. Mikrocontroller

Speicher

• integrierter Festwert- und Schreiblesespeicher

• Aufnahme von Daten und Programmen

• Vorteil: Einsparung von Anschlüssen und Decodierlogik bei vollständiger interner Speicherung

• Größe und Typ des Speichers unterscheiden oft verschiedene Untertypen desselben Mikrocontrollers

• z.B. je nach Stückzahl der Anwendung unterschiedlicher Typ des Festwertspeichers (ROM, PROM, EPROM, EEPROM, FLASH)


3. Mikrocontroller

Serielle und parallele Ein-/Ausgabekanäle

• grundlegenden digitalen Schnittstellen eines Mikrocontrollers

• seriell oder parallel

• synchron oder asynchronAD/DA-Wandler

• grundlegenden analogen Schnittstellen eines Mikrocontrollers

• Anschluss analoger Sensoren und Aktoren

• Auflösung und Wandlungszeit sind die wichtigsten Größen

• AD-Wandler sind häufiger anzutreffen als DA-Wandler


3. Mikrocontroller

Zähler und Zeitgeber

• im Echtzeitbereich ein wichtiges Hilfsmittel

• für eine Vielzahl unterschiedlich komplexer Anwendungen einsetzbar

Bsp: - Zählen von Ereignissen, Messen von Zeiten kommen mit

einem Zähler bzw. Zeitgeber aus

- Pulsweitemodulation, Frequenz- oder Drehzahlmessung,

Schrittmotorsteuerungen benötigen mehrere Einheiten

=> Die bei Mikrocontrollern verfügbare Bandbreite reicht von

einfachen Up-/Downcountern über Capture-Compare-Einheiten bis zu autonomen Zeitgeber-Coprozessoren


3. Mikrocontroller

Watchdog

• „Wachhund“ zur Überwachung der Programmaktivitäten eines Mikrocontrollers

• Programm muss in regelmäßigen Abständen Lebenszeichen liefern

•Bleiben diese aus, so nimmt der Wachhund einen Fehler im Programmablauf an => Reset

Beispiel: Mars Sojourner Mission


3. Mikrocontroller

Echtzeitkanäle

• Echtzeiterweiterung der parallelen E/A-Kanäle

• Kopplung eines parallelen Kanals mit einem Zeitgeber

=> der Ein-/Ausgabezeitpunkt wird von der Hardware und nicht der Software bestimmt

=> Jitterfreie Ein-/Ausgabe


3. Mikrocontroller

Unterbrechungen (Interrupts)

• Unterbrechung des Programmablaufs bei Ereignissen

• Schnelle, vorhersagbare Reaktion auf Ereignisse

• Insbesondere wichtig bei Echtzeitanwendungen

• Behandlung eines Ereignisses durch eine Interrupt-Service-Routine

• Mikrocontroller kennen meist externe Unterbrechungsquellen

(Eingangssignale) und interne Unterbrechungsquellen (Zähler,

Zeitgeber, E/A-Kanäle, ...)


3. Mikrocontroller

DMA (Direct Memory Access)

• Direkter Datentransfer zwischen Peripherie und Speicher ohne

Beteiligung des Prozessorkerns

• Höhere Datenraten durch spezielle Transferhardware

• Entlastung des Prozessorkerns

• Prozessorkern muss lediglich die Randbedingungen des

Transfers festlegen

• Meist in Mikrocontrollern gehobener Leistungsklasse zu finden


3. Mikrocontroller

Ruhebetrieb (Standby Mode)

• Oft begrenzter Energievorrat oder Wärmeemission bei Mikrocontroller-Anwendungen

• Ruhebetrieb zur Reduktion des Energieverbrauchs

• Abschaltung nicht benötigter Peripheriekomponenten und

Festwertspeicher

• Erhaltungsspannung am Schreib-/Lesespeicher

• Statische Prozessorkerne erlauben einen Takt von 0 Hz


3. Mikrocontroller

Erweiterungsbus

• Reichen die internen Komponenten eines Mikrocontrollers für

eine Anwendung nicht aus

=> Erweiterungsbus zum Anschluss externer Komponenten• Ein Bus benötigt viele Anschlüsse (z.B. 16-Bit-Adressen, 8-Bit- Daten, 4 Steuersignale = 28 Anschlüsse) =>

– Multiplexing (z.B. Daten-/Adressmultiplexing: Daten und Adressen teilen sich die gleichen Leitungen)

– Bus muss sich Anschlüsse mit internen Peripheriekomponenten teilen (Ressourcenkonflikt)

– Stufenweise Reduktion des Adressraums


3. Mikrocontroller

3.2 Anwendungsfelder

Beispiel Automatisierungstechnik

Anforderungen: Schnittstellenvielfalt, Echtzeitverhalten, Zuverlässigkeit, Energieverbrauch, ...

