universität karlsruhe - prof. dr. u. brinkschulte universität augsburg - prof. dr. th. ungerer 1...
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1Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer
3. Mikrocontroller
Mikrocontroller: Mikrorechner auf einem Chip
Für spezielle Anwendungsfälle zugeschnitten
Meist Steuerungs- oder Kommunikationsaufgaben
Anwendung oft einmal programmiert und für die Lebensdauer des Mikrocontrollers auf
diesem ausgeführt
Anwendungsfelder sind breit gestreut
Oft unsichtbar in uns umgebenden Geräten verborgen
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3. Mikrocontroller
im Haushalt die Steuerung der Kaffeemaschine, der Waschmaschine, des Telefons, des Staubsaugers, des Fernsehers, ...
in der KFZ Technik das Motormanagement, das Antiblockiersystem, das Stabilitätsprogramm, die Traktionskontrolle, diverse Assistenten, z.B. beim Bremsen, ...
in der Automatisierung das Steuern und Regeln von Prozessen, das Überwachen von Prozessen, das Regeln von Materialflüssen, die Steuerung von Fertigungs- und Produktionsanlagen, ...
Anwendungsfelder
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3. Mikrocontroller
3.1 Abgrenzung zu Mikroprozessoren
Ein-Chip Mikrorechner mit aufgabenspezifischer Peripherie
Mikrocontroller
. . . . . .
Prozessor-kern RAM
ROMEPROM
EEPROM
Ein-/Ausgabe-steuerung
Unter-brechungs-steuerung
Zähler/Zeit-geber Erweiterungs-
busschnittstelle
Takt
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3. Mikrocontroller
Ziel: Möglichst wenige externe Bausteine für eine Steuerungsaufgabe
Idealfall: Mikrocontroller, Quarz, Stromversorgung sowie ggf. Treiber und ein Bedienfeld
Beispiel: Fernbedienung
Mikrocontroller
TastaturmatrixQuarz Spannungsversorgung
Infrarot-
leuchtdiode
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3. Mikrocontroller
Schalenmodell einesMikrocontrollers:
Prozessor-kern
Schreib-/Lesespeicher RAM
Festwertpeicher
ROM Flash PROM EPROM EEPROM
Zähler / Zeitgeber serielle / parallele EA Kanäle
A/D- Wandler
Watch-dog
Echtzeit- Kanäle
DMA & Unter- brech- ungen
Erweiterungs- bus Ruhebetrieb
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3. Mikrocontroller
Prozessorkern:
• prinzipiell kein Unterschied zum Kern eines Mikroprozessors
• Kosten spielen jedoch meist die dominante Rolle
=> einfacher als der Kern eines Mikroprozessors
Varianten:
1. Eigens für den Mikrocontroller entwickelter einfacher Kern
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3. Mikrocontroller
2. Verwendung älterer Kerne von Mikroprozessoren
• bewährte Technik, Kompatibilität, reduzierte Kosten
• Leistungsvermögen meist ausreichend
• Modifikationen:
– Stromsparmodus
– kein Cache
– keine virtuelle Speicherverwaltung
=> Reduktion des Stromverbrauchs, Verbesserung des Echtzeitverhaltens
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3. Mikrocontroller
Speicher
• integrierter Festwert- und Schreiblesespeicher
• Aufnahme von Daten und Programmen
• Vorteil: Einsparung von Anschlüssen und Decodierlogik bei vollständiger interner Speicherung
• Größe und Typ des Speichers unterscheiden oft verschiedene Untertypen desselben Mikrocontrollers
• z.B. je nach Stückzahl der Anwendung unterschiedlicher Typ des Festwertspeichers (ROM, PROM, EPROM, EEPROM, FLASH)
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3. Mikrocontroller
Serielle und parallele Ein-/Ausgabekanäle
• grundlegenden digitalen Schnittstellen eines Mikrocontrollers
• seriell oder parallel
• synchron oder asynchronAD/DA-Wandler
• grundlegenden analogen Schnittstellen eines Mikrocontrollers
• Anschluss analoger Sensoren und Aktoren
• Auflösung und Wandlungszeit sind die wichtigsten Größen
• AD-Wandler sind häufiger anzutreffen als DA-Wandler
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3. Mikrocontroller
