Von DerSchneider<\/strong><\/p>\n\n\n\n Einleitung: Die Sprache der Maschine<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bisher haben wir die Architektur eines Embedded Systems kennengelernt \u2013 die CPU, den Speicher, die Peripherie. Wir wissen, wie der Taktgeber den Rhythmus vorgibt und was Echtzeit bedeutet. Aber wie spricht ein Programm eigentlich mit dieser Hardware? Wie teilt man der Peripherie mit, dass sie einen Timer starten soll? Wie erf\u00e4hrt die CPU, dass ein Sensor einen neuen Wert geliefert hat?<\/p>\n\n\n\n Die Antwort f\u00fchrt uns auf die unterste Ebene der Programmierung \u2013 dorthin, wo die Grenze zwischen Software und Hardware verschwimmt. Hier gibt es keine Betriebssystem-API, keine Treiberbibliothek, keine Abstraktion. Hier spricht der Code direkt mit der Maschine, in ihrer eigenen Sprache: \u00fcber Register und Interrupts.<\/p>\n\n\n\n Dieser Artikel taucht ein in diese fundamentale Schicht der Embedded-Entwicklung. Wir lernen, was Hardware-Register sind, wie man sie programmiert und warum Interrupts das R\u00fcckgrat jedes reaktiven Systems bilden.<\/p>\n\n\n\n Hauptteil<\/strong><\/p>\n\n\n\n 1. Die Schaltzentrale: Was sind Hardware-Register?<\/strong><\/p>\n\n\n\n Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in einem Kontrollraum mit unz\u00e4hligen Schaltern, Hebeln und Anzeigen. Jeder Schalter steuert eine bestimmte Funktion der Maschine. Jede Anzeige zeigt einen bestimmten Zustand an. Genau so funktioniert die Kommunikation mit der Peripherie eines Mikrocontrollers \u2013 \u00fcber Hardware-Register.<\/p>\n\n\n\n Ein Hardware-Register ist ein spezieller Speicherplatz, der direkt mit einer Peripherie-Einheit verbunden ist. Im Gegensatz zu normalen RAM-Speicherzellen, die nur Daten aufbewahren, sind Register mit der Logik der Peripherie verkn\u00fcpft:<\/p>\n\n\n\n Register sind die Schalthebel und Anzeigen des Mikrocontrollers. Jede Peripherie-Einheit hat einen Satz von Registern, die ihre Funktion steuern. Und jedes dieser Register hat eine feste Adresse im Speicherbereich des Mikrocontrollers.<\/p>\n\n\n\n 2. Ein Beispiel: Die GPIO-Register<\/strong><\/p>\n\n\n\n Machen wir es konkret am Beispiel der GPIO-Pins (General Purpose Input\/Output). In einem typischen Mikrocontroller gibt es f\u00fcr die GPIO-Steuerung mehrere Register:<\/p>\n\n\n\n In der Arduino-Welt sind diese Register hinter Funktionen wie c<\/p>\n\n\n\n Das ist keine Zauberei, sondern der direkte Zugriff auf die Hardware-Register. Man schreibt eine 1 an die entsprechende Stelle im Datenrichtungsregister (DDR) bzw. im Ausgangsregister (PORT).<\/p>\n\n\n\n 3. Die Kunst der Bitmanipulation<\/strong><\/p>\n\n\n\n Wer mit Registern arbeitet, muss Bits setzen, l\u00f6schen und pr\u00fcfen k\u00f6nnen. Das ist eine Kunst f\u00fcr sich, denn Register sind oft nur 8 oder 16 Bit breit, und jedes Bit hat eine eigene Bedeutung.<\/p>\n\n\n\n Die wichtigsten Operationen:<\/p>\n\n\n\n Diese scheinbar kryptischen Ausdr\u00fccke sind die Grundwerkzeuge jedes Embedded-Entwicklers. Sie sind schnell, effizient und sprechen direkt die Hardware an.<\/p>\n\n\n\n 4. Das Problem: Polling und seine Grenzen<\/strong><\/p>\n\n\n\n Nun k\u00f6nnen wir also die Hardware steuern und ihren Zustand lesen. Aber wie erfahren wir, dass ein Ereignis eingetreten ist? Dass ein Timer abgelaufen ist? Dass ein neues Byte \u00fcber die serielle Schnittstelle angekommen ist?