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Letzte Änderung:
22.09.2021

 Embedded Systems
 mit 8-, 32- und 64-Bit-Mikrocontrollern

Für die richtige Wahl eines Mikrocontrollers sind vielerlei technische Aspekte zu beachten: die benötigte Performance der Anwendung, Speicherbedarf, Peripherie, Schnittstellen, Stromverbrauch und in immer stärkerem Ausmaß die verfügbaren Entwicklungswerkzeuge. Häufig soll auch eine bereits bestehende Software wiederverwendet oder weiterentwickelt werden.

Ich unterstütze meine Kunden bei der Wahl der richtigen Plattform und entwickle nach dem V-Modell die Software für die im Embedded-Bereich gängigsten Mikrocontroller und -prozessoren.

Ich biete Software-Lösungen und Konzepte zum Beispiel für ARM Cortex, 8051er-Mikrocontroller, Atmel AVR, Intel x86-/Atom-Prozessoren und PowerPC, wobei derzeit die Kombination ARM Cortex und Embedded Linux der absolute Favorit meiner Auftraggeber ist.

 32 Bit: Mikrocontroller mit ARM-Core

Mikrocontroller mit ARM7TDMI-Core aus dem Jahr 1993

ARM ist eine Familie von RISC-Architekturen für Computerprozessoren, die für verschiedene Umgebungen konfiguriert sind.

Arm Ltd. entwickelt die Architektur und lizenziert sie an andere Unternehmen, die ihre eigenen Produkte entwerfen, die eine dieser Architekturen implementieren - einschließlich von Systems-on-Chips und Systems-on-Modules, die verschiedene Komponenten wie Speicher und Schnittstellen enthalten.

ARM entwirft auch Cores, die diesen Befehlssatz implementieren, und lizenziert die Designs an eine Reihe von Unternehmen, die die Core-Designs in eigene Produkte einbinden.

Der ursprüngliche ARM1 verwendete eine interne 32-Bit-Struktur, hatte aber nur einen 26-Bit-Adressraum, der ihn auf 64 MB Hauptspeicher begrenzte. Diese Beschränkung wurde in der ARMv3-Serie aufgehoben, die einen 32-Bit-Adressraum hat. Die weiteren Generationen bis zum ARMv7 blieben bei 32 Bit.

2011 wurde die ARMv8-A-Architektur veröffentlicht, die mit ihrem neuen 32-Bit-Befehlssatz mit fester Länge Unterstützung für einen 64-Bit-Adressraum und -Arithmetik bietet. Im März 2021 hat ARM die ARMv9-A-Architektur angekündigt.

ARM hat eine Reihe zusätzlicher Befehlssätze veröffentlicht. Die Thumb-Erweiterung fügt sowohl 32- als auch 16-Bit-Befehle für eine verbesserte Codedichte hinzu, während Jazelle Befehle für die direkte Verarbeitung von Java-Bytecodes und seit kurzem auch von Javascript enthält. Zu den neueren Änderungen gehört die Ergänzung von simultanem Multithreading (SMT) für eine verbesserte Leistung oder Fehlertoleranz.

Aufgrund ihrer geringen Kosten, des minimalen Stromverbrauchs und der geringeren Wärmeentwicklung sind ARM-Prozessoren für leichte, tragbare, batteriebetriebene Geräte wie Smartphones, Laptops und Tablet-Computer sowie für andere eingebettete Systeme gut geeignet. Mit mehr als 180 Milliarden produzierten ARM-Chips (Stand 2021) ist ARM die am weitesten verbreitete Befehlssatzarchitektur. Derzeit sind die weit verbreiteten Cortex-Kerne, ältere klassische Kerne und spezialisierte SecurCore-Kerne in Varianten erhältlich.

 8-Bit-Mikrocontroller: 8051er, AVR & Co.

Immer noch beliebt:
Mikrocontroller der 8051er-Familie

Heute sind 8051er immer noch erhältlich, aber sie werden meist als Silizium-IP-Cores verwendet, die in Form von Hardware-Beschreibungssprachen (wie VHDL oder Verilog) oder FPGA-Netzlisten erhältlich sind und typischerweise in eingebettete Systeme integriert werden, die von USB-Sticks über Waschmaschinen bis hin zu komplexen drahtlosen Kommunikationssystemen auf einem Chip reichen.

Designer verwenden 8051-Silizium-IP-Cores aufgrund der geringeren Größe und des geringeren Stromverbrauchs im Vergleich zu 32-Bit-Prozessoren wie ARM Cortex-M-Serie oder MIPS. Moderne 8051-Cores sind schneller als frühere Versionen. Designverbesserungen haben die Leistung des 8051 erhöht, während die Kompatibilität mit dem ursprünglichen MCS 51-Befehlssatz erhalten blieb.

Der ursprüngliche Intel 8051 lief mit 12 Taktzyklen pro Maschinenzyklus, und die meisten Anweisungen wurden in einem oder zwei Maschinenzyklen ausgeführt. Eine typische maximale Taktfrequenz von 12 MHz bedeutete, dass diese alten 8051er eine Million Einzelzyklus-Befehle oder 500.000 Zwei-Zyklus-Befehle pro Sekunde ausführen konnten. Im Gegensatz dazu laufen verbesserte 8051-Silizium-IP-Cores heute mit einem Taktzyklus pro Maschinenzyklus und haben Taktfrequenzen von bis zu 450 MHz. Das bedeutet, dass ein 8051-kompatibler Prozessor heute 450 Millionen Befehle pro Sekunde ausführen kann.

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Dipl.-Inf. Olaf Barheine, Freiberufler, Freelancer, IT-Consultant, Software-Entwickler

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