Prozessoren und Mikrocontroller: Überblick

Mikroprozessoren und Mikrocontroller sind sich im Grunde genommen relativ ähnlich, werden jedoch als zwei verschiedene elektronische Komponenten betrachtet. Ein Mikroprozessor ist ein programmierbares Gerät, das der Funktion einer zentralen Rechnereinheit (bzw. Central Processing Unit, CPU) dient. Ein Mikrocontroller enthält einen Prozessorkern, besteht jedoch auch aus weiteren Teilen und wird somit letztlich zu einem vollständigen Computer in einer einzigen Komponente.

 

Die Unterschiede verstehen

Die Unterschiede zwischen Mikrocontrollern und Mikroprozessoren werden am besten mit einem Blick auf ihre Anwendungen und Spezifikationen ersichtlich. Mikroprozessoren sind programmierbare Geräte, die in einer Reihe an verschiedenen industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen. Dabei können sie Steuerfunktionen für Schutzschalter und Batterie-Packs bieten, die Rechenleistung für die komplexesten Messgeräte liefern und vieles mehr.

Die Eigenschaften von Mikroprozessoren bieten zudem einen Einblick in ihre Unterschiede zu Mikrocontrollern. Mikroprozessoren werden allgemein nach ihrer Geschwindigkeit ausgewählt; der technische Begriff hierfür ist „Taktfrequenz“. Weitere Parameter, die die Auswahl der jeweiligen Komponente beeinflussen könnten, sind die Datenbus-Breite, die Anweisungssatz-Architektur sowie die Fertigungstechnologie, die Anzahl der Pins und vieles mehr. In besonders widrigen Einsatzbedingungen können die maximale und minimale Betriebstemperatur ausgesprochen wichtig sein um sicherzustellen, dass das Gerät wie vorgesehen funktioniert.

Mikrocontroller kommen in Embedded Systemen zum Einsatz. Dabei handelt es sich um programmierbare Geräte mit verschiedenen Datenbus-Breiten, RAM-Größen, unterschiedlichen Gerätekernen und der Möglichkeit, verschieden große Programmspeicher zu verarbeiten. Anweisungssatz-Architektur, Frequenz, Versorgungsspannung und weitere Punkte sind ebenso besonders wichtig für die Wahl des jeweils passenden Mikrocontrollers.

Im industriellen Bereich werden Mikrocontroller oftmals für Aufgaben hinsichtlich Automatisierung eingesetzt, sodass Maschinen, Tools, Instrumente und weitere Systeme automatisch kontrolliert werden können.

 

So werden sie gebaut

Mikroprozessoren und Mikrocontroller sind allesamt siliziumhaltige Komponenten, deren jeweilige Herstellungsverfahren nur geringfügige Abweichungen aufweisen.

Siliziumhaltige Komponenten basieren zuallererst auf Sand. Dabei wird Quarzsand zunächst in Kristalle geschmolzen, sodass eine perfekte Gitterstruktur in dem Material entsteht. Damit die verschiedenen Materialien auch mit Sicherheit rein sind, werden sie in sogenannten Reinräumen verarbeitet, die in manchen Fällen bis zu Tausend Mal sauberer sind als herkömmliche Betriebsräume.

Im Anschluss werden die Siliziumkristalle in sogenannte Wafer geschnitten und zur Vorbereitung auf die Aufnahme der Schaltkreise, mit denen sie später einmal als Prozessor verwendet werden können, durch Hunderte verschiedene Prozessschritte geleitet. Diese unterschiedlichen Prozessschritte erfolgen in hermetisch versiegelten Gerätschaften, um Verschmutzungen aller Art von vornherein auszuschließen.

Sind die Wafer vollständig auf die Aufnahme ihrer Schaltkreise vorbereitet, werden sie einem Prozess namens Photolithographie unterzogen. Dabei werden die verschiedenen Schaltkreise mit Hilfe von Licht auf die Wafer geätzt. Danach wird die Scheibe mit einem photoresistiven Material beschichtet. Nach der Beschichtung wird das Design des Schaltkreises mit Hilfe von UV-Licht auf den Wafer übertragen. Ein Entwickler wird dann die Teile von der Scheibe abnehmen, die dem UV-Licht ausgesetzt waren, wodurch wiederum ein Muster für die Herstellung weiterer Schaltkreise entsteht.