<\/p>\n\n\n\n Die naive Methode hei\u00dft Polling: Die CPU fragt in einer Schleife immer wieder ein bestimmtes Register ab, ob das Ereignis eingetreten ist.<\/p>\n\n\n\n c<\/p>\n\n\n\n Das Problem: Solange die CPU in dieser Schleife wartet, kann sie nichts anderes tun. Sie verschwendet kostbare Rechenzeit mit sinnlosem Warten. Bei einem einfachen Programm mag das angehen, aber sobald mehrere Ereignisse gleichzeitig \u00fcberwacht werden m\u00fcssen oder das System auf andere Aufgaben reagieren soll, ist Polling keine L\u00f6sung.<\/p>\n\n\n\n 5. Die L\u00f6sung: Interrupts \u2013 Wenn die Hardware ruft<\/strong><\/p>\n\n\n\n Hier kommen Interrupts ins Spiel. Ein Interrupt ist ein Hardware-Signal, das die CPU zu jedem beliebigen Zeitpunkt unterbrechen kann. Die Peripherie ruft sozusagen an, statt dass die CPU dauernd nachfragen muss.<\/p>\n\n\n\n Der Ablauf:<\/p>\n\n\n\n Das Sch\u00f6ne daran: Die CPU kann w\u00e4hrend des Wartens auf Ereignisse produktiv arbeiten. Sie wird nur unterbrochen, wenn wirklich etwas zu tun ist.<\/p>\n\n\n\n 6. Priorit\u00e4ten und Verschachtelung<\/strong><\/p>\n\n\n\n Was passiert, wenn w\u00e4hrend einer ISR ein weiterer Interrupt eintritt? Das h\u00e4ngt vom System ab:<\/p>\n\n\n\n In der Praxis haben die meisten Mikrocontroller eine feste Priorit\u00e4tsordnung. Manche erlauben es, die Priorit\u00e4ten zu programmieren. Die Kunst besteht darin, die ISRs so kurz zu halten, dass auch bei vielen Interrupts alle rechtzeitig bedient werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n 7. Fallstricke und Gefahren<\/strong><\/p>\n\n\n\n Interrupts sind m\u00e4chtig, aber auch gef\u00e4hrlich. Einige klassische Probleme:<\/p>\n\n\n\n Gemeinsame Daten:<\/strong> Wenn eine ISR und das Hauptprogramm auf dieselben Daten zugreifen, kann es zu Konsistenzproblemen kommen. Die ISR \u00e4ndert eine Variable, w\u00e4hrend das Hauptprogramm sie gerade liest \u2013 das Ergebnis ist undefiniert. Abhilfe schaffen Sperrmechanismen (z.B. Interrupts kurzzeitig deaktivieren) oder atomare Operationen.<\/p>\n\n\n\n Zu lange ISRs:<\/strong> Wenn eine ISR zu lange l\u00e4uft, werden andere Interrupts blockiert. Das kann Echtzeitanforderungen verletzen. ISRs sollten daher nur das N\u00f6tigste tun \u2013 z.B. ein Flag setzen oder ein Byte in einen Puffer legen \u2013 und die aufwendige Verarbeitung dem Hauptprogramm \u00fcberlassen.<\/p>\n\n\n\n Rekursive Interrupts:<\/strong> Manche Systeme erlauben es, dass ein Interrupt sich selbst unterbricht \u2013 meist keine gute Idee.<\/p>\n\n\n\n Stack-Overflow:<\/strong> Jeder Interrupt braucht Stack-Speicher. Bei vielen verschachtelten Interrupts kann der Stack \u00fcberlaufen.<\/p>\n\n\n\n 8. Ein Praxisbeispiel: Externer Interrupt durch Taster<\/strong><\/p>\n\n\n\n Stellen wir uns vor, wir wollen einen Taster \u00fcberwachen, aber nicht durch Polling. Stattdessen soll ein Interrupt ausgel\u00f6st werden, sobald der Taster gedr\u00fcckt wird.<\/p>\n\n\n\n Die Konfiguration (vereinfacht f\u00fcr einen AVR-Mikrocontroller):<\/p>\n\n\n\n c<\/p>\n\n\n\n Die Interrupt-Serviceroutine:<\/p>\n\n\n\n c<\/p>\n\n\n\n Im Hauptprogramm wird dann regelm\u00e4\u00dfig gepr\u00fcft, ob das Flag gesetzt ist, und entsprechend reagiert. Die ISR war nur wenige Taktzyklen lang, hat kein anderes Ereignis blockiert und das Hauptprogramm kann in Ruhe weiterarbeiten.