Controller in der Informatik einfach erklärt

Ein Mikrocontroller ist ein Halbleiterchip, der einen Prozessor und auch Peripheriefunktionen enthält. Oft liegen Arbeits- und Programmspeicher teilweise oder ganz auf demselben Chip. Er ist damit ein „Ein-Chip-Computersystem“ und bringt alle notwendigen Bausteine für einen kleinen Computer mit.

Bei einem klassischen Mikroprozessor sind Bausteine wie Takt- und Reset-Erzeugung, Interruptcontroller, Zeitgeber und Schnittstellenbaustein dagegen eigene Bausteine. Seit etwa den 2000er Jahren ist die Grenze teilweise fließend: Im einfachsten Fall werden diese Komponenten in den Chip selbst integriert.

Ein Programmable Interrupt Controller (PIC) ist etwas anderes. Ein Interrupt ist eine kurze Unterbrechung des laufenden Programms. Prozessoren haben oft nur einen Eingang für solche Anforderungen. Der PIC verwaltet mehrere Hardware-Interrupts und leitet sie geordnet an die CPU (den Hauptprozessor) weiter. Verwechsle ihn nicht mit der Mikrocontrollerfamilie PICmicro.

Der Chip ist der Mikrocontroller selbst, zum Beispiel der ATmega328. Ein typisches Arduino-Board basiert auf einem solchen Microchip-AVR-Mikrocontroller aus der megaAVR-Serie.

Das Board ist die Platine drumherum. Ein Entwicklungsboard wie der Arduino UNO trägt den Chip und stellt Ein- und Ausgänge bereit. Beim UNO sind das sechs analoge Eingänge und 14 digitale Ein-/Ausgänge. Ob ein digitaler Pin Eingang oder Ausgang ist, legst du im Programm fest.

Das Board liefert weitere Dinge: Es wird über USB (5 V) oder eine externe Spannungsquelle (7–12 V) versorgt und hat einen 16-MHz-Schwingquarz. Es gibt auch Varianten mit 3,3 V oder mit anderem Takt. Ein Bootloader auf dem Chip erlaubt das Programmieren über die serielle Schnittstelle ohne externes Programmiergerät. Die Ausgänge dürfen mit je maximal 40 mA belastet werden. Mit aufsteckbaren „Shields“ erweiterst du das Board.

Die Arduino-Entwicklungsumgebung (IDE) bindet Bibliotheken (englisch libraries) ein, die die Programmierung in C und C++ stark vereinfachen. Technische Details wie Header-Dateien werden vor den Anwendern weitgehend verborgen. Für ein funktionierendes Programm genügt es, zwei Funktionen zu definieren: setup() läuft einmal beim Start, loop() läuft danach in einer Endlosschleife. Ob und wie die Bibliotheksfunktionen intern Register verändern, behandelt diese Seite nicht.

Mikrocontroller haben neben Recheneinheit und Speicher weitere Funktionsblöcke wie Timer/Counter, Schnittstellen, AD-Wandler und Ein-/Ausgabeports. Sie werden durch Register konfiguriert und angesprochen. Der AVR ist ein 8-Bit-Controller, seine Register sind 8 Bit breit. Du liest und schreibst sie wie eine Variable.

Einzelne Bits änderst du mit Bitoperationen. Dabei bleiben die anderen Bits erhalten. Setzen: x |= (1 << Bitnummer); das ist eine ODER-Verknüpfung. Löschen: x &= ~(1 << Bitnummer); das ist UND mit Negation. Prüfen: Du liest das Register und blendest mit UND alle anderen Bits aus, zum Beispiel if(PINB & (1 << PB1)). Setze nur die Bits, die du ändern willst, um Seiteneffekte zu vermeiden.

Ein Hardware-Interrupt wird durch ein asynchrones externes Ereignis ausgelöst. Das heißt, das laufende Programm wird nicht immer an derselben Stelle unterbrochen. Das auslösende Ereignis heißt Unterbrechungsanforderung (englisch Interrupt Request, IRQ). Beispiel: Die Tastatur sendet einen IRQ, wenn eine Taste gedrückt wurde.

So läuft es ab: Die CPU akzeptiert eine Anforderung erst nach Ablauf der gerade laufenden Instruktion. Maskierte Anforderungen (zeitweise gesperrte) bleiben zunächst unbeachtet. Mehrere Anforderungen ordnet die Hardware, also der Interrupt-Controller: Er bestimmt den Interruptvektor der Anforderung mit der höchsten Priorität, die nicht maskiert ist. Die CPU speichert die Stelle des unterbrochenen Programms auf dem Stack, liest den Vektor vom Datenbus und springt zur Unterbrechungsroutine (ISR, englisch interrupt service routine). Die ISR sichert die Register, die sie benutzt, und stellt sie am Ende wieder her. Ein Rücksprung (RTI) setzt das unterbrochene Programm fort. Danach werden die anderen noch anstehenden Anforderungen bearbeitet.

Der Intel 8259 ist ein solcher PIC. Er hat 8 Interrupt-Eingänge und einen Ausgang. Die Eingänge sind mit den Geräten verbunden, etwa Tastatur, Timer und Drucker. Der Ausgang geht zur CPU. Im Normalfall hat Eingang 0 die höchste und Eingang 7 die niedrigste Priorität. Der 8259 addiert die Nummer des Eingangs zu einem konfigurierbaren Wert und übergibt diesen der CPU. Reichen 8 Eingänge nicht, verbindet man zwei Bausteine: den Ausgang des Slave mit einem Eingang des Master, normalerweise Eingang 2 (Kaskade).