Computertechnik mit Mikrocontrollern

Computertechnik
mit Mikrocontrollern
Hanns-Konrad Unger
mail@hanns-konrad.de
2006 November 10
Manuskript

Satz Hanns-Konrad Unger
Fotos Hanns-Konrad Unger
Gestaltung Hanns-Konrad Unger

Vorwort
Computer sind als PCs verbreitet. Hinter intuitiv bedienbaren
Fenstern arbeiten komplexe Programme, die versuchen, den
Benutzer von der Technik fernzuhalten. Oft gelingt es.
Dieses Buch wurde für Menschen geschrieben, die sich für die
Grundlagen der Computertechnik interessieren und am liebsten
praktisch lernen (learning by doing). Heute ist ein Mikrocontroller
leicht handhabbar und preiswert. Trotzdem ist er
ein gutes Beispiele für Computer.
Die ersten beiden Teile des Buches bilden eine kurze
Einführung. Um mit dem dritten Teil zurechtzukommen,
sind gegebenenfalls Studien mit weiterer Literatur durchzuführen.
Auch das Internet bietet z. B. mit der Enzyklopädie
[wikipedia] gute Möglichkeiten zur Vertiefung.
Die Hardware für die praktischen Übungen des Hauptteils ist
vom Taschengeld finanzierbar und leicht erhältlich. Ein PC
möglichst mit Druckerschnittstelle wird benötigt.
Zielgruppen sind Schüler, Studenten und Praktiker.
4

Für die Durchführung von Praktika in Gruppen können Masken
mit mehreren Platinenlayouts gedruckt werden. Die Basisplatine
ist in Bereiche aufgeteilt und kann auf verschiedene
Arten mit Strom versorgt werden, um je nach Umfang und
Kostenrahmen skalierbar zu sein. Der Mikrocontroller wird
mit 4, 8 und 16 KB Flash-Speicher in der erforderlichen Bauart
angeboten.
Begriffe in eckigen Klammern [ ] weisen auf das Literaturverzeichnis
am Ende des Buches hin.
Die Fotos wurden mit höherer Auflösung gemacht, als drucktechnisch
wiedergegeben wird. Die pdf-Version des Buches
ermöglicht die Ansicht von Details.
Bevor Sie mit dem Buch beginnen, erlauben Sie bitte einen
Eingangstest:
Verstehen Sie das Titelbild?
Na klar! Die Themen der ersten beiden Teile
werden Ihnen weitgehend vertraut sein.
Ich glaube ja. Den ersten Teil können Sie vermutlich
schnell lesen.
Nein. Wahrscheinlich werden Sie das Buch
zwei mal durcharbeiten müssen.
5

Inhaltsverzeichnis
I Einführung in die Computertechnik 13
1 Entwicklung der Computer 14
2 Zahlensysteme 17
3 Rechnerarchitektur 25
3.1 von-Neumann-Architektur . . . . . . . . . . . 25
3.2 Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Stackpointer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Statusregister . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5 Harvard-Architektur . . . . . . . . . . . . . . 29
3.6 CISC und RISC . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6

INHALTSVERZEICHNIS 7
4 Computerschnittstellen 31
4.1 Centronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2.1 RS232-Schnittstelle des IBM AT . . . . 35
4.2.2 Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3 USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5 Kurzeinführung in Linux 42
5.1 Kern des Betriebssystems . . . . . . . . . . . 44
5.2 Bäume wachsen – Dateisysteme . . . . . . . . 46
5.2.1 Wurzelverzeichnis . . . . . . . . . . . . 49
5.2.2 Heimatverzeichnis . . . . . . . . . . . . 50
5.2.3 Arbeitsverzeichnis . . . . . . . . . . . . 50
5.3 GNU - Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.3.1 bash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3.2 Editoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3.3 make . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.4 X11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3.5 Ghostscript . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.3.6 Datenbank . . . . . . . . . . . . . . . . 58

INHALTSVERZEICHNIS 8
6 Assembler 61
7 Programmiersprache C 64
II Hardwaretechnik 68
8 Hardware-Labor 69
8.1 Lötkolben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.2 Multimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.3 Netzgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
9 Kleine Bauteilekunde 77
9.1 Platinenmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . 77
9.2 Stecker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
9.3 Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
9.4 Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.5 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
9.6 Quarze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
9.7 Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
9.8 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.9 Integrierte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . 91

INHALTSVERZEICHNIS 9
10 Platinenlayouts 93
10.1 Programmieren mit Klassen . . . . . . . . . . 93
10.2 Klasse für elektronische Schaltungen . . . . . 97
10.3 Platinen ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
10.3.1 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
10.3.2 Belichtungsmaske . . . . . . . . . . . . 103
10.3.3 Belichtung . . . . . . . . . . . . . . . . 104
10.3.4 Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . 106
10.3.5 Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.3.6 Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . 109
11 Schaltalgebra 110
11.1 Boolesche Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . 110
11.2 TTL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
11.3 Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
III Mikrocontroller 118
12 Wurzeln 119
12.1 Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
12.1.1 AVR Mikrocontroller . . . . . . . . . . 123