Mikrocontroller werden im wesentlichen dann angewendet, wenn lokale Intelligenz mit möglichst geringen Aufwand (Kosten, Platzbedarf, Strombedarf, ...) realisiert werden mußAnwendungsfelder in der Automatisierung:

• Prozesssteuerung• Steuerung von Bedienelementen


3. Mikrocontroller

3.2.1 Prozesssteuerung

lokale, schnelleMSR-Einrichtung

mitMikrocontroller

Sensoren

Aktoren


mitMikrocontroller

Sensoren

Aktoren


mitMikrocontroller

Sensoren

Aktoren

.

.

.

Prozessleitrechner(Mikrorechner)

Prozessleitrechner(Mikrorechner)

Dispositions- &Visualisierungs-

rechner(Mikrorechner)

Verbindungsnetzwerk(hierarchisch oder verteilt),z.B. Feldbusse

Verbindungsnetzwerk(hierarchisch oder verteilt),z.B. Ethernet

Vor Ort räumlich entfernt

zu

automatisierendes

System

Sensor-/Aktor-ebene

Prozess-ebene

System- & Leit-ebene

Betriebs-ebene


3. Mikrocontroller

Messen, Stellen, Regeln

Realisierung schneller Vor-Ort-Meß-, Stell-, und Regeleinrichtungen

• Messen:

Erfassen von analogen und digitalen Sensordaten Umrechnung von elektrischen in physikalische Werte nach vorgegebenen Kennlinien


3. Mikrocontroller

Temperatur

[C]

Spannung [mV]

Thermofühler

Temperatur SpannungThermo-

fühler

Beispiel: Kennline eines Temperatursensors


3. Mikrocontroller

• Messen (fortg.):

Linearisierung von nichtlinearen Sensoren Korrektur von Meßfehlern, z.B. Nullpunktfehler, Temperatur- Drift, ... Datenerfassung von multiplen Sensoren (z.B. Druck, Temperatur, ...) Auswerten der erfassten Daten Datenkompression und -weiterleitung


3. Mikrocontroller

Beispiel:temperatur-kompensierteDruckmessung Mikrocontroller

Temperatur-Sensor Druck-Sensor

zum Leitrechner

TxD, RxD

AI0 AI1

VCC

PO1


3. Mikrocontroller

• Stellen:

Strom

[mA]

Temperatur [C]

Heizelement

TemperaturHeiz-

elementStrom

Linearisierung nichtlinearer Aktoren Ausgabe digitaler und analoger Steuerdaten an die Aktoren

Umrechnung von physikalischen in elektrische Werte nach vorgegebenen Kennlinien


3. Mikrocontroller

Beispiel:Ansteuerung zweier analogerAktoren

Mikrocontroller

Heizelement Schieber

zum Leitrechner

TxD, RxD

AO0 AO1


3. Mikrocontroller

Wandlungskette beim Messen und Stellen

Aufgabenbereich des Mikrocontrollers

PhysikalischeGröße

ElektrischeGröße

Digitaler Wert Korrigierterdigitaler Wert

SensorEingabe-

Schnittstelle

Kennlinienberechnung,Linearisierung,

Korrektur

PhysikalischeGröße

ElektrischeGröße

Digitaler WertKorrigierterdigitaler Wert

AktorAusgabe-

Schnittstelle

Kennlinienberechnung,Linearisierung,

Korrektur

Stellen:

Messen:


3. Mikrocontroller

Problem: Zusammenhang von elektrischer Eingangsgröße und physikalischer Ausgangsgröße oft von Störgrößen beeinflusst

Beispiel: Drehzahl eines Motors hängt von der elektrischen

Spannung und der Last ab

Lösung: Kombination von Messen und Stellen

=> Regeln


3. Mikrocontroller

• Regeln:

Messen des Istwertes

Soll-/Istwertvergleich (Regelabweichung)

Ermittlung der Stellgröße (Regelalgorithmus, z.B. P, PI, PID, Fuzzy, Neuronal, ..)

=> Rückführung (geschlossener Regelkreis)


3. Mikrocontroller

Ein Regelkreis mit einem Mikrocontroller:

Aktoren

Mikrocontroller

SensorenIstwerte

-

Regler(Regelalgorithmus,z.B. PI, PID, ...)