Die Komplexität dieser Komponenten ist überwältigend – nicht umsonst zählen sie den Produkten mit der aufwändigsten Herstellung überhaupt. Jeder einzelne fertig gestellte Wafer verfügt über Milliarden an Transistoren, die auf dessen Oberfläche geätzt sind. Diese Transistoren dienen als Schalter, mit deren Hilfe binäre Logik verarbeitet werden kann.

Nachdem die Schaltkreise auf den Wafer geätzt worden sind, wird die Komponente weiteren Schritten unterzogen, in welchen die elektrischen Eigenschaften der Komponente festgelegt werden.

In manchen Fällen können die Eigenschaften des siliziumhaltigen Materials mit einem Vorgang namens „Dotieren“ verändert werden. Dabei werden geringfügige Unreinheiten zu dem Silizium hinzugefügt – ein weiterer sehr präziser und höchst komplexer Vorgang.

Sind die Schaltkreise erst einmal auf den Wafer geätzt, muss ein leitfähiges Material hinzugegeben werden, das die Elektrizität zwischen den jeweiligen Komponenten übertragen kann. Hierfür können neben Kupfer auch andere Materialien verwendet werden. Dieses Material wird dann soweit abgeschliffen, dass keinerlei Kurzschlüsse auf der Komponente selbst auftreten können.

Auch wenn dieser Prozess derart auf Präzision bedacht ist und hermetisch abgeriegeltes Equipment erfordert, sind die Anlagen zur Herstellung dieser Chips riesig. Die etwas größeren dieser Anlagen können bis zu zwei Fußballfelder lang sein.

Nach der Herstellung der Komponente kommen mitunter Elektronenmikroskope zum Einsatz, um das Endprodukt zu überprüfen und dessen Qualität sicherzustellen.

Der gesamte Vorgang zur Herstellung eines Silizium-Wafers kann bis zu einen Monat in Anspruch nehmen. Sind die Komponenten erst einmal fertig gestellt, können sie in eigenständigen Mikroprozessoren oder in den Mikroprozessoren von Mikrocontrollern eingesetzt werden.

 

Innovationen

Trotz der ohnehin schon gewaltigen Komplexität und der geballten technologischen Expertise zur Herstellung von Mikroprozessoren und Mikrocontrollern werden die Herstellungsverfahren dieser Komponenten fortlaufend verbessert. Aktuell besteht eine bahnbrechende Neuerung daraus, dass Mikroprozessoren gefertigt werden können, die Signale mit Hilfe von Licht anstatt mit Elektrizität übertragen.

In der Folge könnten Mikroprozessoren und Mikrocontroller deutlich effizienter als derzeit gestaltet werden.

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Anzahl an Transistoren, die auf der Oberfläche eines Microchips untergebracht werden können, in nahezu regelmäßigen Abständen verdoppelt. In der Folge konnten stets leistungsstärkere und komplexere Mikroprozessoren hergestellt werden. Während die Fertigungstechnik allmählich an ihre Grenzen stößt, haben manche Hersteller begonnen, Multi-Core-Prozessoren herzustellen, die die Rechenleistung deutlich erhöhen ohne dabei den Platzbedarf der Schaltkreise oder den Energieverbrauch der Komponente zu steigern.

 

Die Unterschiede verstehen

Da Mikrocontroller letztlich auch als vollständige Computer auf einem einzigen Chip bezeichnet werden, liegt die fälschliche Annahme nahe, dass sie naturgemäß komplexer sind als Mikroprozessoren. Dies ist jedoch nicht zwingend der Fall.

Beide Komponenten sind sehr komplex. Ihre Unterschiede liegen dabei hauptsächlich in ihrem Potenzial.

Ein Mikrocontroller verfügt über eine feste Menge an RAM und ROM und kommt zudem mit integrierten CPU. Aus diesem Grund werden diese Komponenten auch manchmal als Minicomputer bezeichnet. Im englischsprachigen Raum ist zudem die Bezeichnung „Computer on a Chip“ sehr geläufig.

Mikrocontroller können programmiert werden. Somit können sie in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ihre Ein- und Ausgänge zur Steuerung anderer Geräte verwendet werden können. In der Regel sind diese Komponenten an einen bestimmten Zweck gebunden. So kann ein Mikrocontroller beispielsweise an dem Motor eines industriellen Geräts angebracht werden und dessen Drehzahl vollautomatisch und bedarfsgesteuert regeln. Dabei basieren die Entscheidungen der Komponente auf dem Input und Output, den der Mikrocontroller empfängt und ausgibt.

