Laborpraktikum Eingebettete MikrocontrollerSysteme (PEMSY) - Cheatsheet

Architektur von Mikrocontrollern

Definition:

Architektur von Mikrocontrollern umfasst den Aufbau und die internen Strukturen, die die Funktionalität und Effizienz eines Mikrocontrollers bestimmen.

Details:

• CPU: Zentrale Recheneinheit zur Verarbeitung von Befehlen und Steuerung der anderen Komponenten.
• Speicher: ROM (fest gespeichert, z.B. Programme) und RAM (flüchtig, z.B. variable Daten).
• I/O-Ports: Ein- und Ausgabeschnittstellen für die Kommunikation mit externen Geräten.
• Taktgeber: Bestimmt die Geschwindigkeit des Mikrocontrollers.
• Bus-System: Datenpfade, über die Komponenten miteinander kommunizieren (z.B. Adress-, Daten-, Steuerbus).
• Peripheriegeräte: Zusätzliche Module wie Timer, ADCs, UARTs, etc.

Interrupt-Handling und Timer

Definition:

Interrupt-Handling: Technik zur Behandlung von Unterbrechungen im Programmfluss. Timer: Hardware-Komponenten zur Zeitmessung und -steuerung.

Details:

• Unterbrechungen (Interrupts) werden durch externe oder interne Ereignisse ausgelöst.
• ISR (Interrupt Service Routine): Spezielle Funktion zur Bearbeitung von Interrupts.
• Prioritäten: Bestimmen Reihenfolge der Interrupt-Bearbeitung.
• Vektortabelle: Speicherort der Adressen für ISRs.
• Timer können als Zähler oder zur Generierung von Zeitintervallen verwendet werden.
• Typische Timer-Register: TCCR (Control), TCNT (Counter), OCR (Output Compare Register).
• Prescaler: Teilt Eingangs-Taktfrequenz zur Feinanpassung der Timer-Auflösung.
• Overflow-Interrupt: Auslösung wenn Timer überläuft (z.B. bei 8-bit Timer nach 255 Ticks).

Embedded C/C++ Programmierung

Definition:

Embedded C/C++ Programmierung - Programmierung von Mikrocontrollern und eingebetteten Systemen mit C/C++.

Details:

• Direkte Hardwarezugriffe: \texttt{volatile} zur Vermeidung unnötiger Optimierungen
• Bitmanipulation: \texttt{&}, \texttt{|}, \texttt{^}, \texttt{<<}, \texttt{>>}
• Interrupt-Service-Routinen (ISR) zur Echtzeitreaktion
• Speicherlayout und -verwaltung: \texttt{static} und \texttt{heap}
• Compiler-Spezifika: \texttt{\texttt{gcc-arm-none-eabi}}, \texttt{avr-gcc}
• Optimierung: Inline-Assembler, Compiler-Optimierungsflags
• Standardbibliotheken: \texttt{\texttt{stdint.h}, \texttt{stdbool.h}, \texttt{stdlib.h}}

Bootloader-Implementierung

Definition:

Bootloader-Implementierung: Verfahren, um ein eingebettetes System von einem speziellen Programmiercode, dem Bootloader, zu starten.

Details:

• Initialisierung der Hardware
• Laden des Hauptprogramms aus einer definierten Speicherquelle
• Verifikation des geladenen Codes
• Übergabe der Kontrolle an das Hauptprogramm
• Fehlerbehandlung und Recovery-Mechanismen
• Konfigurierbar für unterschiedliche Speicherarten (Flash, EEPROM, etc.)

Task-Management und Scheduling in Echtzeitbetriebssystemen

Definition:

Verwaltung und Einteilung von Aufgaben zur rechtzeitigen Bearbeitung in Echtzeitsystemen.

Details:

• Aufgabenarten: periodisch, aperiodisch
• Scheduling-Strategien: EDF (Earliest Deadline First), RMS (Rate Monotonic Scheduling)
• Prioritäten: Fest (fixed) oder dynamisch (je nach Bedarf)
• \(U = \sum_{i=1}^{n} \frac{C_i}{T_i} \)
• Kontextwechsel: Wechsel zwischen Aufgaben, beeinflusst durch Präemption
• Präemptives Scheduling: höher priorisierte Aufgaben können laufende Aufgaben verdrängen
• \(\text{Response Time} \leq Deadline \)
• Deadlines: Zeitgrenzen, innerhalb derer Aufgaben abgeschlossen sein müssen

Integration von Sensoren und Aktoren in Embedded-Systeme

Definition:

Integration von Sensoren und Aktoren: Verbindung von Ein- und Ausgabegeräten mit eingebetteten Systemen zur Messung und Steuerung.

Details:

• Verbindung: GPIO, I2C, SPI, UART
• Sensoren: Messen physikalische Größen (z.B. Temperatur, Druck)
• Aktoren: Setzen Steuerbefehle um (z.B. Motoren, LEDs)
• Signalverarbeitung: ADC für analoge Signale, PWM für Aktoren
• Datenformate: Analog, digital
• Software-Integration: Treiber, Bibliotheken
• Energieverbrauch beachten

Serielle Kommunikation (UART, SPI, I²C)

Definition:

Datenübertragung zwischen Mikrocontrollern und Peripheriegeräten über serielle Schnittstellen.

Details:

• UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Asynchron, Start- und Stopbits, Baudrate muss übereinstimmen.
• SPI (Serial Peripheral Interface): Synchron, Voll-Duplex, Master-Slave-Konfiguration, benötigt MISO, MOSI, SCLK, und SS Leitungen.
• I²C (Inter-Integrated Circuit): Synchron, Halb-Duplex, Adressierung von Geräten, Zwei-Leitungen: SDA und SCL.
• Serielle Kommunikation: Bit-weise Übertragung, Takt- und Steuersignale, Fehlererkennung (z.B. Parity-Bits).

Drahtlose Kommunikation (Bluetooth, ZigBee)

Definition:

Drahtlose Kommunikationstechnologien für Kurzstreckenverbindungen.

Details:

• Bluetooth: Standard zur kabellosen Datenübertragung über kurze Distanzen (bis zu 100 m). Geeignet für Ad-hoc-Netzwerke und Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.
• ZigBee: Drahtloses Mesh-Netzwerkprotokoll für IoT-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Reichweite bis zu 100 m, unterstützt größere Netzwerke als Bluetooth.
• Beide arbeiten im 2,4-GHz-ISM-Band, jedoch mit unterschiedlichen Ansätzen zur Netzwerktopologie und Stromverbrauch.
• Verwendung: Bluetooth in Headsets, Tastaturen, usw.; ZigBee in Heimautomatisierung, Sensornetzen.