Komponenten eingebetteter Hardwaresysteme: Prozessor, Speicher (RAM/ROM), E/A-Geräte, Analog-/Digital-Wandler (A/D, D/A), Kommunikationsmodule, Leistungsmodule. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Einführung in die Kerneinheit eingebetteter Hardwaresysteme: den Prozessor.
Arten von eingebetteten Prozessoren
Mikrosteuergerät (MCU)
Eingebettete Mikrocontroller, auch als Einchip-Mikrocontroller bekannt, integrieren das gesamte Computersystem auf einem einzigen Chip. Sie verfügen in der Regel über einen Mikroprozessorkern und integrieren verschiedene notwendige Funktionskomponenten und Peripheriegeräte innerhalb des Chips, wie z. B. ROM, EPROM, RAM, Busse, Buslogik, Timer, Zähler, Watchdogs, E/A-Ports, serielle Ports, Pulsweitenmodulationsausgänge, A/D-Wandler, D/A-Wandler, Flash-RAM, EEPROM und mehr.
MCUs werden häufig in Steuerungssystemen eingesetzt, beispielsweise in der Flugsteuerung von Drohnen, der Fahrwerkssteuerung von Roboterstaubsaugern und dem ABS in Automobilen, vor allem zur Ausführung von Aufgaben.
DSPs sind Chips, die für die digitale Signalverarbeitung entwickelt wurden und für ihre hohe Geschwindigkeit, Flexibilität und ihren geringen Stromverbrauch bekannt sind. Sie verwenden eine verbesserte Harvard-Architektur, die Programm- und Datenspeicher trennt, und enthalten oft Hardware-Multiplikatoren. Im digitalen Zeitalter spielen DSPs eine zentrale Rolle in der Kommunikation, in der Datenverarbeitung und in Unterhaltungselektronikprodukten.
DSP-Prozessoren sind speziell für Echtzeit-Aufgaben der digitalen Signalverarbeitung konzipiert, und DSP-Algorithmen werden zunehmend in den Embedded-Bereich integriert, wobei der Übergang von der Implementierung von DSP-Funktionen mit regulären Befehlen in allgemeinen Mikrocontrollern zur Verwendung von eingebetteten DSP-Prozessoren stattfindet.
Mikroprozessoreinheit (MPU)
Die MPU integriert sowohl die Recheneinheit als auch den Controller auf einem einzigen Chip. Die Recheneinheit führt in erster Linie arithmetische und logische Operationen aus, während der Controller die Programmausführung steuert, einschließlich Befehlssteuerung, Zeitsteuerung und Betriebssteuerung. Er ruft Befehle aus dem Hauptspeicher ab, bestimmt die Position des nächsten Befehls im Speicher, decodiert Befehle, erzeugt Steuersignale und verwaltet den Datenfluss zwischen CPU, Hauptspeicher und Ein-/Ausgabegeräten.
Eingebettete Mikroprozessoren verwenden verbesserte Allzweck-Mikroprozessoren. Aufgrund ihrer typischen Verwendung in rauen Umgebungen stellen eingebettete Mikroprozessoren im Vergleich zu Standard-Allzweck-Mikroprozessoren höhere Anforderungen an die Betriebstemperatur, die elektromagnetische Verträglichkeit und die Zuverlässigkeit.
SoC kann als ein Chip verstanden werden, der einen generischen Mikroprozessorkern mit verschiedenen IP-Blöcken (Intellectual Property) und Peripheriegeräten kombiniert und verschiedene Module zu einem Chip auf Systemebene zusammenfasst. SoC kann integrierten RAM/ROM sowie die leistungsstarken Funktionen einer MPU enthalten und bildet so einen dedizierten integrierten Schaltkreis, der auf bestimmte Zwecke zugeschnitten ist.
ARM-Embedded-Prozessoren
ARM-Prozessoren wurden von dem britischen Unternehmen Acorn Limited entwickelt und sind für ihre stromsparende und kostengünstige RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computer) bekannt. ARM-Prozessoren sind von Haus aus 32-Bit-Designs, verfügen jedoch auch über einen 16-Bit-Befehlssatz, der im Vergleich zu einem gleichwertigen 32-Bit-Code in der Regel eine Reduzierung der Codegröße um bis zu 35 % ermöglicht, wobei alle Vorteile eines 32-Bit-Systems erhalten bleiben.
ARM-Prozessoren werden in fünf Klassen unterteilt: klassische ARM-Prozessoren, ARM Cortex Embedded-Prozessoren, ARM Cortex Echtzeit-Embedded-Prozessoren, ARM Cortex Anwendungsprozessoren und ARM Expert-Prozessoren.
ARM Cortex-Prozessoren
Die Cortex-A-Serie (A = Application) wurde für High-End-Anwendungen mit hohen Taktfrequenzen, ausgezeichneter Leistung und angemessenem Stromverbrauch entwickelt. Die Modelle A5 bis A15 sind 32-Bit-Modelle, während A53 bis A57 64-Bit-Versionen sind. Diese sind als ARM Cortex-Anwendungsprozessoren bekannt.
Cortex-R (R = Real Time) Serie, speziell für Echtzeit-Steuerungsanwendungen mit schnellen Reaktionszeiten, angemessener Leistung und geringem Stromverbrauch. Diese sind als ARM Cortex Echtzeit-Embedded-Prozessoren bekannt.
Die Cortex-M-Serie (M = Microcontroller) ist für Mikrocontroller-Anwendungen mit hoher Kosteneffizienz, niedrigen Kosten und minimalem Stromverbrauch vorgesehen. Diese sind als ARM Cortex Embedded-Prozessoren bekannt.
Im Allgemeinen werden die -R-Serie und die -M-Serie als Embedded-Cortex-Prozessoren bezeichnet. Prozessoren, die speziell für Smartcard-Anwendungen entwickelt wurden und bei denen Sicherheit und Zuverlässigkeit im Vordergrund stehen, werden als Security Expert Processors oder Expert Processors (SecurCore) bezeichnet. Dazu gehören drei Serien: SC000 auf Basis von ARM7TDMI, SC100 auf Basis von Cortex-M0 und SC300 auf Basis von Cortex-M3.