Zähler und Zeitgeber
• im Echtzeitbereich ein wichtiges Hilfsmittel
• für eine Vielzahl unterschiedlich komplexer Anwendungen einsetzbar
Bsp: - Zählen von Ereignissen, Messen von Zeiten kommen mit
einem Zähler bzw. Zeitgeber aus
- Pulsweitemodulation, Frequenz- oder Drehzahlmessung,
Schrittmotorsteuerungen benötigen mehrere Einheiten
=> Die bei Mikrocontrollern verfügbare Bandbreite reicht von
einfachen Up-/Downcountern über Capture-Compare-Einheiten bis zu autonomen Zeitgeber-Coprozessoren
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3. Mikrocontroller
Watchdog
• „Wachhund“ zur Überwachung der Programmaktivitäten eines Mikrocontrollers
• Programm muss in regelmäßigen Abständen Lebenszeichen liefern
•Bleiben diese aus, so nimmt der Wachhund einen Fehler im Programmablauf an => Reset
Beispiel: Mars Sojourner Mission
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3. Mikrocontroller
Echtzeitkanäle
• Echtzeiterweiterung der parallelen E/A-Kanäle
• Kopplung eines parallelen Kanals mit einem Zeitgeber
=> der Ein-/Ausgabezeitpunkt wird von der Hardware und nicht der Software bestimmt
=> Jitterfreie Ein-/Ausgabe
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3. Mikrocontroller
Unterbrechungen (Interrupts)
• Unterbrechung des Programmablaufs bei Ereignissen
• Schnelle, vorhersagbare Reaktion auf Ereignisse
• Insbesondere wichtig bei Echtzeitanwendungen
• Behandlung eines Ereignisses durch eine Interrupt-Service-Routine
• Mikrocontroller kennen meist externe Unterbrechungsquellen
(Eingangssignale) und interne Unterbrechungsquellen (Zähler,
Zeitgeber, E/A-Kanäle, ...)
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3. Mikrocontroller
DMA (Direct Memory Access)
• Direkter Datentransfer zwischen Peripherie und Speicher ohne
Beteiligung des Prozessorkerns
• Höhere Datenraten durch spezielle Transferhardware
• Entlastung des Prozessorkerns
• Prozessorkern muss lediglich die Randbedingungen des
Transfers festlegen
• Meist in Mikrocontrollern gehobener Leistungsklasse zu finden
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3. Mikrocontroller
Ruhebetrieb (Standby Mode)
• Oft begrenzter Energievorrat oder Wärmeemission bei Mikrocontroller-Anwendungen
• Ruhebetrieb zur Reduktion des Energieverbrauchs
• Abschaltung nicht benötigter Peripheriekomponenten und
Festwertspeicher
• Erhaltungsspannung am Schreib-/Lesespeicher
• Statische Prozessorkerne erlauben einen Takt von 0 Hz
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3. Mikrocontroller
Erweiterungsbus
• Reichen die internen Komponenten eines Mikrocontrollers für
eine Anwendung nicht aus
=> Erweiterungsbus zum Anschluss externer Komponenten• Ein Bus benötigt viele Anschlüsse (z.B. 16-Bit-Adressen, 8-Bit- Daten, 4 Steuersignale = 28 Anschlüsse) =>
– Multiplexing (z.B. Daten-/Adressmultiplexing: Daten und Adressen teilen sich die gleichen Leitungen)
– Bus muss sich Anschlüsse mit internen Peripheriekomponenten teilen (Ressourcenkonflikt)
– Stufenweise Reduktion des Adressraums
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3. Mikrocontroller
3.2 Anwendungsfelder
Beispiel Automatisierungstechnik
Anforderungen: Schnittstellenvielfalt, Echtzeitverhalten, Zuverlässigkeit, Energieverbrauch, ...
Mikrocontroller werden im wesentlichen dann angewendet, wenn lokale Intelligenz mit möglichst geringen Aufwand (Kosten, Platzbedarf, Strombedarf, ...) realisiert werden mußAnwendungsfelder in der Automatisierung:
• Prozesssteuerung• Steuerung von Bedienelementen
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3. Mikrocontroller
3.2.1 Prozesssteuerung
lokale, schnelleMSR-Einrichtung
mitMikrocontroller
Sensoren
Aktoren
lokale, schnelleMSR-Einrichtung
mitMikrocontroller
Sensoren
Aktoren
lokale, schnelleMSR-Einrichtung
mitMikrocontroller
Sensoren
Aktoren
.
.
.