INHALTSVERZEICHNIS 10
13 Aufbau des Systems 129
13.1 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
13.2 Programmier-Interface . . . . . . . . . . . . . 132
13.2.1 Centronics Variante . . . . . . . . . . 132
13.2.2 RS232 Variante . . . . . . . . . . . . . 136
13.2.3 USB Variante . . . . . . . . . . . . . . 139
13.3 Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
13.4 Mikrocontroller-Board . . . . . . . . . . . . . 146
13.4.1 Programmierschnittstelle . . . . . . . 146
13.4.2 Erster Dialog . . . . . . . . . . . . . . 149
13.4.3 Erste Baustufe . . . . . . . . . . . . . 153
13.4.4 Netzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
13.4.5 Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . 169
13.4.6 RS232 Schnittstelle . . . . . . . . . . . 171
13.4.7 Taster . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
13.4.8 Buzzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
13.4.9 Display . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
14 Erste Experimente 199
14.1 RS232-Schnittstellen-Tester . . . . . . . . . . 199

INHALTSVERZEICHNIS 11
14.2 Frequenzgenerator . . . . . . . . . . . . . . . 201
14.3 Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
14.4 Quarzuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
15 Weiterführende Experimente 207
15.1 Messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
15.2 Steuern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
15.3 Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
15.4 Solartechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
15.5 Robotik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
15.6 Fernwirken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
A Stolpersteine 211
A.1 Reset und Brown-out . . . . . . . . . . . . . . 211
A.2 Stackfault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
A.3 volatile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
A.4 Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
A.5 PORTx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
A.6 Watchdog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
A.7 UCSRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

INHALTSVERZEICHNIS 12
A.8 Besonderheiten einzelner Modelle . . . . . . . 215
A.8.1 AT90S1200 . . . . . . . . . . . . . . . 215
A.8.2 AT90S2343 . . . . . . . . . . . . . . . 215
A.8.3 Vom AT90S4433 zum ATmega8 . . . . 215
B Technische Daten 217
C Nachschlagebereich 219
C.1 Assembler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
C.2 Programmiersprache C . . . . . . . . . . . . . 224
C.3 Runtime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
D Programm pcb 228
E Skalieren des Systems 243
F Die Datei Mikrocontroller.tgz 246
G Rechtliches 248
H Helfer 250

Teil I
Einführung in die
Computertechnik
13

Kapitel 1
Entwicklung der
Computer
Betrachtet man die Entwicklung moderner Computer, so fallen
Parallelen zum Auto auf. Beide sind Industrieprodukte mit
rasanter Entwicklung in jüngster Vergangenheit. Ich will hier
nicht auf die Erfindung des Rades bzw. der Zahlen eingehen,
sondern kurz den Weg zum Konsumartikel aufzeichnen.
Die ersten Automobile konnten nur von Leuten mit beträchtlichem
Fachwissen genutzt werden, wobei die Nutzung primär
Selbstzweck war. Glatte Straßen gab es noch nicht. Nach der
Gruppe der Pioniere kamen die Militärs, die mit ihren Kriegen
die Entwicklung und industrielle Fertigung beschleunigten.
In der Folgezeit waren Automobile elitären Schichten
vorbehalten. Da immer mehr gefertigt wurde, konnte langsam
die Bevölkerung mit Autos versorgt werden. Zwingen-
14

KAPITEL 1. ENTWICKLUNG DER COMPUTER 15
de Voraussetzung war, ein Automobil für jeden bedienbar zu
machen. Die Automobiltechnik ist geschickt hinter dem Armaturenbrett
verpackt. Die heutige Führerscheinausbildung
beschäftigt sich primär mit dem Umgang der Verkehrsteilnehmer
untereinander.
Im zweiten Weltkrieg waren Computer zur Dechiffrierung von
Nachrichten von hoher Bedeutung. Danach übernahmen sie
wichtige Aufgaben in Industrie und Forschung, umgeben von
Spezialisten. Mit dem Beginn der Massenfertigung in den 70er
und 80er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden naiv bedienbare
Programmoberflächen notwendig. Heute ist es üblich
und chic, Computer zu nutzen, ohne zu wissen, womit man
eigentlich arbeitet. Die Technik ist hinter bunten Benutzeroberflächen
verborgen, so komplex, dass manchmal der Eindruck
entsteht, die Entwickler könnten den vollen Überblick
nicht mehr behalten.
Bei einem Projekt mit Mikrocontrollern erkannte ich einen
meiner ersten Mikrocomputer wieder: KIM 1, eine Platine
mit 8Bit-Prozessor, 2 KByte RAM (flüchtiger Speicher), 1
KByte ROM (permanenter Speicher), Kassettenrecorder- und
Fernschreiberinterface. Diese Platine, so groß wie ein heutiges
PC-Motherboard, war im Jahre 1975 der Vorgänger des PET-
Mikrocomputers der Firma Commodore. Die PC-Pioniere haben
mit derartiger Hardware sogar Schach gespielt (und noch
gewonnen). Jedenfalls haben sie dabei viel über Computer gelernt.
Ein heutiger Mikrocontroller bietet im Vergleich bei ungefähr
1 Promille an Gewicht, Preis und Energieverbrauch ähnlichen

KAPITEL 1. ENTWICKLUNG DER COMPUTER 16
Hardwareumfang. Warum also nicht in die Tiefen der Computertechnik
eintauchen? Ein üblicher PC ersetzt den Fernschreiber,
an den früher derartige Platinen angeschlossen wurden.
Vor der Praxis steht noch ein wenig Theorie.

