Grundlagen der Mikroprozessortechnik und SPS

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

Firmware-Systeme basieren auf einem Mikrocontroller-Chip, der Power-Control-Systeme wie Schütze oder Relais steuert. Sie dienen der Automatisierung und Steuerung von Maschinen.

Kleine Automatisierungssysteme

Diese Systeme werden durch Mikroprozessoren, Mikrocontroller und PIC-Mikrocontroller geregelt. Anwendungen finden sich in beleuchteten Zeichen, programmierbaren Taschenrechnern, kleinen Alarmanlagen und mehr.

Aufbau der CPU

Die CPU (Central Processing Unit) umfasst folgende Elemente:

• Processing Unit: Bestehend aus der arithmetisch-logischen Einheit (ALU).
• Steuereinheit: Zuständig für Decodierung und Interpretation.
• Speicher und Register: Zur Datenhaltung.
• Programmzähler: Zur Verwaltung des Programmablaufs.

Die Processing Unit

In diesem Bereich werden arithmetische und logische Operationen mit Daten aus dem Hauptspeicher oder den Registern ausgeführt. Zudem steuert sie die Datenübermittlung. Sie umfasst:

• Arithmetic Logic Unit (ALU): Führt Berechnungen durch.
• Speicher: Interner Speicher des Mikroprozessors zur temporären Ablage von Zwischenergebnissen.
• Status-Register: Speichert den Zustand der Operationen.

Register und Datenspeicherung

Register bestehen aus bistabilen Kippstufen, die Informationen für einen bestimmten Zeitraum speichern können. Die Registerlänge wird durch die Anzahl der bistabilen Elemente bestimmt. Alle Operationen werden über den Speicher geführt, wobei das Ergebnis im Akkumulator abgelegt wird.

Die Control Unit (Steuereinheit)

Sie ist das Herzstück des Mikroprozessors und für den gesamten Betrieb verantwortlich. Sie enthält:

• Programmzähler
• Befehlsregister
• Befehlsdecoder
• Taktgeber (Uhr)
• Sequenzer

Zusätzlich enthält die Steuereinheit interne Register für Anweisungen, Daten, Hilfsregister und den Stack Pointer (SP).

Der Taktgeber (Clock)

Der Taktgeber erzeugt alle notwendigen Signale zur Steuerung der Systemblöcke und synchronisiert das gesamte System durch ein konstantes Rechtecksignal, das von einem Quarz generiert wird.

Die Frequenz dieses Taktes wird in MHz gemessen und bestimmt die Arbeitsgeschwindigkeit des Mikroprozessors. Die Periodendauer dieses Taktes wird als Taktzyklus bezeichnet.