Prozessleitrechner(Mikrorechner)
Prozessleitrechner(Mikrorechner)
Dispositions- &Visualisierungs-
rechner(Mikrorechner)
Verbindungsnetzwerk(hierarchisch oder verteilt),z.B. Feldbusse
Verbindungsnetzwerk(hierarchisch oder verteilt),z.B. Ethernet
Vor Ort räumlich entfernt
zu
automatisierendes
System
Sensor-/Aktor-ebene
Prozess-ebene
System- & Leit-ebene
Betriebs-ebene
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3. Mikrocontroller
Messen, Stellen, Regeln
Realisierung schneller Vor-Ort-Meß-, Stell-, und Regeleinrichtungen
• Messen:
Erfassen von analogen und digitalen Sensordaten Umrechnung von elektrischen in physikalische Werte nach vorgegebenen Kennlinien
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3. Mikrocontroller
Temperatur
[C]
Spannung [mV]
Thermofühler
Temperatur SpannungThermo-
fühler
Beispiel: Kennline eines Temperatursensors
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3. Mikrocontroller
• Messen (fortg.):
Linearisierung von nichtlinearen Sensoren Korrektur von Meßfehlern, z.B. Nullpunktfehler, Temperatur- Drift, ... Datenerfassung von multiplen Sensoren (z.B. Druck, Temperatur, ...) Auswerten der erfassten Daten Datenkompression und -weiterleitung
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3. Mikrocontroller
Beispiel:temperatur-kompensierteDruckmessung Mikrocontroller
Temperatur-Sensor Druck-Sensor
zum Leitrechner
TxD, RxD
AI0 AI1
VCC
PO1
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3. Mikrocontroller
• Stellen:
Strom
[mA]
Temperatur [C]
Heizelement
TemperaturHeiz-
elementStrom
Linearisierung nichtlinearer Aktoren Ausgabe digitaler und analoger Steuerdaten an die Aktoren
Umrechnung von physikalischen in elektrische Werte nach vorgegebenen Kennlinien
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3. Mikrocontroller
Beispiel:Ansteuerung zweier analogerAktoren
Mikrocontroller
Heizelement Schieber
zum Leitrechner
TxD, RxD
AO0 AO1
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3. Mikrocontroller
Wandlungskette beim Messen und Stellen
Aufgabenbereich des Mikrocontrollers
PhysikalischeGröße
ElektrischeGröße
Digitaler Wert Korrigierterdigitaler Wert
SensorEingabe-
Schnittstelle
Kennlinienberechnung,Linearisierung,
Korrektur
PhysikalischeGröße
ElektrischeGröße
Digitaler WertKorrigierterdigitaler Wert
AktorAusgabe-
Schnittstelle
Kennlinienberechnung,Linearisierung,
Korrektur
Stellen:
Messen:
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3. Mikrocontroller
Problem: Zusammenhang von elektrischer Eingangsgröße und physikalischer Ausgangsgröße oft von Störgrößen beeinflusst
Beispiel: Drehzahl eines Motors hängt von der elektrischen
Spannung und der Last ab
Lösung: Kombination von Messen und Stellen
=> Regeln
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3. Mikrocontroller
• Regeln:
Messen des Istwertes
Soll-/Istwertvergleich (Regelabweichung)
Ermittlung der Stellgröße (Regelalgorithmus, z.B. P, PI, PID, Fuzzy, Neuronal, ..)
=> Rückführung (geschlossener Regelkreis)
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3. Mikrocontroller
Ein Regelkreis mit einem Mikrocontroller:
Aktoren
Mikrocontroller
SensorenIstwerte
-
Regler(Regelalgorithmus,z.B. PI, PID, ...)
Regelstrecke(zu regelndes
System)Stellgrößen
Messgrößen
Sollwerte
Leit-Rechner
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3. Mikrocontroller
3.2.2 Steuerung von Bedienelementen
Beispiel: Steuerung eines einfachenHandterminals
Soll-Temperatur: 20Anstiegszeit:
A
G
M
S
Y
5
+
B
H
N
T
Z
6
-
F
L
R
X
4
0
D
J
P
V
2
8
C
I
O
U
1
7
=
E
K
Q
W
3
9
30Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer
3. Mikrocontroller
Realisierung:
(möglichstwenige externeKomponenten)
Mikrocontroller
zum Leitrechner
TxD, RxD
8888888888888
Tastaturmatrix
LCD-Anzeige
parallelerAusgabeport
paralleleEingabeports
serieller Port
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3. Mikrocontroller
3.3 Leistungsklassen und Familien
Leistungsklasse eines Mikrocontrollers: wird vom Prozessorkern bestimmt.
