Grundlagen eingebetteter Systeme

In einer Waschmaschine, einem Thermostat oder einem Spielcontroller steckt ein kleiner Chip ohne Bildschirm und Tastatur. Er muss einen Taster bemerken, ein Licht einschalten und einen Motor regeln, nur indem er ein paar Zahlen schreibt und liest. Diese Lektion nutzt einen erfundenen Chip, in Python simuliert, damit du diese Zahlen sich ändern siehst.

• Register: ein kleiner nummerierter Speicher im Chip, hier 8 Bit breit.
• Bit: eine 0 oder eine 1. Bit 0 ist das ganz rechts.
• Maske: eine Zahl, mit der man bestimmte Bits herausgreift oder ändert.
• Pin: ein metallenes Beinchen des Chips, hoch (1) oder niedrig (0).
• PWM: Pulsweitenmodulation, ein Pin, der sehr schnell ein- und ausgeschaltet wird, wobei der Anteil der Einschaltzeit die Stärke der Wirkung bestimmt.
• Interrupt: ein Signal, das den Chip anhält und einen Handler ausführen lässt.

ls listet den Arbeitsordner auf: mcu.py ist der Chip, start.ipynb ein Notebook und steps die Skripte. Das erste Skript setzt den Chip zurück und gibt jedes Register binär, hexadezimal und als gewöhnliche Zahl aus. Es gibt sieben: DDR (welche Pins Ausgänge sind), PORT (was die Ausgänge treiben), PIN (was die Pins lesen), TCCR (die Timer-Steuerung), TCNT (der Timer-Zähler), OCR (der Vergleichswert) und IFR (das Interrupt-Flag). Nach einem Reset sind alle sieben 0b00000000.

Das Skript beginnt mit PORT bei 0b00001010. Ein ODER mit einer Maske setzt ein Bit und ergibt 0b00001011. Ein UND mit dem Gegenteil einer Maske löscht eines und ergibt 0b00001001. Ein XOR schaltet eines um und ergibt 0b00000001, und dasselbe Umschalten noch einmal bringt 0b00001001 zurück. Jedes Mal ändert sich nur das gewählte Bit, und genau dafür ist eine Maske da.

Eine 1 in DDR macht einen Pin zum Ausgang. Das Skript macht Pin 0 zum Ausgang, schreibt eine 1 in Bit 0 von PORT, und PIN liest 0b00000001. Dann schaltet es das Bit acht Takte lang in jedem Takt um und gibt #.#.#.#. aus, ein blinkendes Licht: # heißt an und . aus.

Der Timer zählt von 0 bis 15 und beginnt dann von vorn, eine Periode dauert also 16 Takte. Solange TCNT kleiner als OCR ist, ist Pin 5 hoch. Das Skript probiert OCR mit 4, 8 und 12 und gibt von jedem eine Periode aus: vier Takte an und 12 aus sind 25 Prozent, acht und acht sind 50 Prozent, und 12 an und vier aus sind 75 Prozent. Dieser Anteil ist das Tastverhältnis, und so kann ein echter Chip ein Licht dimmen oder einen Motor bremsen, nur mit an und aus.

Ein echter Taster geht nicht einmal sauber von 0 auf 1: Er flackert. Das erste Skript fragt den Pin in jedem Takt ab, und ein einziger Druck lässt es zwei steigende Flanken sehen, bei Takt 2 und 4, es zählt also 2 Drücke. Das zweite Skript lässt den Chip das Interrupt-Flag setzen und einen Handler aufrufen. Er wird zweimal aufgerufen, bei Takt 2 und 4, bei denselben zwei Flanken. Dann ignoriert der Handler einen Aufruf, der weniger als drei Takte nach dem letzten behaltenen kommt, und ein einziger Druck wird gezählt.

Öffne JupyterLab über die Leiste und doppelklicke auf start.ipynb. Es baut den Chip, schreibt in Register und erzeugt ein PWM-Signal, Zelle für Zelle. Klicke auf eine Zelle und drücke Umschalt und Eingabe, um sie auszuführen. Die letzte Zelle bittet dich, den Vergleichswert zu ändern und zu sagen, wie groß das Tastverhältnis jetzt ist. mcu.py ist kurz und kommentiert: Öffne es neben dem Notebook und lies es.