Kapitel 2
Zahlensysteme
Typisch für Computer ist, dass alles auf Zahlen abgebildet
wird. Für einen normal denkenden Menschen erscheint das
erst einmal ungewöhnlich. Im Laufe dieses Kurses wird jedoch
langsam klar werden, wie das geht. Zur Rechtfertigung möchte
ich nur darauf hinweisen, dass Mathematiker es als bewiesen
betrachten, dass man alles Berechenbare letztendlich in einer
einzigen Zahl unterbringen kann.
Als die Menschen zu zählen anfingen, arbeiteten sie erst einmal
mit Strichlisten. Das wurde zu aufwändig. Man entwickelte
das Dezimalsystem 1 , hatte man doch 10 Finger zum Rechnen.
Computer haben keine Finger, und so richtig zu funktionieren
1 lateinisch: decem - zehn
17

KAPITEL 2. ZAHLENSYSTEME 18
begannen sie erst, als man stattdessen zwei Zustände in den
Mittelpunkt stellte:
0 Spannung nicht vorhanden
1 Spannung vorhanden
In Erinnerung an die Finger nannte man das Digitaltechnik 2 .
Wie kann man aber statt mit zehn Ziffern nur mit zwei Spannungen
rechnen?
Dazu betrachte man den Aufbau unserer Zahlen, zum Beispiel
4711, einmal genauer: Sie besteht aus einer Aneinanderreihung
von Ziffern. Entscheidend für den Wert der Zahl ist
der Stellenwert der Ziffern. In den sogenannten polyadischen
Zahlensystemen [Formeln] berechnet sich der Wert einer Zahl
Z folgendermaßen:
Z = � ak · B k wobei B ≥ 2; 0 ≤ ak < B; ak, B ∈ N
Unser Beispiel:
also:
Z = 4711; B = 10; a3 = 4; a2 = 7; a1 = 1; a0 = 1
2 lateinisch: digitus - der Finger

KAPITEL 2. ZAHLENSYSTEME 19
4711 = 4 · 10 3 + 7 · 10 2 + 1 · 10 1 + 1 · 10 0
4711 = 4 · 1000 + 7 · 100 + 1 · 10 + 1 · 1
4711 = 4000 + 700 + 10 + 1
Tipps: Das Sigma � steht für lange Summen. Jede Zahl außer
Null wird mit Null potenziert zu 1. Wenn das Verständnis von
oben nach unten hakt, versuche man es von unten nach oben.
Wichtig ist die Zahl B, auch Basis genannt, die in unserer
gewohnten dezimalen Rechenwelt eben 10 ist.
Verwendet man im polyadische Zahlensystem für B den Wert
2, so bleiben die Ziffern 0 und 1 übrig. Das Rechensystem
funktioniert aber immer noch, wie ein weiteres Beispiel demonstrieren
soll:
also:
Z = 10102; B = 2; a3 = 1; a2 = 0; a1 = 1; a0 = 0
10102 = 1 · 2 3 + 0 · 2 2 + 1 · 2 1 + 0 · 2 0
10102 = 1 · 810 + 0 + 1 · 210 + 0
10102 = 1010
Tipps: 10102 liest man: Eins Null Eins Null zur Basis 2. Werden
wie oben Zahlen gemischt, so muss die Basis ausdrücklich
angegeben werden.

KAPITEL 2. ZAHLENSYSTEME 20
Für B = 2 nennt man die Zahlen Dualzahlen oder Binärzahlen.
Computer ordnen einfach den beiden Ziffern Spannungen
zu. Eine duale Ziffer bezeichnet man auch als ein Bit 3 .
Fasst man 4 Bits zusammen, so kann man Werte zwischen
0..15 bezeichnen. Weist man diesen Werten die 16 Ziffern 0..9
und A..F 4 zu, so hat man Hexadezimalzahlen, die manchmal
auch Sedezimalzahlen genannt werden. B ist in diesem Fall
16. Im Computerjargon nennt man eine solche Ziffer, die ein
halbes Byte darstellt, auch Nibble.
3Die Informationstheorie kommt bei der Definition eines Bits ohne
Zahlen aus.
4A..F werden hier als Ziffern betrachtet!

KAPITEL 2. ZAHLENSYSTEME 21
Zahlensysteme
B=2 B=8 B=10 B=16
0 0 0 0
1 1 1 1
10 2 2 2
11 3 3 3
100 4 4 4
101 5 5 5
110 6 6 6
111 7 7 7
1000 10 8 8
1001 11 9 9
1010 12 10 A
1011 13 11 B
1100 14 12 C
1101 15 13 D
1110 16 14 E
1111 17 15 F
: : : :
Alle Werte in einer Zeile der Tabelle der Zahlensysteme bezeichnen
genau die selbe Zahl!
Fasst man wiederum 2 Hexadezimalziffern zusammen, also 8
Bit, so hat man jene Bytes, welche man von der PC-Werbung
kennt. In den technischen Daten findet man Kilo- (1000, oft
auch 1024 Bytes), Mega (1000 Kilobytes), Giga (1000 Megabytes)
und Terabytes (1000 Gigabytes).
Bytes haben deshalb eine hohe Bedeutung, da Buchstaben