Mikrocontroller können ausgesprochen komplexe Funktionen zu einem sehr niedrigen Preis übernehmen. Doch obwohl sie sehr komplexe Geräte sind, sind sie nicht besonders leistungsstark. Sie verfügen über geringe Mengen an RAM und ROM und begrenzte E/A-Anschlüsse, und laufen allgemein mit einer geringeren Frequenz als Mikroprozessoren. Dies führt jedoch dazu, dass sie sehr preiswerte Lösungen für komplexe industrielle Anforderungen bieten. Einen Mikrocontroller neu zu programmieren bzw. zu ersetzen ist weder besonders schwer noch besonders kostspielig.

Ein Mikroprozessor ist hingegen in aller Regel kostspieliger als ein Mikrocontroller und läuft zudem mit einer bedeutend höheren Frequenz. Die Mikroprozessor-Komponente besteht lediglich aus der CPU. Die einzige Funktion dieser Komponente ist es, digitale Informationen zu verarbeiten. Speicher muss dabei separat zur Verfügung gestellt werden.

Eingesetzt werden Mikroprozessoren besonders häufig in Desktop-Computern und ähnlich komplexen Rechengeräten. Ihre besondere Eigenschaft ist ihre gewaltige Flexibilität. Ein Mikroprozessor kann seine Rechenleistung jeder beliebigen Aufgabe zur Verfügung stellen, die von dem Programm des jeweiligen Computers angefordert wird.

Bei der Unterscheidung dieser beiden Geräte kann es sehr hilfreich sein, sich vor Augen zu führen, dass Mikrocontroller in aller Regel für einen sehr bestimmten Zweck eingesetzt werden. Sie sind mit einem einfachen Programm verknüpft, mit dessen Hilfe sie Eingangswerte aufnehmen und verarbeiten und den gewünschten Output liefern können. Mikrocontroller können nicht über diese einfachen Funktionen hinausgehen.

Mikroprozessoren können hingegen für eine Unmenge an verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Dabei werden die unterschiedlichen Einsatzbereiche am besten allgemein beschrieben. So kann ein Mikroprozessor beispielsweise für derart komplexe Aufgaben verwendet werden wie die Programmierung oder die Verarbeitung von Videodateien.

 

Können sie einander ersetzen?

Ganz allgemein können Mikroprozessoren und Mikrocontroller einander nicht für ein und dieselbe Anwendung ersetzen. Neben dem Punkt, dass ein Mikrocontroller meist deswegen eingesetzt wird, weil ein vollständiger Computer auf einer einzigen Platine besonders hilfreich sein kann, macht es auch angesichts des Preisunterschiedes meist keinen Sinn, diese beiden Komponenten miteinander zu vertauschen.

Zudem bieten Mikrocontroller schlichtweg nicht die Rechenleistung, die die meisten Anwendungen, in denen Mikroprozessoren zum Einsatz kommen, erfordern. Umgekehrt benötigt ein Mikroprozessor mehr Hardware für eine bestimmte Aufgabe als ein Mikrocontroller. Mikroprozessoren sind zudem in aller Regel bedeutend kostspieliger als Mikrocontroller, wodurch die Ausgaben für die Entwicklung und Herstellung sehr simpler Geräte – beispielsweise Steuergeräte für Anwendungen im Bereich Automation – potenziell nahezu explodieren könnten.

 

Die verschiedenen Vorteile auf einen Blick

Neben den verschiedenen Anwendungen bieten auch die Vorteile beider Komponenten eine gute Möglichkeit, sie voneinander zu unterscheiden.

Bei Mikrocontrollern besteht der größte Vorteil darin, dass sie angesichts ihrer Funktionalität unglaublich preiswert sind. Dies führt nicht nur dazu, dass die Kosten zur Herstellung von Steuergeräten und anderen Komponenten für industrielle Anwendungen deutlich gesenkt werden können, sondern auch, dass die Entwicklungskosten insgesamt verringert werden.

Mikrocontroller sind so preiswert, dass sie in hohen Stückzahlen beschafft werden können. Somit können Forschungs- und Entwicklungsabteilungen mit einem breit aufgestellten Portfolio an Komponenten arbeiten, während der finanzielle Schaden, sollte eine Komponente zu Bruch gehen, äußerst gering ist. Hinzu kommt, dass diese Komponenten wieder und wieder umprogrammiert werden können, sodass verschiedene Anweisungssätze geprüft werden können und sich das Gerät für unterschiedlichste Zwecke eignet.

