Mikrocontrollertechnik mit AVR

Programmierung in Assembler und C – Schaltungen und Anwendungen

Günter Schmitt, Andreas Riedenauer, Regine Schmitt

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2019
• ISBN:
  9783110636888
• Auflage: 6
• Thema: Informatik
• Thema: Informatik Allgemein

Mikrocontroller sind in der modernen Welt allgegenwärtig und ihrer Verbreitung wird weiteres stetiges Wachstum vorausgesagt. Fundierte Kenntnisse zu deren Aufbau, Funktionsweise und Programmierung vermittelt dieses Buch in praxisnaher Weise. Über 200 Beispiele, die auch auf den Internetseiten des Verlags zum Download bereit stehen, basieren auf der beliebten Familie der AVR 8-Bit Mikrocontroller von Atmel, die unter anderem durch das Arduino-Projekt weit verbreitet sind. Diese Controller eignen sich nicht zuletzt wegen ihres übersichtlichen Aufbaus und ihrer modernen HARVARD-RISC-Struktur hervorragend zur Einführung in die Thematik.

Alle praktischen Beispiele wurden für die vorliegende neu bearbeitete Auflage an die aktuellen Software-Tools des Herstellers angepasst. Als IDE kommt das uneingeschränkte, kostenfreie Atmel Studio7 zum Einsatz, als Hardware Basis dient das für ca. 10, - Euro erhältliche Xplained Mini Kit, das nicht nur den Controller, sondern auch die Programmier- und Debug-Hardware enthält. Darüber hinaus enthält das Buch Tipps zur Verwendung des Arduino-Boards unter Atmel Studio7 sowie zum Umstieg auf diese Entwicklungsumgebung.

Der Titel richtet sich an Studierende der Elektrotechnik und verwandter Studiengänge, Entwickler in der Industrie sowie ambitionierte Hobbyelektroniker.

1 Einführung

Bis vor einigen Jahren gab es in der Welt der Computer hauptsächlich zwei Anwendungsbereiche: Personalcomputer (PC) mit einem Mikroprozessor als Kernelement und auf Mikrocontrollern basierende Gerätesteuerungen (Embedded Systems). Doch beide Bereiche überlappen einander zunehmend: zum einen verschwimmen die Grenzen zwischen PC und „frei“ programmierbaren Geräten wie Smartphones und Spielekonsolen, zum anderen werden in eingebetteten Systemen vermehrt leistungsfähige Prozessoren eingesetzt. Dem Trend zur Digitalisierung folgt die Vernetzung der Geräte (Internet of Things, IoT).

Entsprechend dem hohen Marktanteil der Mikrocontroller gibt es viele Hersteller, die „Familien“ entwickeln und vertreiben. Sie reichen von einfachen 4 Bit Controllern für beispielsweise Fahrradcomputer bis zu 32-Bit Bausteinen für moderne Mobilfunkgeräte. Eine Familie umfasst mehrere Bausteine mit gleichem Befehls- und Registersatz, die sich jedoch in der Ausführung der Peripherieeinheiten und in der Speichergröße unterscheiden.

Dieses Buch basiert auf den 8-Bit AVR Controllern der Firma Microchip (früher Atmel). Warum diese Wahl und nicht ein 32-Bit Cortex M Controller? 8-Bit Mikrocontroller sind vom Aufbau her deutlich weniger komplex als 32-Bit Controller. Insbesondere die sehr weit verbreiteten AVRs zeichnen sich durch eine über alle Derivate hinweg übersichtliche Struktur aus, was dem Anliegen dieses Buches, praxistaugliche Grundlagen zu vermitteln, sehr entgegenkommt. Darüber hinaus sind diese Bauteile alles andere als veraltet: laut Studien wird weltweit der Bedarf an 8-Bit Mikrocontrollern auch in den nächsten Jahren weiterhin wachsen, und zwar ausgehend von einem bereits sehr hohen Niveau. Gerade bei den AVRs sind daher viele Neuentwicklungen in Planung – ideal für die erwarteten künftigen Anwendungen in Bereichen wie IoT, Sensorik, Wearables, Smart Home etc.

Zur Arbeit mit diesem Buch: Natürlich ist es Ihnen überlassen, ob Sie das Buch zunächst überfliegen, es gleich von Anfang bis Ende durcharbeiten, einige Kapitel überspringen oder auch erst einmal ein Beispielprogramm auf einem Eval-Board zum Laufen bringen möchten. Den größten Gewinn werden Sie aber erzielen, wenn Sie irgendwann alle Teile aufmerksam lesen und nachvollziehen. Bitte übergehen Sie nicht die Aufgaben in den Grundlagenkapiteln! Es ist Absicht, Sie hier ein wenig zu fordern und es ist absolut kein Grund zur Sorge, wenn Sie sich nicht immer leichttun oder auch einmal gar keine Lösung finden. Aber bitte denken Sie zunächst nach und lassen Sie sich dazu etwas Zeit, bevor Sie in die Lösungen schauen. Diese enthalten ergänzenden Lernstoff, der nicht in jedem Fall auch an anderer Stelle im Buch steht. Auch sind in einigen Fällen über den Lösungsvorschlag hinaus weitere richtige Antworten möglich.

