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8 Bit vs. 32 Bit 8-Bit-Mikrocontroller, günstige Lösung für Industrieanwendungen

Autor / Redakteur: Markus Vogel* / Margit Kuther

Für viele Anwendungen ist ein 32-Bit Microcontroller überdimensioniert. Hier sollten Entwickler getrost zur 8-Bit-Variante greifen, denn sie ist nicht nur preiswerter sondern auch einfacher in der Handhabung.

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Bild 1: Das ATmega168PB Xplained Mini Evaluation Kit, ausgestattet mit einem Onboard Debugger und USB, kann sofort in Betrieb genommen werden.
Bild 1: Das ATmega168PB Xplained Mini Evaluation Kit, ausgestattet mit einem Onboard Debugger und USB, kann sofort in Betrieb genommen werden.
(Bild: Atmel)

In Industrieanwendungen gibt es viele Aufgaben, die ein klassischer 8-Bit-Mikrocontroller einfach lösen kann: Simple Motor-, Ventil- und Relaisansteuerungen, Auswertung von mechanischen Sicherheitseinrichtungen, Überwachung von Umgebungsparametern wie Temperatur, Luftfeuchte und Betriebsspannung sind nur einige Beispiele.

Sie benötigen keine hohe Rechenleistung. Viel wichtiger sind hier die Peripheriefunktionalitäten: Analog-Digital-Wandler zum Messen von Spannungen, I/O-Ports für Schaltvorgänge, PWM-Ausgaben, Timer zur Zeitmessung, serielle Schnittstellen zur Kommunikation mit anderen Steuergeräten und vieles mehr. Natürlich können solche Aufgaben von 32-Bit-Mikrocontrollern oder gar Mikroprozessorsystemen gelöst werden, effektiver und kostengünstiger ist hier aber nach wie vor der Einsatz von 8-Bit-Mikrocontrollern – nicht zuletzt auch wegen der deutlich einfacheren Einsetzbarkeit.

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AVR, der weltweit am meisten verbreitete 8-Bit-Core

Der US-amerikanische Halbleiterhersteller Atmel bietet mit dem AVR Core und den Produktreihen Tiny, Mega und Xmega seit Jahren ein skalierbares Lineup an leistungsstarken 8-Bit Mikrocontrollern an. Mit den Bausteinen der MegaPB-Serie startet Atmel eine Neuauflage dieser erfolgreichen Mikrocontroller-Baureihe auf aktueller Technologie. Bewährte Peripherieblöcke sind hier ebenso wiederzufinden wie diverse Funktionserweiterungen, die das Einsatzspektrum noch vergrößern. Einfach zu nutzende Entwicklungstools und Software-Support ermöglichen einen schnellen Einstieg und verkürzen die Time-to-Market.

Der AVR 8-Bit CPU-Kern, entwickelt in den 90er Jahren von den norwegischen Studenten Alf Egin Bogen und Vegard Wollan, gehört zu den in den letzten 15 Jahren am weitesten verbreiteten 8-Bit CPU-Rechenkernen und ist bei vielen Elektronikentwicklern ein alter Bekannter. Viele Fach- und Hochschulen nutzen diesen einfach zu handhabenden, aber sehr leistungsfähigen Kern seit den letzten beiden Jahrzehnten in ihren Ausbildungsveranstaltungen. Auch bei Hobbyisten und Maker haben sich die AVRs – nicht zuletzt wegen des Erfolgs von Do-it-yourself-Plattformen wie Arduino – durch ihre einfache Einsetzbarkeit verbreitet.

AVR-Core, entwickelt mit Compilerhersteller IAR

Von Anfang an stand bei der Entwicklung des AVR Cores die einfache Programmierbarkeit über Hochsprachen, im Embedded-Bereich üblicherweise „C“, im Fokus. In Zusammenarbeit mit dem Compilerhersteller IAR wurde die interne Architektur und der Befehlssatz hierfür optimiert.

Die meisten der 131 Instruktionen sind als Single-Cycle-Instruktion ausgelegt, benötigen also nur einen CPU-Takt zur Abarbeitung. Trotzdem unterstützen etwa die arithmetischen Instruktionen von Haus aus 16 Bit breite Daten. Durch die Nutzung von 32 internen Arbeitsregistern kann vom Compiler effektiver Code erzeugt werden, da bei Nutzung dieser Register die sonst notwendigen Schreib- und Leseoperationen auf dem MCU-internen SRAM auf ein Minimum reduziert werden. Durch all diese Designmaßnahmen wurde der AVR zum weltweit effizientesten 8-Bit-Core.

Trotz eines generellen Trends hin zu 32-Bit-Architekturen und des anhaltenden Erfolgs der ARM Cores, insbesondere der Cortex-M Cores, gibt es viele Applikationen, bei denen mit einem 8-Bit-Mikrocontroller das Design deutlich einfacher, effektiver und schneller gestaltet werden kann. Während bei einem 32-Bit-Microcontroller üblicherweise im Start-up Code diverse Optionen wie Taktquellen, CPU- und Bustakteinstellungen, Flash Wait States und ähnliches per Software konfiguriert werden müssen, gestaltet sich dies bei den 8-Bit-AVRs deutlich einfacher.

Erstens sind aufgrund des einfacheren Aufbaus deutlich weniger Optionen zu setzen, zweitens wird dies hier nicht in der Applikations-Software selbst, sondern durch das Setzen von Fuse Bits während der Programmierung vorgenommen. Hierdurch, aber natürlich auch durch die schon angesprochene Optimierung in Architektur und Befehlssatz, wird der erzeugte Maschinencode deutlich kleiner, was die Nutzung von kleineren Flash-Speichergrößen erlaubt. Das ist einer der Gründe, warum 8-Bit-Microcontroller nicht, wie viele 32-Bit-Architekturen, in der allerneuesten und kleinsten Strukturgröße gefertigt werden.

Dies bringt entscheidende Vorteile im statischen Stromverbrauch, da durch die größere Strukturbreite die Leckströme im Standby-Betrieb geringer sind und sich damit deutlich längere Batterielaufzeiten realisieren lassen. Mit der PicoPower-Technologie von Atmel, die auch bei vielen AVR-basierten Microcontrollern genutzt wird, wurde unter anderem durch interne Designmethoden dieser Punkt noch weiter optimiert.

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