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Wissenswertes über Embedded Mikrocontroller

Embedded Mikrocontroller sind kleine Halbleiterchips, die über einen Prozessor und einige Peripheriefunktionen verfügen und damit die Steuerung von Anwendungen in Embedded Systems realisieren. Sie sind programmierbar und verfügen über unterschiedliche Arbeits- und Programmspeicher. Mikrocontroller werden auch als Ein-Chip-Computersystem oder System-on-a-Chip (SoC) bezeichnet.

Wie funktionieren Embedded Mikrocontroller?

Embedded Mikrocontroller sind seit den 1970er Jahren Standard, wenn es darum geht, Schaltungen und Steuerungen zu regeln, indem digitale Logik mithilfe der kleinen Halbleiterchips direkt in die Schaltungen eingebaut wird.

Häufig befinden sich mehrere Steuerchips in einem einzigen elektronischen Gerät, da bei der modularen Fertigung aus Komponenten einzelne Bauteile verschiedener Zulieferer jeweils über einen eigenen Embedded Mikrocontroller verfügen. Die Liste der Produkte, in den Embedded-Mikrocontroller vorkommen ist groß. So gut wie jede komplexe elektronische Steuerung wird heutzutage durch einen programmierbaren Halbleiterchip kontrolliert, egal ob beispielsweise im PKW, bei der Waschmaschine, bei einem Kühlschrank, einem Bügeleisen oder einem Kaffeevollautomaten.

Unser Praxistipp

‚Embedded‘ bedeutet eingebettet. Der Embedded Mikrocontroller ist das Herzstück und die Steuerzentrale eines jeden Embedded Systems. Anders gesagt: Es gibt keine Embedded-Anwendung ohne Embedded-Mikrocontroller.

Der Analogen Regelung ist Mikrocontroller-Technik in Präzision und erreichbarer Komplexität weit überlegen. Die Programmierung der lernfähigen Chips bedarf noch dazu weniger Entwicklungs-Know-How, sodass sie auch kostentechnisch die bessere Alternative darstellen.

Mikrocontroller funktionieren in den Schaltungen als Integrated Circle (IC). Sie werden an zentraler Stelle auf Leiterplatten verlötet. Die Stromversorgung von Embedded-Mikrocontrollern funktioniert meist über einen ihrer Pins, die Ableitung über einen oder mehrere Grounds. In einigen Fällen sind ESD-Schutzmaßnahmen nötig, um die kleinen Halbleiterchips nicht zu überfordern.

Die Programmierung der Chips erfolgt entweder vor oder nach der Montage. Dazu gibt es ganz unterschiedliche Herangehensweisen, die unter anderem von Kerngröße, Prozessor, Speichertyp und Peripheriehardware abhängen. Bei wirklich großen Serienfertigungen ist es möglich, die Mikrocontroller bereits programmiert vom Hersteller zu beziehen.

Was gibt es bei der Auswahl von Embedded Mikrocontrollern zu beachten?

Mithilfe der Filter in unserem Shop können Sie verschiedene Anforderungen für die Suche nach einem passenden Embedded-Mikrocontroller festlegen. Im Folgenden werden einzelne Auswahlkriterien näher erläutert.

Kerngröße

Die Kerngröße eines Mikrocontrollers gibt an, wie viel Bits der Prozessor in einer Kommandooperation verarbeiten kann und ist damit maßgeblich für die Komplexität der mit dem Mikrocontroller verarbeitungsfähigen Daten. Umso mehr Bit, umso schneller laufen die Berechnungen.

Für einfache Prozesse sind 8-Bit-Mikrocontroller nach wie vor beliebt, da sie günstig in der Herstellung sind. Außerdem gibt es Embedded-Mikrocontroller mit den Kerngrößen:

  • 16-Bit
  • 16/32-Bit
  • 32-Bit
  • 8/16-Bit

16/32-Bit und 8/16-Bit Mikrocontroller haben für Berechnungen einen Mixmodus, das heißt sie führen die komplexeren Berechnungen mit der höheren Bit-Zahl aus, während für einfache Schritte die weniger komplexe Rechenleistung belegt wird.