KAPITEL 2. ZAHLENSYSTEME 22
Bytes zugeordnet werden, früher als ASCII- oder EBSDIC-,
heute als den ASCII- verwandten ISO-Codes.
ISO-8859-1 Code-Tabelle
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
0
1
2 ! ” # $ % & ’ ( ) ∗ + , - . /
3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 : ; < = > ?
4 @ A B C D E F G H I J K L M N O
5 P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ˆ
6 ‘ a b c d e f g h i j k l m n o
7
8
9
p q r s t u v w x y z { | } ˜
A ¡ ? £ ? ? S ˇ § ˇs c○ ā ≪ ¬ ? ?
−
B
◦
±
2 3
´ µ ¶ · ˇz
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F ∂ ñ ò ó ô õ ö ÷ ø ù ú û ü ´y bl ¨y
Beispiel: Das Zeichen ? ist der Zahl 3F16 zugeordnet. In der
Programmiersprache C schreibt man auch 0x3F oder 0x3f.
Die anderen Fragezeichen vertreten Buchstaben, die nicht gedruckt
werden konnten.
Die Werte von 0x00 bis 0x1f und 0x7f bis 0x9f werden nicht
für Buchstaben, sondern für Befehle an verschiedene Geräte
genutzt. So interpretieren verschiedene Geräte den Wert 0x0a
dergestalt, dass der nächste Buchstabe am Zeilenanfang ausgegeben
werden soll.
Da Computer sehr häufig Buchstaben und Texte verarbeiten
müssen, werden die meisten Datenwege 8Bit oder n · 8Bit
breit ausgelegt.
Es stellt sich jetzt die Frage, wie kann ein Computer eine Zahl
von einem Buchstaben unterscheiden. Der Fachmann würde

KAPITEL 2. ZAHLENSYSTEME 23
sagen, der Computer erkennt das am Kontext. Übertragen
entspricht es der Frage:
Woran kann ein Mensch die Ziffer Null vom Buchstaben O
unterscheiden?
In der Programmiersprache C wird diese Frage genauer betrachtet.
Abbildung 2.1: Direkter Nachfahre des Abakus.
Um noch einmal auf die Geschichte zurückzukommen: Es gab
bereits in der Antike funktionierende Rechenmaschinen, heute
als Abakus bekannt.

KAPITEL 2. ZAHLENSYSTEME 24
Vertiefung: Warum kann man einen Brief als Zahl zur Basis
256 ansehen?
Herr Jubel feiert seit seinem 30. Geburtstag alle fünf Jahre
den 50. Wie macht er das?

Kapitel 3
Rechnerarchitektur
3.1 von-Neumann-Architektur
Moderne Rechner gehen im Wesentlichen auf die theoretischen
Arbeiten von Burks, Goldstine und von Neumann aus den
Jahren 1946/47 zurück. Man spricht deshalb häufig von von-
Neumann-Architektur. Es wurde ein universeller Rechenautomat
postuliert, der sich in vier Teile gliedert:
• Speicherwerk
• Steuerwerk (auch Leitwerk genannt) mit Befehlszähler
• Rechenwerk
• Ein-/Ausgabewerk
25

KAPITEL 3. RECHNERARCHITEKTUR 26
Das Speicherwerk ist geeignet, duale Zahlen zu speichern. Jede
Speicherstelle besitzt eine eindeutige Adresse. Die Adressen
sind natürliche Zahlen in aufsteigender Reihenfolge.
Grundsätzlich enthält das Speicherwerk Programm- und Datenworte.
Für die Verarbeitung der Programmworte ist das
Steuerwerk zuständig. Hierzu besitzt es einen Zeiger, Befehlszähler
1 genannt. Der Befehlszähler zeigt auf den aktuell
gültigen Programmbefehl. Nach Bearbeitung des Befehls gibt
es drei Varianten:
• Der Befehlszähler zeigt auf den nächsten Befehl.
• Der Befehlszähler zeigt auf einen anderen Befehl.
• Abhängig vom Ausgang der Bearbeitung des Befehls
zeigt der Befehlszähler auf den nächsten oder einen anderen
Befehl.
Für die Verarbeitung von Datenworten ist das Rechenwerk 2
zuständig. Es kennt logische Verknüpfungen und höhere Operationen
wie Addieren und Subtrahieren. Aufwendige Rechenwerke
können sogar Multiplizieren und Dividieren. Gesteuert
wird das Rechenwerk vom Steuerwerk, das hierzu das Programmwort
analysiert.
Programmbefehle kann man in drei Gruppen einteilen:
1 Im Englischen Program Counter, häufig als PC abgekürzt.
2 Im Englischen oft ALU genannt, die Abkürzung für Arithmetic and
Logical Unit.

