Was ist ein µC bzw. µP ?

Ohne etwas Theorie geht es leider nicht. Auch im Zusammenhang mit dem Verständnis rund um die Mikrocontroller und Mikroprozessoren muss man daher sich mit der Materie theoretisch beschäftigen. Doch ich will versuchen, dies so kurz und bündig wie möglich zuhalten.

Was ist der Unterschied zwischen einem µC und µP ?
Eigentlich sind beide sehr eng miteinander verwandt. Man könnte sagen, der Mikroprozessor (µP) ist der (Ur-)Vater des Mikrocontrollers (µC) – beide Abkürzungen werde ich hier in diesem System ständig verwenden, macht halt einiges einfacher. Grundlegend ist ein µP ein elektronischer Schaltkreis (IS bzw. englisch IC (Integrated Circuit)), der mittels einer festgelegten Abfolge (Programm/Software) feste Funktionen ausführt. Um dann diese Funktionen sowie deren Ergebnisse der Aussenwelt „bekannt“ zu machen, benötigt er weitere Bausteine: die Peripherie. Dies können ein Bildschirm, ein Drucker oder halt Steuermodule sein, die z.B direkt Maschinen und ihre Funktionen bedienen. Das „Programm“ muss ebenfalls irgendwo abgelegt sein, sowie benötigt er einen  „Arbeitsplatz“ – den Arbeitsspeicher. Hier werden dann Zwischenergebnisse sowie weitere Hilfmittel der Programme abgelegt. Man sieht, dass man neben dem eigentlichen Prozessor (µP) noch weitere Bausteine benötigt, um ein laufähiges System zu erhalten (Daneben werden noch einige Kleinigkeiten wie Taktgenerator oder Bauteile rund um den µP benötigt, welche ich hier aus Vereinfachungsgründen weggelassen habe). Ein µP ist also für sich gesehen nur ein Teil eines ganzen, komplexen Systems.

Der Weg vom µP zum µC …
Wenn man sich nun überlegt die Funktion eines µP in eine neue Schaltung zu integrieren, so bedeutet dies nicht nur den eigentlichen µP zu benutzen, sondern die Peripherie, also die weiteren Bausteine, die zum Betrieb benötigt werden, ebenfalls mit einzubauen. Dies kann bei einfachen Aufgaben recht umfangreich werden. Also überlegte man sich schon früh, bestimmte externe Komponenten direkt in den Baustein zu integrieren. Ebenfalls kann man, um die Baugröße nicht explodieren zu lassen, bestimmte Funktionsgruppen des µP´s, je nach Bedarf und Anforderung an die Anwendung, zu verkleinern oder aber gleich ganz wegzulassen. Daneben kann die Stromaufnahme und daher die Wirtschaftlichkeit hierdurch deutlich verbessert werden. Also man packt nun alle „externen“ Komponenten in den Chip mit hinein und erhält dann einen Mikrocontroller (µC). Die geplante Anwendung bestimmt die benötigten Komponenten im µC – damit kann man einerseits genau definieren, was der µC später „können“ soll, andererseits wirkt sich dies auch wieder positiv auf den Herstellungspreis aus. Auch die benötigten Programme zum Betrieb kann man mittels zusätzlicher Programmieradapter direkt einspielen und somit – bei Bedarf – für den Nutzer transparent machen. Alle Funktionen laufen halt innerhalb eines Chips ab. Hiermit wird die Ausfallrate deutlich gesenkt, aber auch der Schutz des geistigen Eigentums (Software) gewahrt – man sieht halt nichts mehr. Liegen an den Eingängen die benötigten Signale an, stehen sie später an den Ausgängen – wie aus Zauberhand – zur Verfügung. Das dies jedoch keine Zauberei ist, werden die interessierten Entwickler solcher Systeme später noch sehen.

Im Laufe der Jahre …
Die speziellen Anforderungen  haben in den letzten Jahren richtige Familien von µC entstehen lassen. Jeder Hersteller bietet halt viele verschiedene, spezialisierte µC an, die sich im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit des Prozessorkerns (Herzstück), der Speichermöglichkeiten für Programme/Arbeitsspeicher und zuletzt aber auch der Baugruppen zum Kontakt mit der Außenwelt (Schnittstellen) deutlich unterscheiden. Manche µC finden sich heute für einfache Regel/Steueraufgaben im Haushalt wieder, andere wiederum steuern ebenfalls komplexe Maschinen oder Kraftfahrzeuge, alle mit dem gleichen, ursprünglichen Prozessorkern (der ja hier auch vorhanden ist). Mittlerweile können auch aktuelle µC komplett µP-Systeme emulieren, d.h. die µC können komplette µP-Systeme ersetzen. Die fortschreitende Miniaturisierung hat hier ihr Übriges getan. Immer mehr Baugruppen passen in die „kleinen, schwarzen“ Kisten. Auch können mittels intelligenter Kombinationen moderner µC mit entsprechender Software, neue variable Systeme entwickelt werden, die die althergebrachten µP-Systeme um Längen überholen in Bezug auf Leistungsfähigkeit und Flexibilität. Diese SoC (System-on-a-Chip) sind neben den frei programmierbaren FPGA-Bausteinen (programmierbare Bausteine, wobei auch der Prozessorkern selbst vollständig definierbar ist), in Zukunft die Basis für noch leistungsfähigere Systeme. Hier ist man an keine Systemstruktur des Prozessorkerns mehr gebunden, sondern kann vielmehr mit Hilfe von definierbaren Logikgrundbausteinen (bei FPGA-Bausteinen) oder halt komplett in Software (SoC-Bausteine) den Prozessorkern selbst festlegen bzw. emulieren.

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