<\/p>\n\n\n\n 9. Warum das alles wichtig ist<\/strong><\/p>\n\n\n\n Register und Interrupts sind die unterste Ebene der Embedded-Programmierung. Sie zu verstehen bedeutet:<\/p>\n\n\n\n Nat\u00fcrlich muss nicht jeder Entwickler st\u00e4ndig auf dieser Ebene programmieren. Aber zu wissen, was unter der Haube passiert, macht den Unterschied zwischen einem Anwender, der Code kopiert, und einem Entwickler, der wirklich versteht, was sein System tut.<\/p>\n\n\n\n Fazit und Ausblick<\/strong><\/p>\n\n\n\n Wir sind angekommen im Maschinenraum. Register sind die Schalter und Anzeigen, mit denen die Software direkt in die Hardware eingreift. Interrupts sind die Rufanlagen, mit denen die Hardware der Software signalisiert, dass etwas passiert ist. Zusammen bilden sie die Grundlage jeder effizienten, reaktiven Embedded-Programmierung.<\/p>\n\n\n\n Doch die Kommunikation mit der Hardware ist nur die eine Seite. Embedded Systems m\u00fcssen auch untereinander kommunizieren \u2013 mit Sensoren, mit anderen Controllern, mit der Au\u00dfenwelt. Daf\u00fcr brauchen sie standardisierte Schnittstellen und Protokolle.<\/p>\n\n\n\n Mit diesen Schnittstellen besch\u00e4ftigen wir uns im n\u00e4chsten Artikel.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Register und Interrupts \u2013 Die direkte Kommunikation mit der Hardware Von DerSchneider Einleitung: Die Sprache der Maschine Bisher haben wir die Architektur eines Embedded Systems kennengelernt \u2013 die CPU, den Speicher, die Peripherie. Wir wissen, wie der Taktgeber den Rhythmus vorgibt und was Echtzeit bedeutet. Aber wie spricht ein Programm eigentlich mit dieser Hardware? 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pinMode()<\/code> und digitalWrite()<\/code> versteckt. Wer aber direkt in C programmiert, schreibt oft so:<\/p>\n\n\n\nDDRB |= (1 << PB0); \/\/ Setze Pin PB0 als Ausgang<\/em>\nPORTB |= (1 << PB0); \/\/ Setze Pin PB0 auf HIGH<\/em><\/pre>\n\n\n\n
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register |= (1 << bitnummer);<\/code>\u00a0\u2013 Setzt das angegebene Bit auf 1, ohne die anderen zu ver\u00e4ndern.<\/li>\n\n\n\nregister &= ~(1 << bitnummer);<\/code>\u00a0\u2013 Setzt das Bit auf 0.<\/li>\n\n\n\nregister ^= (1 << bitnummer);<\/code>\u00a0\u2013 Dreht das Bit um (aus 1 wird 0, aus 0 wird 1).<\/li>\n\n\n\nif (register & (1 << bitnummer))<\/code>\u00a0\u2013 Testet, ob das Bit gesetzt ist.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\nwhile (!(UCSRA & (1 << RXC))) {\n \/\/ Warte, bis ein Zeichen empfangen wurde<\/em>\n}\nchar empfangenesZeichen = UDR;<\/pre>\n\n\n\n\n
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\/\/ Konfiguriere Pin als Eingang mit Pull-up<\/em>\nDDRD &= ~(1 << PD2); \/\/ PD2 als Eingang<\/em>\nPORTD |= (1 << PD2); \/\/ Pull-up aktivieren<\/em>\n\n\/\/ Konfiguriere externen Interrupt f\u00fcr INT0 (PD2)<\/em>\nEICRA |= (1 << ISC01); \/\/ Interrupt bei fallender Flanke<\/em>\nEIMSK |= (1 << INT0); \/\/ Interrupt INT0 aktivieren<\/em>\n\n\/\/ Global Interrupts aktivieren<\/em>\nsei();<\/pre>\n\n\n\n
ISR(INT0_vect) {\n \/\/ Wird aufgerufen, wenn der Taster gedr\u00fcckt wird<\/em>\n tasterGedrueckt = true; \/\/ Nur Flag setzen<\/em>\n}<\/pre>\n\n\n\n\n
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