Datenbusbreite ist hier ein wesentliches Merkmal
=> 8-Bit-, 16-Bit-, 32-Bit-MikrocontrollerAnmerkung: bezeichnet bei Mikrocontrollern oft nur die Breite des internen Datenbusses und der Register
Breite des Erweiterungsbusses meist schmäler
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3. Mikrocontroller
Mikrocontrollerfamilie:Menge von Mikrocontrollern mit gleichem Prozessorkern, aber unterschiedlicher Peripherie und unterschiedlichem Speicher
=> Anwendungsorientierte, kostenoptimale Lösungen werden möglich
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3. Mikrocontroller
Beispiel: Motorola Mikrocontrollerfamilien:
Familie Festwert-speicher(KBytes)
Schreiblese-speicher (Bytes)
Zeit-geber
(Anzahl)
SerielleE/A
(Anzahl)
AD-Wandler(Anzahl x Bit)
Takt(MHz)
Motorola8 BitMC68HC05 0 – 32 64 – 528 1 – 4 1 – 2 (2-8) x (8-12) 2 – 4MC68HC08 0 – 60 512 – 2K 6 – 8 0 – 3 (4-15) x (8-10) 4 – 8MC68HC11 0 – 32 192 – 1K 8 – 10 2 – 4 (0-10) x (8-10) 3 – 6Motorola16 BitMC68HC12 0 – 256 1K – 12K 4 – 8 2 – 6 (1-32) x (8-10) 8 – 25MC68HC16 0 – 96 2K – 4K TPU 2 – 11 (6-8) x 10 16 – 25Motorola32 BitMCore 128 – 256 8K – 32K 2 – 8 3 – 33MPC5XX 0 – 1024 26K – 36K TPU 5 – 9 (32-40) x 10 40 – 56MC683XX 0 – 8 0 – 7,5K 1 – 4, TPU 2 – 5, CP (0-16) x 10 16 – 66
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3. Mikrocontroller
Mitglieder der
MC68HC11-
Familie:
A-Serie: MC68HC11Ax Grundmodell, z.B. MC68HC11A8 mit8-KByte-ROM, 256-Byte-RAM, 512-Byte-EEPROM, 8 x 8-Bit-DA-Wandler
D-Serie: MC68HC11Dx Economie-Version mit weniger Spei-cher und Peripherie
E-Serie: MC68HC11Ex Besonders flexible E/A, kombiniertesEPROM/EEPROM
F-Serie: MC68HC11Fx High-Speed Version, nicht gemulti-plexter externer 4 Mhz Bus, 1-KByte-RAM, extra E/A-Kanäle
G-Serie: MC68HC11Gx Version mit 10-Bit-DA-Wandler, ver-besserte Zeitgeber
K-Serie: MC68HC11Kx Hochleistungsversion mit hoher Ge-schwindigkeit, großem Speicher undSpeicherverwaltung
L-Serie: MC68HC11Lx Low-Power Version, großes ROM (16KBytes), statisches Design (Taktfre-quenzen bis 0 Hz)
M-Serie: MC68HC11Mx Basierend auf K-Serie, zusätzlichermathematischer Coprozessor, mehrDMA-Kanäle
P-Serie: MC68HC11Px Low-Power Version, zusätzliche serielleKanäle
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3. Mikrocontroller
Mitglieder der MC683XX-Familie:
MC68302 Multi-Protokoll-Prozessor, für Kommu-nikationsaufgaben optimiert, autonomerKommunikations-Prozessor (CP)
MC68306 Economie-Prozessor, integrierter Con-troller für dynamischen Speicher
MC68307 Multi-Bus-Prozessor, unterstützt mehre-re unterschiedliche Busnormen: 68000,MCS51 (siehe Intel Mikrocontroller indiesem Abschnitt) und M-Bus
MC68328 (DragonBall) Low Power Version, integrierter LCDAnzeige-Controller
MC68EZ328 (DragonBall EZ) Verbesserte DragonBall Version, flexi-blerer LCD-Controller
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3. Mikrocontroller
Mitglieder der MC683XX-Familie (fortg.):
MC68VZ328 (DragonBall VZ) DragonBall mit höherer Geschwindig-keit
MC68SZ328 (DragonBall Super VZ) Weiter erhöhte Geschwindigkeit (66MHz, 10 MIPS), integrierte DA-Wandler
MC68331 Für Steuerungsaufgaben optimierterController, umfangreiche Peripherie