Regelstrecke(zu regelndes

System)Stellgrößen

Messgrößen

Sollwerte

Leit-Rechner


3. Mikrocontroller

3.2.2 Steuerung von Bedienelementen

Beispiel: Steuerung eines einfachenHandterminals

Soll-Temperatur: 20Anstiegszeit:

A

G

M

S

Y

5

+

B

H

N

T

Z

6

-

F

L

R

X

4

0

D

J

P

V

2

8

C

I

O

U

1

7

=

E

K

Q

W

3

9


3. Mikrocontroller

Realisierung:

(möglichstwenige externeKomponenten)

Mikrocontroller

zum Leitrechner

TxD, RxD

8888888888888

Tastaturmatrix

LCD-Anzeige

parallelerAusgabeport

paralleleEingabeports

serieller Port


3. Mikrocontroller

3.3 Leistungsklassen und Familien

Leistungsklasse eines Mikrocontrollers: wird vom Prozessorkern bestimmt.

Datenbusbreite ist hier ein wesentliches Merkmal

=> 8-Bit-, 16-Bit-, 32-Bit-MikrocontrollerAnmerkung: bezeichnet bei Mikrocontrollern oft nur die Breite des internen Datenbusses und der Register

Breite des Erweiterungsbusses meist schmäler


3. Mikrocontroller

Mikrocontrollerfamilie:Menge von Mikrocontrollern mit gleichem Prozessorkern, aber unterschiedlicher Peripherie und unterschiedlichem Speicher

=> Anwendungsorientierte, kostenoptimale Lösungen werden möglich


3. Mikrocontroller

Beispiel: Motorola Mikrocontrollerfamilien:

Familie Festwert-speicher(KBytes)

Schreiblese-speicher (Bytes)

Zeit-geber

(Anzahl)

SerielleE/A

(Anzahl)

AD-Wandler(Anzahl x Bit)

Takt(MHz)

Motorola8 BitMC68HC05 0 – 32 64 – 528 1 – 4 1 – 2 (2-8) x (8-12) 2 – 4MC68HC08 0 – 60 512 – 2K 6 – 8 0 – 3 (4-15) x (8-10) 4 – 8MC68HC11 0 – 32 192 – 1K 8 – 10 2 – 4 (0-10) x (8-10) 3 – 6Motorola16 BitMC68HC12 0 – 256 1K – 12K 4 – 8 2 – 6 (1-32) x (8-10) 8 – 25MC68HC16 0 – 96 2K – 4K TPU 2 – 11 (6-8) x 10 16 – 25Motorola32 BitMCore 128 – 256 8K – 32K 2 – 8 3 – 33MPC5XX 0 – 1024 26K – 36K TPU 5 – 9 (32-40) x 10 40 – 56MC683XX 0 – 8 0 – 7,5K 1 – 4, TPU 2 – 5, CP (0-16) x 10 16 – 66


3. Mikrocontroller

Mitglieder der

MC68HC11-

Familie:

A-Serie: MC68HC11Ax Grundmodell, z.B. MC68HC11A8 mit8-KByte-ROM, 256-Byte-RAM, 512-Byte-EEPROM, 8 x 8-Bit-DA-Wandler

D-Serie: MC68HC11Dx Economie-Version mit weniger Spei-cher und Peripherie

E-Serie: MC68HC11Ex Besonders flexible E/A, kombiniertesEPROM/EEPROM

F-Serie: MC68HC11Fx High-Speed Version, nicht gemulti-plexter externer 4 Mhz Bus, 1-KByte-RAM, extra E/A-Kanäle

G-Serie: MC68HC11Gx Version mit 10-Bit-DA-Wandler, ver-besserte Zeitgeber

K-Serie: MC68HC11Kx Hochleistungsversion mit hoher Ge-schwindigkeit, großem Speicher undSpeicherverwaltung

L-Serie: MC68HC11Lx Low-Power Version, großes ROM (16KBytes), statisches Design (Taktfre-quenzen bis 0 Hz)

M-Serie: MC68HC11Mx Basierend auf K-Serie, zusätzlichermathematischer Coprozessor, mehrDMA-Kanäle

P-Serie: MC68HC11Px Low-Power Version, zusätzliche serielleKanäle


3. Mikrocontroller

Mitglieder der MC683XX-Familie:

MC68302 Multi-Protokoll-Prozessor, für Kommu-nikationsaufgaben optimiert, autonomerKommunikations-Prozessor (CP)

MC68306 Economie-Prozessor, integrierter Con-troller für dynamischen Speicher

MC68307 Multi-Bus-Prozessor, unterstützt mehre-re unterschiedliche Busnormen: 68000,MCS51 (siehe Intel Mikrocontroller indiesem Abschnitt) und M-Bus

MC68328 (DragonBall) Low Power Version, integrierter LCDAnzeige-Controller

MC68EZ328 (DragonBall EZ) Verbesserte DragonBall Version, flexi-blerer LCD-Controller


3. Mikrocontroller

Mitglieder der MC683XX-Familie (fortg.):