KAPITEL 3. RECHNERARCHITEKTUR 27
• Befehle für das Kopieren von Daten zwischen Speicher-,
Rechen- und Ein-/Ausgabewerk.
• Befehle, die Berechnungen im Rechenwerk anstoßen.
• Befehle zum Ändern des Befehlszählers. Die anderen Befehle
zeigen nach der Bearbeitung auf den nächsten Befehl.
Das Eingabewerk besorgt Aufgaben, die im Speicher abgelegt
werden, das Ausgabewerk präsentiert die Ergebnisse.
Für einen derartig aufgebauten Rechner kann man zeigen,
dass er jedes berechenbare Problem lösen kann. Derartige
Überlegungen übergehen die Grenzen von Zeit- und Materialaufwand.
Hierzu sei bemerkt, dass der Preis für ein Speicherbyte
Anfang der 70er Jahre noch bei umgerechnet einem Euro
lag, dass die praktische Bewertung von Zeit- und Materialaufwand
sich ständig verändert. Wissenschaftler und Techniker
neigen häufig dazu, bei ihren Überlegungen einen Aspekt getrennt
zu betrachten. Als Arbeitsmethode ist das sinnvoll, als
Lebensweg fatal.
Heutige Mikroprozessoren und Mikrocomputer haben Steuerwerk
und Rechenwerk in einem Baustein. Mikrocontroller
beherbergen darin sogar noch Ein-/Ausgabewerk, inzwischen
auch das Speicherwerk. Ferner sind Register, Stackpointer
(SP) und Statusregister 3 (SR) dazu gekommen, was Geschwindigkeit
und Programmiertechnik entgegenkommt.
3 Manchmal wird statt Statusregister Programm-Status-Wort (PSW)
verwendet.

KAPITEL 3. RECHNERARCHITEKTUR 28
3.2 Register
Um Daten im Rechenwerk zu verknüpfen, benötigt dieses Zwischenspeicher,
manchmal Akkumulatoren oder Akku genannt.
Diese sind gegenüber dem Speicherwerk schneller. Da alle Teilberechnungen
mit wenig Daten auskommen, besitzen moderne
CPUs 4 nicht nur einen Akku, sondern mehrere Speicherplätze
im Rechenwerk, Register genannt. Manchmal spricht
man auch vom Registerwerk. Den Aufbau des Registerwerks,
wie Namen und Funktion der Register, nennt man Registermodell.
Das Registermodell ist einer der wesentlichen Unterschiede
verschiedener CPU-Typen.
3.3 Stackpointer
Der Stackpointer ist ein Zeiger in den Datenspeicher. Die
indirekt über den Stackpointer durchgeführten Speicherzugriffe
arbeiten nach dem FiFo 5 -Prinzip. So lassen sich bequem
Rücksprungadressen von Unterprogrammen als auch
ausschließlich in diesen Unterprogrammen verwendete lokale
Daten speichern. Einige CPU-Befehle wie Unterprogrammsprünge
nutzen den Stackpointer. Höhere Programmiersprachen
bauen besonders stark auf der Verwendung des Stackpointers
auf.
4Central Processing Unit, eine Bezeichnung, die Steuer- und Rechenwerk
zusammenfasst.
5FiFo steht für first in - first out. Ein anderes Prinzip ist last in - first
out, LiFo.

KAPITEL 3. RECHNERARCHITEKTUR 29
3.4 Statusregister
Im Statusregister merkt sich die ALU das logische Ergebnis
der letzen Berechnung. Die Bits des Statusregister zeigen an,
ob das Ergebnis Null war, ob es negativ war, ob ein Übertrag
statt fand usw. Hauptsächlich werden diese Werte für bedingte
Programmsprünge verwendet.
3.5 Harvard-Architektur
Die zuvor beschriebene, in Princeton entwickelte von-
Neumann-Architektur arbeitet mit einem Speicherwerk, das
sowohl Programm als auch Daten in einem Speicher beherbergt.
Bei der Harvard Architektur, der der in diesem
Buch verwendete AVR Mikrocontroller entspricht, werden
Programm und Daten in getrennten Speichern gehalten. Derartige
Rechner sind robuster.
3.6 CISC und RISC
Nach den vorherigen Rezepten wurden viele Computer entwickelt.
Dabei haben sich zwei Lager gebildet. CISC 6 kennen
Befehle komplexer Art. Sie haben eine große, meist variable
Wortbreite. Die Befehle haben sehr unterschiedliche
Ausführungszeiten. Pentiums und Verwandte gehören dazu.
6 Complex Instruction Set Computers

KAPITEL 3. RECHNERARCHITEKTUR 30
RISC 7 haben einen schlanken Befehlsvorrat, feste Befehlslängen
und Bearbeitungszeiten. Die in diesem Buch verwendeten
AVR CPUs gehören zu dieser Gruppe.
Übrigens verhält es sich nicht so, dass kleine Mikrocontroller
RISC und große Mikroprozessoren CISC sind. Hier gibt es
keinen Zusammenhang. Zum Beispiel sind Sparcs, die CPUs
die in den Rechnern der Firma Sun arbeiten, RISC. Der Urahn
der Mikrocontroller, der 8048 der Firma Intel, ist ein CISC.
Manchmal ist es schwierig, eine CPU konkret einzuordnen.
7 Reduced Instruction Set Computers

Kapitel 4
Computerschnittstellen
Fernschreiber, elektrische Schreibmaschinen, CD-Spieler,
Fernseher oder Kameras waren ursprünglich nicht für Computer
gedacht. Die Ein-/Ausgabewerke der Computer werden
meist von anderen Firmen gebaut als die Computer selbst. Damit
Produkte verschiedener Firmen zusammen funktionieren,
müssen Schnittstellen vereinbart werden. Von diesen gibt es
inzwischen unüberschaubar viele, meist mit netten Abkürzungen
bedacht: RS232 RS485 VGA GDI PCI AGP I2C PS2 IDE
ATAPI SCSI PCMCIA USB JETEC ... 1
Technologisch kann man Schnittstellen in Gruppen einteilen.
Es gibt
• serielle – parallele Verbindungen
1 Da fällt mir gerade ein Gesellschaftsspiel ein: Nenne eine Computerschnittstelle
und lass sie von einem Mitspieler erklären.
31