MC68332 Für Steuerungsaufgaben optimierterController, gegenüber dem 68331 ver-besserter Prozessorkern und autonomerZeitgeber Coprozessor (TPU)
MC68F375 Virtuelle SpeicherverwaltungMC68376 Enthält ein CAN-Bus Protokoll ModulMC68340 Integrierte DMA-Controller
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3. Mikrocontroller
Beispiel: Intel Mikrocontrollerfamilien:
Familie Festwert-speicher(KBytes)
Schreiblese-speicher (Bytes)
Zeit-geber
(Anzahl)
SerielleE/A
(Anzahl)
AD-Wandler(Anzahl x Bit)
Takt(MHz)
Intel8 BitMSC51 4 – 32 128 – 256 2 – 4 0 – 1 – 12 – 33MSC251 8 – 16 1K 4 1 – 2 – 16 – 24Intel16 BitMSC96 32 – 56 1K – 1,5K 3 1 – 2 (6-8) x (8-10) 20 – 50MSC296 – 2K 2 1 – 50Intel32 BitStrongARM – 24K (Cache) 3 5 – 133 – 206PXA – 64K (Cache) 3 8 – 200 – 400
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3. Mikrocontroller
Namensgebung der MSC51/251 Familie:X X 8 X C X 1 XX – X
Taktfrequenz in MHz (zB. 16 = 16 MHz)Peripherie- und Speicher Ausstattung (z.B. BH oder FA oder FB oder ...)Interner Festwert-Speicher: 3 = nein, 5 = jaFestwert-Speicher Typ: 0 = keiner/ROM, 3 = ROM, 7 = EPROMGehäuse-Form: P = Plastik Dual Inline (DIP), N = Plastik Leaded Chip Carrier (PLCC)Temperatur-Bereich: leer = 0° bis 70°, T/L = -40° bis +85°, A/B = -40° bis +125°
Namensgebung MCS51 Familie
X X 8 X C 251 XX – X
Taktfrequenz in MHz (zB. 16 = 16 MHz)Peripherie- und Speicher Ausstattung (z.B. BH oder FA oder FB oder ...)Interner Festwert-Speicher Typ: 0 = keiner, 3 = ROM, 7 = EPROMGehäuse-Form: P = Plastik Dual Inline (DIP), N = Plastik Leaded Chip Carrier (PLCC) C = Keramik DIPTemperatur-Bereich: leer = 0° bis 70°, T = -40° bis +85°
Namensgebung MCS251 Familie
39Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer
3. Mikrocontroller
Beispiele:
TB87C251SB-16: 251-Familie, 16 MHz, internes EPROM, Plastik DIP, -40 ... + 85 °C
TB83C251SB-16: 251-Familie, 16 MHz, internes ROM, Plastik DIP, -40 ... + 85 °C
TB80C251SB-16: 251-Familie, 16 MHz, kein interner Festwertsp.,
Plastik DIP, -40 ... + 85 °C
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3. Mikrocontroller
StrongARM: ARM Version 4 RISC Prozessorkern
Vertreter: • SA110 (obsolet)
• SA1100 (obsolet)
• SA1110
PXA: ARM Version 5 RISC Prozessorkern
Vertreter: • PXA210
• PXA250
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3. Mikrocontroller
Beispiel: NEC Mikrocontrollerfamilien:
Familie Festwert-speicher(KBytes)
Schreiblese-speicher (Bytes)
Zeit-geber
(Anzahl)
SerielleE/A
(Anzahl)
AD-Wandler(Anzahl x Bit)
Takt(MHz)
NEC8 BitK0 8 – 60 512 – 2560 4 – 7 2 – 4 (4-16) x (8-10) 5 – 8.3K0S 2 – 48 256 – 2048 3 – 6 2 – 3 (0-8) x (4-10) 4 – 8.5NEC16 BitK4 0 – 256 1K – 12K 4 – 9 4 – 5 (8-16) x (8-10) 12 – 32NEC32 BitV850S 64 – 512 4K – 24K – – – 16 – 33V850E 96 – 256 4K – 16K – – – 33 – 50
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3. Mikrocontroller
Beispiel: Infineon Mikrocontrollerfamilien:
Familie Festwert-speicher(KBytes)
Schreiblese-speicher (Bytes)
Zeit-geber
(Anzahl)
SerielleE/A
(Anzahl)
AD-Wandler(Anzahl x Bit)
Takt(MHz)
Infineon8 BitC500 0 – 64 256 – 3328 3 – 5 1 – 2 (0-15) x (8-10) 12 – 24Infineon16 BitC166 0 – 256 1K – 11K 3 – 9 2 – 4 (0-24) x 10 20 – 40Infineon32 BitTriCore 4 – 32 72K – 1,5 M 2 – 6 4 – 5 (0-32) x 12 40 – 100