Und nun viel Spaß und Erfolg bei der Arbeit mit diesem Buch!

1.1 Grundlagen

1.1.1 Rechnerstrukturen

So verschieden wie die Anwendungsgebiete digitaler Rechner sind auch die Merkmale, anhand derer eine Klassifizierung vorgenommen werden kann. Im hier betrachteten Bereich der Mikrocontroller spielen dabei insbesondere zwei Begriffspaare eine herausragende Rolle:

• Von-Neumann-Struktur versus Harvard-Struktur
• CISC versus RISC Architektur

Bei klassischer Von-Neumann-Struktur nach Abbildung 1-1 (links) liegen Befehle und Daten in einem gemeinsamen Speicher und werden über denselben Bus übertragen. Die durch ­Befehlsadressen über den einzigen Adressbus ausgewählten Befehle gelangen über den Daten- und Befehlsbus in das Steuerwerk, wo sie in Steuersignale umgesetzt werden. Die durch Datenadressen über denselben Adressbus ausgewählten Daten werden zum und vom Rechenwerk übertragen.

Abbildung 1-1: Rechnerarchitekturen.

Periphere Schnittstellen zur Übertragung digitaler und analoger Signale zwischen Prozessor und externen Einheiten werden bei der reinen Von-Neumann-­Architektur über den Adressbus ausgewählt und über den Daten- und Befehlsbus beschrieben und gelesen.

Bei der Harvard-Struktur nach Abbildung 1-1 (rechts) liegen Befehle und Daten in getrennten Speichern mit jeweils eigenem Adressbus. Es gibt dementsprechend einen Bus für Befehle und einen für Daten.

Die Peripherie-Einheiten sind im Adressbereich der Daten angesiedelt oder werden über Portadressen angesprochen.

CISC steht für Complex Instruction Set Computer. Die Idee dahinter ist, viele Befehle zu implementieren, die jeweils möglichst umfangreiche Aufgaben erledigen. Solche komplexen Maschinenbefehle setzen sich zumeist wiederum aus Sub-Befehlen zusammen, die Mikrobefehle genannt werden. Mikroprogrammsteuerwerke führen pro Maschinenbefehl meist mehrere Mikrobefehle nacheinander aus.

Bei der RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computer) dagegen werden die Maschinenbefehle direkt in Form von Logikschaltungen umgesetzt. Echte RISC-Rechner können nur wenige und vergleichsweise einfache Befehle ausführen, dieses aber sehr schnell.

Aufgabe 1:

Überlegen Sie, bevor Sie weiterlesen, welche Vor- und Nachteile Von-Neumann-­Struktur und Harvard-Struktur jeweils haben könnten. Tipp: John von Neumann entwickelte die nach ihm benannte Rechnerarchitektur während der Frühphase des beginnenden Computerzeitalters, als Rechenanlagen noch mit Relais und später mit Elektronenröhren bestückt waren und ganze Säle für sich beanspruchten. Außerdem galt er als herausragender Genius.

Aufgabe 2:

Bei RISC-Rechnern müssen komplexe Aufgaben, für die es bei CISC eigene Befehle gibt, aus mehreren Befehlen des RISC Befehlssatzes zusammengebaut werden. Haben dann RISC Architekturen überhaupt Vorteile gegenüber CISC Rechnern?

Aufgabe 3:

Können Sie sich Mischformen der genannten Architekturen vorstellen, die zumindest teilweise die Vorteile beider Varianten miteinander kombinieren?

Antwort zu Aufgabe 1:

Vorteile der Von Neumann Architektur:

• Der Aufbau ist einfacher, da weniger Busse und Adressiereinheiten nötig sind.
• Der Speicher kann flexibler zwischen Programm und Daten aufgeteilt werden. Speicherplatz war in der Frühzeit der Computertechnik sehr teuer.
• Von Neumann erstrebte Programme, die ihren eigenen Code verändern können sollten – natürlich in Hinsicht auf eine Verbesserung. Das sieht man heute kritischer.

Vorteile der Harvard-Architektur:

• Programme und Daten sind prinzipiell getrennt, so dass ein versehentliches oder absichtliches Überschreiben des Befehlsbereichs aus dem Programm heraus mit einfachen Hardware-Maßnahmen verhindert werden kann.
• Getrennte Busse für Befehle und Daten sowie für die jeweiligen Adressen ermöglichen gleichzeitige...

Inhaltsverzeichnis

• Title Page
• Copyright
• Contents
• Vorwort zur 6. Auflage 2019
• Vorwort zur 5. Auflage 2010 (leicht gekürzt )
• 1 Einführung
• 2 Assemblerprogrammierung
• 3 C-Programmierung
• 4 Die Peripherie
• 5 Der Boot-Programmspeicher
• 6 Schaltungstechnik
• 7 Projekte
• 8 Atmel Studio7
• 9 ARDUINO Boards und Atmel Studio7
• 10 AVR Familien und Versionen
• 11 Anhang
• Register