Anzahl I/O

Der Input und Output (I/O) von Mikrocontrollern wird über die Pins gesendet und empfangen. Durch entsprechende Programmierung übersteigt die Anzahl von Steuerungsoptionen durch den Mikrocontroller häufig die Anzahl seiner Pins.

Programmspeichertyp

Der Speichertyp des Mikrocontrollers hat Auswirkungen auf seine Programmierbarkeit. Zur Auswahl stehen:

  • FLASH: Flash ist eine Speichertechnologie mit vielen Megabyte Speicherplatz. Es ist für längeren Programmcode beliebt, da es einfach umprogrammierbar und schnell bei der Rechenleistung ist.
  • FRAM:  Flash-Ram ist ebenso wie Flash-Speicher einfach umprogrammierbar und schnell.  
  • OTP: OPT bedeutet one time programmable, also nur einmal programmierbar. Die Umprogrammierung solcher Speicher ist nicht möglich, weil die initiale Programmierung durch physische Veränderungen am Mikrocontroller realisiert wird, indem zum Beispiel durch hohe Spannungen ein Durchbrennen von Sicherungen erzielt wird.
  • ROMless: ROM bedeutet read only memory, ROM-less entsprechend das Gegenteil, also kein auslesbarer Speicher. Für ROMless-Mikrocontroller muss externer Speicherplatz zur Verfügung gestellt werden.

Peripheriegeräte

In Mikrocontroller-Chips ist oft zusätzliche Hardwareunterstützung verbaut, um die Rechenkapazität des Prozessors nicht zusätzlich zu belasten. Im Filter Peripheriegeräte können Sie aus einer Vielzahl von vielen Hardwareunterstützungs-Komponenten für eingebettete Systeme wie beispielsweise direkten Speicherzugriff, Reset-Funktionen, Soundsteuerungen und Temperatursensoren wählen.

Hardwareunterstützung gibt es für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen, da Mikrocontroller wie oben erwähnt in fast jedem elektronischen Gerät verbaut werden.

Oszillator-Typ

Mikrocontroller benötigen einen Oszillator als Taktgeber, um ihre internen Zustände zu kalkulieren. Für ihre Zuverlässigkeit sollte die Wechselspannung präzisen Vorgaben unterliegen.  

  • Extern: Mikrocontroller-Chips mit externen Oszillatoren sind in der Herstellung teurer, allerdings gelten sie gemeinhin als um Faktor 10 präziser als solche mit internem Taktgeber.
  • Intern: Interne Oszillatoren für Mikrocontroller sind in der Herstellung billiger, haben aber den Nachteil, dass sie weniger präzise arbeiten. Meist werden sie über Chip-interne Elektronik erzeugt.

Takt-Frequenz

Die Taktfrequenz eines Mikrocontrollers wird vom Oszillator des Prozessors vorgegeben und gegebenenfalls durch interne Beschaltung modifiziert, zum Beispiel um Energie zu sparen. Die Angabe erfolgt entweder in MIPS oder in MHz.
 

  • MIPS bedeutet million instructions per second und wird heute eher seltener verwendet.
  • MHz bedeutet Mega-Hertz. Die Angabe in Megahertz sagt nur indirekt etwas über die Geschwindigkeit des Prozessors im Mikrocontroller aus, denn bei modernen Mikrocontrollern haben die einzelnen Instruktionen aufgrund ihrer Komplexität oft eine unterschiedliche Ausführungszeit.

Fragen und Antworten

Sind Embedded Mikrocontroller austauschbar?

Meist werden die Pins der Mikrocontroller fest auf die Schaltung gelötet. Diese feste Verbindung zu lösen, gestaltet sich als schwierig. Aber es gibt Spezialfirmen, die sich solcher Herausforderungen annehmen. Früher hingegen war es üblich, Mikrocontroller auf Sockeln zu installieren, damit sie austauschbar sind. Aus Kostengründen ist dies heute kaum noch der Fall.

Eine Lösung für Entwicklungsumgebungen, in denen der häufige Austausch konzeptionell notwendig ist, sind IC-Sockel für Integrated Circuites, also integrierte Schaltungen, die als Fassung für Embedded-Mikorcontroller dienen können.

Diese finden Sie hier in unserem Shop. Einschränkend sei aber gesagt, dass Sockel nicht für alle Typen von Embedded-Mikrocontrollern verfügbar sind.

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