Ein integrierter Schaltkreis-Chip, der eine Zentraleinheit (CPU), RAM, ROM, E/A-Schnittstellen und ein Interrupt-System integriert, wird als Ein-Chip-Mikrocomputer bezeichnet. Die Mikrocomputer wurden in den 1970er und 1980er Jahren aufgrund der zunehmenden Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren populär. Einchip-Mikrocomputer haben sich von 4-Bit- und 8-Bit-Designs zu den aktuellen 300-MHz-Hochgeschwindigkeits-Einchip-Mikrocomputern entwickelt.
Geschichte des Einchip-Mikrocomputers
Der Ein-Chip-Mikrocomputer wurde erstmals in den frühen 1970er Jahren entwickelt. Die frühesten Beispiele waren der Intel 4004 und der Motorola 6800, die beide 1971 auf den Markt kamen. Diese frühen Mikrocomputer wurden in erster Linie für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen eingesetzt.
Intel 4004 – 1971er Jahre
Die Entwicklung des Mikroprozessors in den frühen 1970er Jahren ermöglichte die Herstellung von Einchip-Mikrocomputern. Der Mikroprozessor ist ein Computerprozessor, der auf einem einzigen integrierten Schaltkreis hergestellt wird. Der erste Mikroprozessor war der Intel 4004, der 1971 auf den Markt kam.
Commodore PET – 1977
Der erste serienmäßig hergestellte Ein-Chip-Mikrocomputer war der Commodore PET, der 1977 auf den Markt kam. Dem PET folgte 1978 der Apple II. Der Apple II war der erste Mikrocomputer, der für den Heimgebrauch entwickelt wurde. Bald darauf kamen weitere Heimcomputer wie der TRS-80 und der Commodore 64 auf den Markt.
Der Ein-Chip-Mikrocomputer revolutionierte die Computerindustrie. Er ist viel kleiner und kostengünstiger als frühere Computer und verbraucht weniger Strom. Dadurch eignet er sich ideal für den Einsatz in einer Vielzahl von elektronischen Geräten, darunter Autos, Haushaltsgeräte und Spielzeug.
Mit zunehmender Leistungsfähigkeit der Mikroprozessoren wurden auch die Ein-Chip-Mikrocomputer immer ausgefeilter. Sie konnten komplexere Aufgaben ausführen und wurden immer leistungsfähiger. Heute gehören Ein-Chip-Mikrocomputer zu den beliebtesten und am weitesten verbreiteten Computern der Welt.
Grundlegende Struktur
Die Grundstruktur eines Einchip-Mikrocomputers besteht in der Regel aus einer Zentraleinheit (CPU), einem Nur-Lese-Speicher (ROM), einem Arbeitsspeicher (RAM), Ein-/Ausgabe-Ports (I/O) und einem Interrupt-Controller.
- Die CPU ist das Gehirn des Mikrocomputers und für die Ausführung der Befehle eines Programms zuständig.
- Der ROM speichert die Programmbefehle, die der CPU mitteilen, was sie zu tun hat.
- Der RAM dient zur Speicherung von Daten und Programmen, auf die die CPU zugreifen und die sie ändern kann.
- Die E/A-Ports ermöglichen dem Mikrocomputer die Kommunikation mit der Außenwelt.
- Der Interrupt-Controller ist für die Verarbeitung von Interrupts zuständig, also speziellen Signalen, die anzeigen, dass ein Ereignis eingetreten ist, das die Aufmerksamkeit des Mikrocomputers erfordert.
Hauptmerkmale
- Klein und kompakt: Sie sind sehr kompakt und benötigen nur sehr wenige externe Schaltungen. Dadurch eignen sie sich gut für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot, wie beispielsweise in Handheld-Geräten oder eingebetteten Systemen.
- Relativ kostengünstig: Sie können sehr kostengünstig hergestellt werden, da alle Komponenten auf einem einzigen IC enthalten sind.
- Geringer Stromverbrauch: Sie verbrauchen in der Regel weniger Strom als herkömmliche Mikroprozessoren. Dies liegt daran, dass die einzelnen Komponenten auf dem Chip viel kleiner sind und weniger Strom für den Betrieb benötigen.
Anwendungen
Einchip-Mikrocomputer kommen in einer Vielzahl von Geräten und Anwendungen zum Einsatz. Sie werden in allen Bereichen verwendet, von Motorsteuerungssystemen in Kraftfahrzeugen bis hin zu tragbaren Unterhaltungselektronikgeräten.
Unterhaltungselektronik
Einchip-Mikrocomputer sind in vielen Unterhaltungselektronikprodukten zu finden, beispielsweise in Digitalkameras, tragbaren Medienplayern und GPS-Geräten. In diesem Fall übernehmen sie alle Funktionen eines kompletten Computers, wie beispielsweise die Verarbeitung von Daten, die Speicherung von Informationen und die Ausführung von Anwendungen.
