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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. Compiler von Firmen wie Keil 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 Entwickler eine 8-bit MCU auswählen?

In der Vergangenheit hatten 16-bit Prozessoren mit höheren Taktgeschwindigkeit und breiteren Datenbussen einen Leistungsvorteil gegenüber acht-bit Bausteinen. Dieser Vorsprung wurde von der Ankunft von Prozessoren wie der Scenix 100MHz acht-bit CPU, zunichte gemacht. Der Scenix Prozessor ist attraktiv für real-time Anwendungen, denn sein Interrupt-Schema ist deterministisch (die Reaktionszeit auf einen Interrupt hängt nicht von der gerade ausgeführten Anweisung ab).

Ein weiterer ehemaliger Vorteil von 16-bit Systemen über 8 -bit Prozessoren waren die verfügbaren Entwicklungstools. Beachten Sie, ich habe "waren" gesagt. Nun gibt es leistungsfähige Cross-Entwicklungsumgebungen - Sie entwickeln Code auf ihrem gewohnten PC - für eigentlich jeden gängigen 8-bit Prozessor. Es gibt sogar C Compiler für die nicht gerade mit Speicherplatz gesegneten Microchip PIC 7-bit Prozessoren, siehe unten.

Letztlich suchen Entwickler 8-bit Bausteine aus, weil die aktuelle Anwendung die Leistung einer ein Byte-breiten CPU ausreichend fordert. Viele Hersteller bieten Wachstumslösungen von 8-bit zu deren 16-bit großen Brüdern. Die einfachen 16-bitter sehen oft wie 8-bit aus, mit Ausnahme der zusätzlichen acht ‘reinen’ 16-bit Register und eines Program Counter der von 16 bit auf 23 bit erweitert ist. NXP-Freescale bietet zwei klassische 16-bit Bausteine, den HC12 und HC16. Und Freunde des 8051 können sich auf dem 16-bit XA Prozessor von NXP weiterentwickeln.

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?!

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 mehr die halbe Miete, denn immer mehr Entwicklungsaufwand und muss in die Software gesteckt werden. Denn bei immer gleicher werdender Hardware - es gibt meist eine Handvoll Anbieter, die in die engere Wahl bei der Auswahl 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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