Bei Mikroprozessoren macht die hohe Flexibilität den etwas höheren Preis wieder wett. In den allermeisten Fällen werden Mikroprozessoren jedoch für Aufgaben eingesetzt, die ein hohes Maß an Rechenleistung erfordern und weniger auf besondere Flexibilität setzen. Ein einfaches Beispiel zur Veranschaulichung hiervon umfasst beide Komponenten.

Mikrocontroller werden in aller Regel mit Hilfe eines Computers programmiert. Der Computer verwendet zur Programmierung wiederum einen Mikroprozessor, der neben Debugging-Funktionen noch weitere komplexe Aufgaben übernehmen kann. Der Mikrocontroller selbst kann mit einem sehr simplen Programm programmiert werden, doch erst die Funktionen des Mikroprozessors sorgen dafür, dass der Mikrocontroller nach Bedarf umprogrammiert werden kann. Ist der Mikrocontroller erst einmal programmiert, ist er in der Regel für eine sehr einfache Rolle vorgesehen, bei der er dank seiner Zuverlässigkeit, der Kosteneffektivität und der für simple Aufgaben ausreichenden Rechenleistung zur ersten Wahl wird.

 

Beschaffung

Mikroprozessoren werden von führenden Herstellern wie Intel, AMD und vielen weiteren hergestellt. Diese Unternehmen konnten die Leistungsfähigkeit ihrer Prozessoren fortlaufend steigern und zeitgleich die Kosten senken, sodass sehr hochentwickelte und schnelle Prozessoren inzwischen relativ preiswert erhältlich sind.

Mikrocontroller werden von Unternehmen wie Analogue Devices, Cyprus Semiconductor, Energy Micro, Fujitsu und vielen weiteren hergestellt. Dabei sind sie in verschiedenen Produktfamilien erhältlich, darunter AT80 und AT32UC3C. Darüber hinaus stehen verschiedene Optionen für Parameter wie Datenbus-Breite und ähnliches zur Verfügung. All diese Punkte sind bei der Auswahl der jeweiligen Komponenten zu berücksichtigen.

Preislich gesehen sind Mikrocontroller bereits ab weniger als zwei US-Dollar erhältlich und zählen somit zu sehr erschwinglichen Komponenten. Mikroprozessoren beginnen in der Regel im Bereich von 50 $; dabei sind weniger leistungsstarke Ausführungen im unteren Preissegment zu Hause, während besonders leistungsstarke Varianten mitunter bedeutend mehr kosten können.

Dank ihres ausgesprochen geringen Preises können Mikrocontroller in aller Regel in hohen Stückzahlen beschafft und auf Lager gehalten werden, um verschiedensten Entwicklungsaufgaben und Ersatzteilanforderungen gerecht zu werden. Mikroprozessoren werden hingegen lediglich für bestimmte Zwecke und als Ersatz fehlerhafter Teiler ausgewählt.

Bei der Auswahl von Mikroprozessoren ist besonders darauf zu achten, dass die Komponente auch tatsächlich in den Steckplatz passt, für die sie vorgesehen ist, die erforderliche Spannung einhält und die benötigte Rechenleistung aufbringt.

Mikrocontroller und Mikroprozessoren machen Automatisierungsanwendungen überhaupt erst möglich und bieten zwei ähnliche, doch zugleich auch sehr verschiedene Optionen für industrielle Bereiche. Mikrocontroller sind in vielen verschiedenen Rollen in nahezu allen erdenklichen Fertigungsanlagen, Kraftwerken und anderen großen und kleineren industriellen Anwendungen zu Hause. Mikroprozessoren sind ebenso ausgesprochen weit verbreitet und sind nicht nur in Computer, sondern in immer mehr und mehr verschiedene Geräte integriert, da sie stets kleiner, leistungsstärker und preiswerter werden.

Neben ihrer wachsenden Leistungsfähigkeit erlebt auch ihre Anwenderfreundlichkeit einen deutlichen Aufschwung. Hervorragende Programmierumgebungen für Mikrocontroller sowie robuste und sehr schnelle Mikroprozessoren haben viele verschiedene industrielle Prozesse, Büroanwendungen und vieles mehr geradezu revolutioniert und machen auch weiterhin ungehindert Fortschritte.