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 embedded 8-bit Mikrokontroller

8-bit Prozessoren für einfache Anwendung

Hier geht's zur Sache: 8-bit Prozessoren und Mikrokontroller sind die Arbeitstiere unser modernen Welt.

8-Bit Prozessoren: Die Guten, die Schlechten und wir haben die Wahl

von Bernhard Kockoth

Anfang der 80er Jahre bekamen 16-bit Prozessoren klare Leistungs- und Speichervorteile gegenüber 8-bit CPUs. So konnte der 16-bit Prozessor im Vergleich zur 8-bit Maschine in einem Arbeitsgang die doppelte Datenmenge, oder komplexere Befehle verarbeiten. Aber mit 8-bit Prozessoren wie der 100 MHz CPU von Scenix, besteht dieser Geschwindigkeitsvorteil nicht mehr.

Dann gab es den großen Addressbereich, viele 16-bit Systeme boten Addressierung weit jenseits der 64k Beschränkung der 8-bit Welt. Nun - nicht mehr. Viele Prozessoren der 8051 Familie bieten bank-switching für Megabytes externen Speichers. Moderne Compiler übernehmen die Auswahl der Speicherbereiche automatisch, so daß sich der Programmierer nicht mehr um diese low-level Details zu kümmern braucht.

Warum 8-Bit?

Bei so vielen 8-bit Prozessoren, wie soll ein Projekt eine 8-bit MCU auswählen? Meine Fragen helfen hier schnell weiter:

1. Bedienung durch Menschen oder 2. Maschine-Maschine?

1.0 Eingabe über Tastatur ist kein Auswahlkriterium, selbst einfach gestrickte 8-bit Kontroller kommen mit unseren langsamen Fingerbewegungen klar. Einzige Ausnahme: Touch-Tastatur auf TFT Flachdisplay, siehe 1.2: 1.1 Anzeige über Dot-Matrix LCD, zum Beispiel 2 Zeilen a 40 Zeichen - Dies ist die Domäne der 8- und 16-bit Controller, oft per Ansteuerung über I2C Bus Interface.
1.2 Anzeige über LCD TFT "Flachdisplay" - Hier wird oft mehr oder weniger komplexe Grafik verlangt, so daß 32-bit Kontroller mehr Möglichkeiten bieten.
1.3 Ausgabe über Audio - Dies kann durchaus von 8-bit Kontrollern gewährleistet werden doch sind 16-bit Mikros oft die leistungsfähigere Variante mit oft schon vorkonfigurierter Audio-Peripherie
2.1 Verbindung über serielle / USB 2 / Lin / CAN / I2C oder ähnliche low-speed Verbindung bis ca. 2 MBits Übertragungskapazität - 8-bit und 16-bit ist hier die ideale Lösung, die meisten 8-bit Mikros kommen mit diesen Datenmengen gut zurecht.
2.2 Verbindung über Ethernet / LVDS / USB 3 oder ähnliche high-speed Verbindung ab ca. 5 MBits Übertragungskapazität - 32-bit ist hier die ideale Lösung.

3. Zusatzfrage Low Power Betrieb

Diese Frage kann nicht einfach beantwortet werden, bis in die 90er Jahre war die Entscheidung meist zugunsten wenig leistungshungriger Controller beantwortet worden, aber heutzutage bieten selbst 32-bit Controller Betriebsmodi in denen Ambient Energy Harvesting interessant wird, sprich die Elektronik und der Mikrokontroller werden aus umgewandelter Vibration, Hitze, oder durch über Antennen aufgenommene elektromagnetische Strahlung mit Energie versorgt.

Und was ist mit 7-bit Prozessoren

Sieben Bit Prozessoren ?!? Nun, die gibt es wirklich, und die sind sogar ziemlich populär, unter dem Namen PIC - Parallel Interface Controller - von Microchip stetig weiterentwickelt, basiert diese Architektur auf einem alten General Dynamics Controller aus der Mitte der siebziger Jahre. Dieses Konzeptionsalter hinterläßt natürlich seine Spuren, so gibt es verschiedene kleine Registerbänke mit komplementären Registern in verschiedenen Bänken, so daß aus C-Source generierter Assembler Code oft aus 30 Prozent Bank-Switching besteht. Wen das nicht stört, der freut sich über die preiswerten Entwicklungstools und die einfache Inbetriebnahme einmal entwickelter Lösungen. Wenn Perl die Schweizermesser-Sprache der Informatik ist, so sind PIC die Schweizermesser-Prozessoren der Hardware Entwickler. Ohne lange zu fackeln lassen sich mit einer Handvoll PICs oft einige komplexe Bausteine ersetzen. Schnelle Bastellösungen aber auch Massenprodukte, denn neben Flash-Programmierung gibt es immer noch OTP - One Time Programmable Bausteine von Microchip.

