Grundlagen der Mikrocomputer und Mikrocontroller

Grundlagen der Mikrocomputer

Ein Programm ist eine Reihe von Anweisungen oder Befehlen, die dem Mikrocomputer vorgeben, was er von Augenblick zu Augenblick zu tun hat. Eine Anweisung ist ein Auftrag an die Maschine, der in zwei Teile unterteilt ist: Opcodes (Befehlscode) und Operanden.

Aufbau eines mikrocomputerbasierten Systems

Ein mikroprozessorgestützter Computer besteht im Wesentlichen aus folgenden Teilen:

• Mikroprozessor (CPU): Das Gehirn des Mikrocomputers. Er führt alle arithmetischen und logischen Operationen aus und steuert das System.
• Hauptspeicher: Besteht aus RAM, ROM, PROM, EPROM etc. Seine Hauptfunktion ist das Speichern von Programmen und Daten.
• Input-Peripherie: Elemente, die dem Benutzer die Dateneingabe ermöglichen (z. B. Tastatur).
• Output-Peripherie: Geräte, die Daten vom Computer an den Benutzer ausgeben (z. B. Monitor).
• Schnittstellen (I/O): Schaltungen zur Verbindung von Peripheriegeräten mit dem Mikroprozessor oder Hauptspeicher.

Bussysteme

Busse sind parallele elektrische Leitungen, die die Kommunikation zwischen der CPU und anderen Geräten ermöglichen:

• Datenbus: Überträgt Datenwörter (meist Vielfache von 8 Bit). Er ist bidirektional.
• Adressbus: Dient zur Auswahl von Speicherzellen oder Schnittstellen. Er wird primär von der CPU gesteuert.
• Control Bus: Überträgt Steuersignale wie Versorgungsspannungen oder Interrupts.

Architekturkonzepte

Von-Neumann-Architektur

Bei der Von-Neumann-Architektur sind CPU und Speicher über einen gemeinsamen Bus verbunden. Dies führt zu einem Flaschenhals, da Daten und Befehle denselben Pfad nutzen.

Harvard-Architektur

Die Harvard-Architektur verwendet zwei getrennte Speicher und Busse für Programm- und Datenspeicher. Dies ermöglicht eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit, da Zugriffe gleichzeitig erfolgen können.

Mikrocontroller (PIC-Serie)

Ein Mikrocontroller integriert alle Elemente eines Mikrocomputers (CPU, Speicher, I/O) auf einem einzigen Chip. Die PIC-Mikrocontroller basieren auf der Harvard-Architektur.

Wichtige Merkmale

• Taktsystem: Synchronisiert den Betrieb des Systems.
• Timer: Zur Zeitsteuerung.
• Watchdog-Timer: Löst einen Reset bei Programmblockaden aus.
• AD/DA-Wandler: Zur Verarbeitung analoger Signale.
• Idle-Modus: Energiesparmodus.

Speicherorganisation

Der interne Speicher ist in Programmspeicher und Datenspeicher unterteilt. Der Program Counter (PC) enthält die Adresse der nächsten auszuführenden Anweisung. Der Stapel (Stack) dient zur automatischen Speicherung von Rücksprungadressen bei Unterprogrammen.

Status-Register

Das Status-Register enthält wichtige Flags:

• C (Carry): Übertrag bei Additionen.
• DC (Digit Carry): Übertrag des vierten Bits.
• Z (Zero): Zeigt an, ob das Ergebnis Null war.
• PD (Power Down): Status des Stromsparmodus.
• TO (Time-Out): Status des Watchdog-Timers.