Computer sind aus unserer modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Sie umgeben uns nicht nur in Gestalt von PCs, Laptops oder Tablets: Wir tragen sie als Smartphones in der Hosentasche, sie stecken in unseren Autos, in Spül- und Waschmaschinen, in der Heizungssteuerung, in E-Bikes und in Kaffeeautomaten.
Jahr für Jahr werden sie leistungsfähiger und zugleich immer kleiner und kompakter. Damit nehmen auch ihre Einsatzfelder zu, denn sie können nun auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten und als „eingebettete Systeme“ (embedded systems) in diese integriert werden. Sie erfassen und „vermessen“ mit Sensoren ihre Umgebung und steuern Motoren, LEDs oder andere Aktoren. Durch moderne Funk-Kommunikationstechniken wie WLAN oder Bluetooth können sie miteinander vernetzt werden und Daten untereinander oder mit einer Steuerzentrale austauschen.
Wie aber funktionieren solche eingebetteten Systeme und ihr jeweiliges „Herzstück“, der Mikroprozessor? Was ist ein Mikrocontroller und wie werden damit Sensordaten erfasst und ausgewertet? Wie steuert man mobile Systeme, z. B. Roboter oder Fahrzeuge? Wie können die Systeme miteinander kommunizieren und Daten austauschen?
In dieser Lerneinheit steht das Verständnis von Mikrocontrollern und deren Einsatz im Zentrum. Es werden die zentralen Grundlagen erläutert und in deren praktische Umsetzung in den Übungen (Aufgaben) vertieft. Dabei werden verschiedene wichtige Einsatzbereiche von Mikrocontrollern vorgestellt: Messung, Kommunikation, Codierung und Verschlüsselung, Steuerung und Regelung, Robotik und autonomes Fahren.
Definition
Unter einem Mikrocontroller versteht man ein Steuerungssystem aus einem Mikroprozessor und einer Anzahl Ein- und Ausgänge. An den Eingängen werden Sensoren oder Speicher angeschlossen, an den Ausgängen Aktoren wie beispielsweise Motoren, LEDs oder Displays. Mikrocontroller verfügen über einen flüchtigen Arbeitsspeicher (RAM), der beim Ausschalten gelöscht wird, und meist auch über ein EEPROM, in dem Programme und Daten dauerhaft gespeichert werden können. Im Unterschied zu Laptops und PCs gibt es weder eine Tastatur als Eingabe- noch einen Bildschirm als Ausgabe-Einheit; diese müssen separat angesteuert werden.
Bekannte und verbreitete Vertreter solcher Mikrocontroller sind z. B. der Arduino, der BBC micro:bit, der Calliope Mini und der TXT Controller von fischertechnik.
Das Herzstück des Mikrocontrollers ist ein Mikroprozessor. Für sich betrachtet ist ein Mikroprozessor ein Integrierter Schaltkreis (IC), der aus einem (temporären) Speicher – Random Access Memory (RAM) genannt – Befehle und Daten in die Register des IC lädt, in einer Recheneinheit verarbeitet und das Ergebnis wieder im RAM ablegt. Ein Mikroprozessor besteht im Wesentlichen aus Transistoren – elektronischen „Schaltern“, die genau zwei Zustände kennen: „Ein“ und „Aus“. Mit diesen Transistoren lassen sich logische Schaltungen konstruieren wie „Und“-, „Oder“- und „Nicht“-Verknüpfungen. Die Ergebnisse werden in einen „Flipflop“, einem stabilen Wechsel-Schalter gespeichert (Näheres dazu im Education-Kasten „Electronics“).
Ein Quarz gibt dem Mikroprozessor den Takt vor, also die Geschwindigkeit, in der der Mikroprozessor die Befehle und internen Rechenschritte abarbeitet. Die Befehle werden in einem (je nach Mikroprozessor-Typ unterschiedlichen) Maschinencode angegeben und bestehen aus einem Kommando (bspw. „addiere zwei Werte“) und, je nach Befehl, mehreren Parametern (bspw. den beiden zu addierenden Werten oder den Registern, in denen die Werte gespeichert sind).
Die Leistung des Mikroprozessors wird bestimmt durch die Taktgeschwindigkeit, die Datenbreite in Bit (die angibt, wie groß die Adressen und Werte sein dürfen, die die Mikroprozessorbefehle in einem Schritt verarbeiten können) und dem Maschinencode selbst: Je komplexer die Befehle, die der IC ausführen kann, desto schneller in der Regel die Datenverarbeitung. Zur Beschleunigung der Zugriffe auf das RAM enthalten viele Mikroprozessoren heute einen eigenen Cache-Speicher, in dem sie Befehle und Daten während der Verarbeitung zwischenspeichern.
Die heute in Laptops und PCs eingesetzten Mikroprozessoren können 64 bit lange Daten (Werte, RAM-Adressen) verarbeiten, enthalten mehrere Milliarden Transistoren und werden mit mehreren GHz (Milliarden Schwingungen pro Sekunde) getaktet. Sie können sich die Arbeit teilen („Multi-Core“) und verfügen über viele Megabyte große Cache-Speicher. In Mikrocontrollern werden heute meist Mikroprozessoren mit einer Wortbreite von 32 bit und einer Taktfrequenz unter einem GHz genutzt – das ist bei Weitem ausreichend für die Aufgaben eines Mikrocontrollers.
Historie
Seit der Antike experimentieren die Menschen mit Automaten – Konstruktionen, die, angetrieben von Luft oder Wasserkraft, selbständig Arbeiten verrichten, vorgegebene Bewegungsabläufe auf Kommando ablaufen lassen oder auch Musik erzeugen. Im 15. Jahrhundert n. Chr. konstruierte Leonardo da Vinci (1452-1519) zahlreiche Maschinen, die in Theatern und Fürstenhöfen Volk und Adel beeindruckten. Wolfgang von Kempelen (1734-1804) baute 1791 einen funktionsfähigen Sprachsyntheseapparat. Als erster „programmierbarer Automat“ gilt die 1805 von Joseph-Marie Jacquard (1752–1834) entwickelte Lochkartensteuerung für mechanische Webstühle.
Der Durchbruch für die Entwicklung flexibel einsetzbarer Steuerungen gelang jedoch erst mit der Entwicklung des Computers. Durch die Erfindung des Integrierten Schaltkreises (IC) im Jahr 1958/1959 durch Jack Kilby (1923-2005) und Robert Noyce (1927-1990) und die Entwicklung des Mikroprozessors im Jahr 1971, erfunden und patentiert von Ingenieuren der Firma Texas Instruments, wurden sehr flexible, leichte, schnelle und verschleißfreie, vor allem aber programmierbare Steuerungen möglich. Der erste Mikroprozessor, der TMS1000, enthielt 8.000 Transistoren. Die Zahl der Transistoren eines Mikroprozessors verdoppelt sich seitdem etwa alle 18 Monate. Diese Entwicklung wird auch nach Gordon Moore (*1929), der diesen Zusammenhang 1965 aus der Weiterentwicklung von ICs in den vorausgegangenen Jahren ableitete, „Mooresches Gesetz“ genannt. Heutige Mikroprozessoren bestehen aus mehreren Milliarden Transistoren – und sind dabei kaum größer als der TMS1000.