KAPITEL 4. COMPUTERSCHNITTSTELLEN 32
• synchrone – asynchrone Verbindungen
• unidirektionale – bidirektionale Verbindungen
• Punkt zu Punkt Verbindung – Sternverbindung – Busverbindungen
Man sollte noch zwischen norm- und nicht normgerecht verwendeten
Verbindungen unterscheiden.
Drei sehr wichtige Schnittstellen werden etwas tiefer behandelt,
nicht nur, weil sie später tatsächlich verwendet werden.
4.1 Centronics
Diese eigentlich nur für Druckwerke gedachte Schnittstelle
wurde vom gleichnamigen Drucker-Hersteller eingeführt.
Wahrscheinlich aus historischen Gründen hat diese Schnittstelle
einen Namen, der keine Abkürzung darstellt. Die Firma
Centronics baute sehr schnelle mechanische Druckwerke, zuletzt
Nadeldrucker. Zwar gibt es, glaube ich, keine Centronics-
Drucker mehr, aber noch viele Druckermodelle mit dieser
Schnittstelle.
Es ist eine parallele, ehemals unidirektionale Schnittstelle mit
vielen Quittungssignalen. In den letzten Jahren wurden weitere
Möglichkeiten zum Beispiel für die Nutzung von Scannern
eingeführt. Vor diesen Erweiterungen war die Schnittstelle
stabil und zuverlässig. Über Centronics angeschlossene

KAPITEL 4. COMPUTERSCHNITTSTELLEN 33
Drucker funktionierten reibungslos. Die Kabel haben jedoch
über 20 Leitungen. Die Reichweite ist auf ca. 10 m begrenzt.
Die Funktionsweise ist im Prinzip synchron. Nachdem der
Rechner die 8 Bit eines Zeichens auf 8 Datenleitungen eingestellt
hat, signalisiert er dem Drucker mit dem, Strobe genannten,
Signal, dass das Zeichen bereit ist. Der Drucker verarbeitet
das Zeichen und antwortet auf der Leitung Acknowledge,
dass er fertig ist. Ferner gibt es Leitungen für Paper
out und andere Fehler.
Die Anwendungen dieser Schnittstelle werden mittlerweile
durch USB ersetzt.
Auch die Kommunikation mit unserem Mikrocontroller
missbraucht diese Schnittstelle. Der ursprüngliche Sinn
der Leitungen wird nicht angewendet. Da aber die PC-
Architektur der Software ein Durchgreifen auf die einzelnen
Leitungen erlaubt, eignen sich Centronicsschnittstellen dafür
hervorragend.
Am PC-Gehäuse ist diese Schnittstelle als DB-25 Buchse erkennbar.
4.2 RS-232
Dies ist eine asynchrone symmetrische bidirektionale Schnittstelle
aus den 60er Jahren. Manchmal wird sie auch V24 genannt.
Unter diesem Namen wurde die Schnittstelle für den
Telefonbereich genormt.

KAPITEL 4. COMPUTERSCHNITTSTELLEN 34
In vielen Dingen ist sie technisch überholt. Ursprünglich ersetzte
sie die langsame Fernschreiberschnittstelle 2 zum Anschluß
von Dialogschnittstellen (engl. Terminals) in Rechenzentren.
Da die Verbindungsleitungen nur etwa Raumlänge
haben konnten, wurden mit Hilfe von Modems beliebig lange
Telefonverbindungen realisiert. So sind externe Modems
heute noch die klassische Anwendung dieser Schnittstelle, deren
Tage wegen ISDN und DSL gezählt werden. Im Laufe ihres
langen Lebens wurde sie für fast alle Peripheriegeräte wie
Drucker, Plotter, Maus, Kamera eingesetzt. Heutige Rechner
haben oft noch zwei von diesen Schnittstellen eingebaut, ein
Ersatz durch USB-Adapter wird aber üblich.
Auch der hier verwendete Mikrocontroller enthält in seinem
Ein-/Ausgabewerk etliche Vorkehrungen zur Unterstützung
dieser Schnittstelle. Ein einziger gängiger Baustein zur elektrischen
Pegelwandlung genügt für die Anpassung an die normgerechte
Schnittstelle.
Die Norm sah 25-polige Steckverbinder vor, die bei Modem
und Computer so unterschiedlich belegt waren, dass eine einszu-eins
Verbindung möglich war. Dies ist einer der möglichen
Fallstricke, den RS232 bietet. Bei vielen Anwendungen ist
schwer zu entscheiden, welche Seite das Modem und welche
den Computer vertritt.

KAPITEL 4. COMPUTERSCHNITTSTELLEN 35
Abbildung 4.1: DB9-Stecker des IBM-AT
4.2.1 RS232-Schnittstelle des IBM AT
Zur Vereinfachung werden PCs mit auf 9 Pole reduzierten
RS232-Verbindungen ausgestattet. Abbildung 4.1 zeigt die
Pin-Belegung eines derartigen Steckers. Die Pins haben folgende
Funktion:
Pin 1, DCD, data carrier detect
Das Modem hat ein Trägersignal erkannt.
Dieses Signal wird von Modems verwendet.
Signalrichtung: input. Spannung: positiv.
Pin 2, RXD, receive data
Daten werden seriell empfangen.
2 Der Marktführer für Fernschreiber war in Amerika die Firma Teletype.
Von deren Firmennamen leitet sich die Abkürzung TTY ab.