Automobil
Ein Mikrocomputer kann zur Steuerung des Motors und des Getriebes in einem Auto verwendet werden, er verwaltet und koordiniert den Betrieb anderer Geräte im System.
Industrielle Steuerung
Einchip-Mikrocomputer werden häufig in eingebetteten Systemen verwendet, da sie klein, stromsparend und kostengünstig sind. Ein eingebettetes System ist ein Computersystem, das für die Ausführung einer oder mehrerer spezifischer Aufgaben innerhalb eines größeren Systems ausgelegt ist.
Medizinische Geräte
Einchip-Mikrocomputer werden in medizinischen Geräten immer häufiger eingesetzt, vor allem wegen der intelligenten Überwachung der körperlichen Daten von Patienten, wobei einige dieser Geräte vom Patienten getragen werden können und Daten aus dem Körper des Patienten erfassen. Diese Daten werden dann vom Steuerungssystem im Hintergrund verarbeitet.
Intel MCS 51
Der Intel MCS-51 (auch 8051 mcu genannt) ist eine 8-Bit-Mikrocontroller-Architektur, die Anfang der 1980er Jahre von Intel entwickelt wurde. Er war einer der ersten Mikrocontroller auf dem Markt und wurde aufgrund seiner vielfältigen Funktionen und geringen Kosten schnell populär. Der 8051 mcu wurde ursprünglich für den Einsatz in eingebetteten Systemen entwickelt, fand jedoch schnell Anwendung in einer Vielzahl anderer Bereiche, darunter Automobil- und Industriesteuerungen.
MCS 51 Geschichte
Der 8051 wurde ursprünglich als Controller für den neuen 8086-Prozessor von Intel entwickelt. Der 8086 war ein 16-Bit-Prozessor, was bedeutet, dass er zwei Bytes (16 Bit) Daten gleichzeitig verarbeiten konnte. Der 8051 wurde als effizientere und kostengünstigere Alternative zum 8086 für Anwendungen entwickelt, die keine zusätzliche Rechenleistung des 16-Bit-Prozessors erforderten.
Es gibt drei Versionen: den Standard-8051, den stromsparenden 8052 und den schnellen 8031. Der 8052 war identisch mit dem 8051, verfügte jedoch über einen integrierten Oszillator, wodurch weniger externe Komponenten erforderlich waren. Der 8031 wurde für Anwendungen entwickelt, die einen schnellen 8051 erforderten, und verfügte über einen integrierten Taktmultiplikator, der die interne Taktrate von 6 MHz auf 12 MHz erhöhte.
Der 8051 war sehr beliebt und wurde schnell zum Standard-Mikrocontroller für eine Vielzahl von Anwendungen. 1998 brachte Intel eine aktualisierte Version des 8051 namens MCS-51 auf den Markt. Der MCS-51 umfasste eine Reihe von Verbesserungen gegenüber dem ursprünglichen 8051, darunter mehr On-Chip-Speicher, einen erweiterten Befehlssatz und Unterstützung für höhere Taktraten.
MCS 51 Architektur
Die Logikkomponenten des MCS-51-Mikrocontrollers umfassen eine 8-Bit-CPU und einen On-Chip-Oszillator, 80514B Mask-ROM, 87514KB EPROM, 8031 kein ROM, Spezialfunktionsregister SFR128BRAM, Timer/Zähler T0 und T1, parallele E/A-Schnittstelle: P0, P1, P2, P3; serielle Schnittstelle: TXD, RXD; Interrupt-System: INT0, INT1.
Funktionen
Der 8051 verfügt über einen großen Funktionsumfang und kann für die Ausführung einer Vielzahl von Aufgaben programmiert werden.
- CPU mit 8-Bit-Datenbus und 16-Bit-Adressbus;
- Verfügt über Boolesche Verarbeitungsfähigkeit und Bitverarbeitungsfähigkeit;
- Es wird die Harvard-Struktur verwendet, und der Adressraum des Programmspeichers und des Datenspeichers sind unabhängig voneinander, was die Programmierung erleichtert;
- 64 KB Programmspeicher und 64 KB Datenspeicher an derselben Adresse;
- 0–8 KB On-Chip-Programmspeicher (8031 hat keinen, 8051 hat 4 KB, 8052 hat 8 KB, 89C55 hat 20 KB);
- 128 Byte On-Chip-Datenspeicher (8051 hat 256 Byte);
- 32 bidirektionale und bitadressierbare E/A-Leitungen;
- Zwei 16-Bit-Timer/Zähler (8052 hat 3);
- Eine Vollduplex-Seriell-E/A-Schnittstelle;
10. Die Interrupt-Struktur mehrerer Interrupt-Quellen hat zwei Interrupt-Prioritäten;
11. On-Chip-Taktoszillator.