Natürlich schlafen die Ingenieure bei Microchip nicht und so werden fleißig Netzwerkperipherie und 14-bit Prozessoren entwickelt, damit es einen Weg zu höheren Leistungen gibt, ohne diese archaische Architektur zu verlassen. Nu' mal ehrlich, 14-bits, irgend jemand?! Aber vielleicht ist dies der Grund weshalb Microchip seit Jahren führend bei einfach zu bedienenden Entwicklungslösungen ist? Letzte Entwicklung ist eine Cloud-basierte IDE, keine umständliche Installation auf den verschiedenen Host-Betriebssystemen mehr, immer die aktuelle Version zur Hand.

Neue Horizonte - von 8 auf 32-bit in 10 Wochen?!

Sie stellen ein Produkt her, in dem seit vielen Jahren ein Microcontroller, Microprozessor, oder ähnliche Programm-gesteuerte Hardware eingebaut ist. Die internationale Wettbewerbssituation verlangt von Ihrem Produkt zum einen ständige Innovation und steigenden Mehrwert für den Endnutzer, auf der anderen Seite ständig fallende Preise. Mit den bekannten Mitteln, 8- und 16-bit Prozessoren, einen Ausweg aus der Sackgasse zu finden, ist selten einfach. Einige Hersteller von Microcontrollern bieten klare Upgrade-Lösungen für eine reibungslose Migration zu effizienten 32-bit Lösungen, zumindest in Hochglanzbroschüren und PowerPoint-Präsentationen.

Im 21sten Jahrhundert allerdings ist die Hardware - der Prozessor oder Controller - in vielen System nicht mal die halbe Miete, denn immer mehr Entwicklungsaufwand muss in die Software gesteckt werden. Bei zunehmend gleicher Hardware - es gibt meist eine Handvoll Anbieter von Standardboards, die in die engere Wahl kommen - ist es die Software, die Ihr Produkt von denen der Mitbewerber unterscheidet.

Während bei Mechanik und Elektronik die qualitätsfördernden Prozesse schon seit Jahren gut eingeführt sind, und messbare Verbesserungen erzielt werden, ist dies bei der Software in auch großen Firmen oft noch ein Problemfeld.

Zwar ist die wilde Assembler-Programmierung selbst bei 8-bit Prozessoren auf dem Rückzug, aber auch standard ANSI-C wird vielen Ansprüchen nicht mehr gerecht. Effiziente Softwarearchitektur, mit Blick auf Skalierbarkeit und Sicherheit, verlangt oft nach C++, Java, und anderen mächtigen Sprachen, um Ihre Anwendung zukunftssicher zu implementieren. Diese mächtigen Sprachen oder allein die Komplexität der Endanwendung verlangen nach 32-Prozessoren, bei denen sich heutzutage das Optimum der Leistungsfähigkeit bei zunehmend geringerem Preis findet.

Wie nun zu neuen Ufern streben? Die schnelle Integration von Ihrer anwendungsbezogenen Software für Ihr Produkt auf eine neue Hardware wird mehr und mehr zum Flaschenhals, je öfter diese Hardware gewechselt wird, oder je unflexibler Ihr Software-System aufgebaut ist. Auf einen speziellen 8- oder 16-bit Controller von-Hand-optimierte Software auf den nächsten Level zu hieven, ist keine einfache Aufgabe, bei der auch die vollmundigen Migrationsversprechungen der Halbleiterhersteller wenig helfen. Sei der alte Code nun in Assembler oder C geschrieben, meist gibt es auf dem neuen Zielsystem ein Betriebssystem mit vielen neuen Fähigkeiten.

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