KAPITEL 4. COMPUTERSCHNITTSTELLEN 36
Dieses Signal wird immer verwendet.
Signalrichtung: input. Spannung: wechselnd.
Pin 3, TXD, transmit data
Daten werden seriell gesendet.
Dieses Signal wird immer verwendet.
Signalrichtung: output. Spannung: wechselnd.
Pin 4, DTE, data terminal ready
Der Computer ist bereit, eine Verbindung einzugehen.
Dieses Signal wird weniger genutzt.
Signalrichtung: output. Spannung: positiv.
Pin 5, GND, ground
Dies ist das Massepotential, auf das sich die anderen Signale
beziehen.
Diese Leitung wird immer verwendet.
Signalrichtung: keine. Spannung: Massepotential.
Pin 6, DSR, data set ready
Die Gegenstation ist bereit, eine Verbindung einzugehen.
Dieses Signal wird weniger genutzt.
Signalrichtung: input. Spannung: positiv.
Pin 7, RTS, request to send

KAPITEL 4. COMPUTERSCHNITTSTELLEN 37
Der Computer ist bereit, Daten zu empfangen.
Diese Leitung wird beim sogenannten Hardware-Handshake
verwendet.
Signalrichtung: output. Spannung: positiv.
Pin 8, CTS, clear to send
Die Gegenstation ist bereit, Daten zu empfangen.
Diese Leitung wird beim sogenannten Hardware-Handshake
verwendet.
Signalrichtung: input. Spannung: positiv.
Pin 9, RI, ring indicator
Das Modem hat ein Klingelsignal erkannt.
Dieses Signal wird von Modems verwendet.
Signalrichtung: input. Spannung: positiv.
Werden PCs miteinander verbunden, so müssen bestimmte
Leitungen gekreuzt werden.
Neben Varianten der Verdrahtung zweier Geräte gibt es noch
Varianten in der Übertragungsgeschwindigkeit, im Aufbau der
Übertragungsrahmen und in der Synchronisation. Die Multiplikation
dieser Möglichkeiten ergibt eine beachtliche Anzahl,
die schon manchen Nutzer verzweifeln ließ.
Neben den üblichen Varianten der seriellen Schnittstelle gibt
es obendrein auch noch solche mit unterschiedlichen Steckern
und Spannungen. Auch die Programmierschnittstelle dasa2

KAPITEL 4. COMPUTERSCHNITTSTELLEN 38
zu unserem Mikrocontroller nutzt die serielle Schnittstelle des
PCs ohne Rücksicht auf Konventionen, trotzdem funktioniert
es in der Regel.
4.2.2 Schichten
Im Prinzip kann man an RS232-Verbindungen sehr schön ein
Schichtenmodell studieren
• Kabel und Stecker
• Spannungen
• Signalform und Bitsynchronisation
• Synchronisation
• Treiber des Betriebsystems
• Anwendung
Alle Schichten sind weitgehend unabhängig voneinander und
arbeiten über definierte Schnittstellen miteinander. Die Analyse
eines Systems wird wiederum schichtenweise durchgeführt:
• Ist das Kabel in Ordnung, stimmt die Belegung der
Steckkontakte?

KAPITEL 4. COMPUTERSCHNITTSTELLEN 39
• Sind die Spannungspegel richtig?
• Stimmen Geschwindigkeit und Rahmenaufbau (Anzahl
der Daten-, Prüf- und Stopbits)?
• Welche Synchronisation wird verwendet?
• Treiber geladen? Gerätename richtig?
• Anwendung installiert?
Besonders verwirrend ist die Synchronisation. Historisch sind
drei Grundformen gewachsen:
Hardware Handshake: Synchronisation mit Hilfe der
Quittungsleitungen. Am wichtigsten sind CTS und
RTS.
Software Handshake: Synchronisation durch Steuerzeichen
im Datenstrom. Meist werden ctrl-S 3 für Stop
und ctrl-Q für Weiter verwendet. Diese Synchronisation
funktioniert sogar in der shell.
kein Handshake: Beide Partner sind so schnell, dass eine
Synchronisation überflüssig ist.
3 Die Eingabe dieses Steuerzeichens ist nach wie vor möglich. Man läßt
sich einen sehr langen Text durch das Programm cat anzeigen. Durch
gleichzeitiges Drücken der Tasten Strg und S wird die Anzeige angehalten,
mit Strg und Q geht es weiter. Dies ist ein Relikt aus der Zeit,
in der an Computer-Terminals mit RS232-Schnittstellen angeschlossen
wurden.