MC68VZ328 (DragonBall VZ) DragonBall mit höherer Geschwindig-keit

MC68SZ328 (DragonBall Super VZ) Weiter erhöhte Geschwindigkeit (66MHz, 10 MIPS), integrierte DA-Wandler

MC68331 Für Steuerungsaufgaben optimierterController, umfangreiche Peripherie

MC68332 Für Steuerungsaufgaben optimierterController, gegenüber dem 68331 ver-besserter Prozessorkern und autonomerZeitgeber Coprozessor (TPU)

MC68F375 Virtuelle SpeicherverwaltungMC68376 Enthält ein CAN-Bus Protokoll ModulMC68340 Integrierte DMA-Controller


3. Mikrocontroller

Beispiel: Intel Mikrocontrollerfamilien:



Zeit-geber

(Anzahl)

SerielleE/A

(Anzahl)


Takt(MHz)

Intel8 BitMSC51 4 – 32 128 – 256 2 – 4 0 – 1 – 12 – 33MSC251 8 – 16 1K 4 1 – 2 – 16 – 24Intel16 BitMSC96 32 – 56 1K – 1,5K 3 1 – 2 (6-8) x (8-10) 20 – 50MSC296 – 2K 2 1 – 50Intel32 BitStrongARM – 24K (Cache) 3 5 – 133 – 206PXA – 64K (Cache) 3 8 – 200 – 400


3. Mikrocontroller

Namensgebung der MSC51/251 Familie:X X 8 X C X 1 XX – X

Taktfrequenz in MHz (zB. 16 = 16 MHz)Peripherie- und Speicher Ausstattung (z.B. BH oder FA oder FB oder ...)Interner Festwert-Speicher: 3 = nein, 5 = jaFestwert-Speicher Typ: 0 = keiner/ROM, 3 = ROM, 7 = EPROMGehäuse-Form: P = Plastik Dual Inline (DIP), N = Plastik Leaded Chip Carrier (PLCC)Temperatur-Bereich: leer = 0° bis 70°, T/L = -40° bis +85°, A/B = -40° bis +125°

Namensgebung MCS51 Familie

X X 8 X C 251 XX – X

Taktfrequenz in MHz (zB. 16 = 16 MHz)Peripherie- und Speicher Ausstattung (z.B. BH oder FA oder FB oder ...)Interner Festwert-Speicher Typ: 0 = keiner, 3 = ROM, 7 = EPROMGehäuse-Form: P = Plastik Dual Inline (DIP), N = Plastik Leaded Chip Carrier (PLCC) C = Keramik DIPTemperatur-Bereich: leer = 0° bis 70°, T = -40° bis +85°

Namensgebung MCS251 Familie


3. Mikrocontroller

Beispiele:

TB87C251SB-16: 251-Familie, 16 MHz, internes EPROM, Plastik DIP, -40 ... + 85 °C

TB83C251SB-16: 251-Familie, 16 MHz, internes ROM, Plastik DIP, -40 ... + 85 °C

TB80C251SB-16: 251-Familie, 16 MHz, kein interner Festwertsp.,

Plastik DIP, -40 ... + 85 °C


3. Mikrocontroller

StrongARM: ARM Version 4 RISC Prozessorkern

Vertreter: • SA110 (obsolet)

• SA1100 (obsolet)

• SA1110

PXA: ARM Version 5 RISC Prozessorkern

Vertreter: • PXA210

• PXA250


3. Mikrocontroller

Beispiel: NEC Mikrocontrollerfamilien:



Zeit-geber

(Anzahl)

SerielleE/A

(Anzahl)


Takt(MHz)

NEC8 BitK0 8 – 60 512 – 2560 4 – 7 2 – 4 (4-16) x (8-10) 5 – 8.3K0S 2 – 48 256 – 2048 3 – 6 2 – 3 (0-8) x (4-10) 4 – 8.5NEC16 BitK4 0 – 256 1K – 12K 4 – 9 4 – 5 (8-16) x (8-10) 12 – 32NEC32 BitV850S 64 – 512 4K – 24K – – – 16 – 33V850E 96 – 256 4K – 16K – – – 33 – 50


3. Mikrocontroller

Beispiel: Infineon Mikrocontrollerfamilien:



Zeit-geber

(Anzahl)

SerielleE/A

(Anzahl)


Takt(MHz)

Infineon8 BitC500 0 – 64 256 – 3328 3 – 5 1 – 2 (0-15) x (8-10) 12 – 24Infineon16 BitC166 0 – 256 1K – 11K 3 – 9 2 – 4 (0-24) x 10 20 – 40Infineon32 BitTriCore 4 – 32 72K – 1,5 M 2 – 6 4 – 5 (0-32) x 12 40 – 100

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