KAPITEL 4. COMPUTERSCHNITTSTELLEN 40
Teilweise werden die Synchronisationsarten bunt gemischt,
weshalb sehr häufig Brücken in die Kabel eingebaut werden.
CTS mit RTS und DSR mit DTR mit DCD sind übliche
Brücken.
4.3 USB
USB ist eine moderne asynchrone serielle bidirektionale
Schnittstelle mit Bus-Charakter. Bei der Entwicklung wurde
vorgesehen, die meisten tradionellen Schnittstellen auf USB
abbilden zu können. USB hat nur vier Leitungen, von denen
zwei sogar eine 5 V Stromversorgung bis zu 500 mA übernehmen.
Die beiden anderen verdrillten Leitungen übertragen ein
serielles Signal, indem die Spannungen zwischen 0 V und 3,3 V
hin und hergeschaltet werden. Jede Leitung überträgt das Gegenteil
der anderen. Sie werden D+ und D- genannt.
Damit bis zu 128 Geräte in einer baumartigen Verdrahtung
zuletzt über ein Kabel kommunizieren können, ist ein
aufwändiges Protokoll für die Verteilung von Ressourcen und
Adressen notwendig. Letztendlich befindet sich hinter jedem
USB-Stecker ein eigener Mikrocontroller mit speziellen USB-
Fähigkeiten. Für den Anschluß von RS232 und Centronics
gibt es fertige Adaptergeräte, die zwischen alt und neu vermitteln.
Während bei RS232 noch viel Know-How vom Anwender erwartet
wurde, funktioniert USB oder auch nicht. Die Nutzung
der USB-Schnittstelle für eigene Experimente ohne zu-

KAPITEL 4. COMPUTERSCHNITTSTELLEN 41
gekaufte Soft- und Hardware ist in der Regel ausgeschlossen.
Die auf der USB-Homepage [usb] erhältliche Beschreibung der
Schnittstelle enthält fast 600 Seiten.
Die Wiener Firma Objective Development [obdev] hat einen
USB-Treiber für Mikrocontroller ins Internet gestellt. Dieser
Treiber ermöglichte die Entstehung einer Programmierhardware
mit USB-Schnittstelle, wie sie im dritten Teil des Buches
noch vorgestellt wird.

Kapitel 5
Kurzeinführung in Linux
Auch wenn der Aufbau der Hardware in diesem Buch mit
beschrieben wird, liegt der eigentliche Schwerpunkt bei der
Entwicklung der Programme, also der Software. Zum Erzeugen
der Programme braucht man wiederum Programme und
diese brauchen wieder ein Programmsystem, Betriebssystem
genannt.
Dieses Projekt ist über eine Reihe von Schichten verteilt, die
wie ein Obstkuchen aufeinander aufbauen: Mürbeteig, Marmelade,
Biskuit, Obst, Guss, Sahne. Ich hoffe, der nächste
Bäcker hat noch auf.
Unser Projekt ist wie folgt aufgebaut:
• PC Hardware
42

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 43
• Betriebssystem Linux
• Dialogprogramm bash
• Werkzeuge wie Editor, Compiler, Assembler, Linker
• Mikrocontroller, Kommunikationsprogramm
Wenn diese Schichten gebacken sind, kann der Mikrocontroller
wiederum in Schichten geteilt werden:
• Mikrocontroller Platine
• Mikrocontroller Bestückung
• Verbindung mit PC
• Verschiedene Test-Programme
Wichtig ist, dass jede Schicht ausreichend funktionieren muss,
bevor die nächste Schicht darauf aufgesetzt werden kann. Der
Leser sollte sich also mit jeder Schicht so vertraut machen,
dass er deren Funktionsfähigkeit beurteilen kann. Vor dem
Aufbau der nächsten Schicht müssen Unklarheiten durch weitergehende
Studien ausgeräumt werden, sonst ist ein Erfolg
so gut wie ausgeschlossen.

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 44
5.1 Kern des Betriebssystems
Es gibt zwei gebräuchliche Anwendungen des Begriffs Betriebssystem.
Der weitergehende Begriff umfasst einen Kern
als auch darüber angesiedelte Schichten von mit dem System
gelieferten Dialogprogrammen und Werkzeugen.
In diesem Buch soll nur der reine Kern als Betriebssystem
bezeichnet werden.
Zweck des Betriebssystems ist die Verteilung der verschiedenen
Ressourcen, die der Computer verwaltet, an die laufenden
Anwendungsprogramme. Ressourcen sind insbesondere
• CPU-Zeit
• RAM 1 , auch Kernspeicher 2 genannt
• Plattenspeicher
• Geräte (Bildschirm, Tastatur, Maus, Drucker, Modem,
Netzwerk, ...)
• ...
1 engl.: random acesss memory, Speicher mit zufällig verteilbarem Zu-
griff 2als Transistoren noch teuer waren, wurden Speicher mit kleinen Ma-
gnetringen, sogenannten Kernen, aufgebaut

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 45
Anwendungsprogramme sind Programmschichten, die auf
dem Betriebssystem aufbauen. Diese können erweiterte Systemfunktionalitäten
realisieren als auch vom Anwender gestartete
Programme sein.
Der Betriebssystemkern von Linux ist ein im Jahre 1991 auf
Initiative des damaligen Studenten Linus Torvalds 3 im Internet
entstandener Clone des Betriebssystems Unix. Auslöser
war, dass die damals etablierte PC-CPU der 80386 der Firma
Intel mehr bot als die damals gängigen Betriebssysteme
nutzten.
Unix ist ein Betriebssystem, dass aus der Welt der Rechenzentren
kommt, in der mehrere Benutzer einen Computer
gleichzeitig nutzen. Die relativ hohe Rechengeschwindigkeit
der CPU wird in Zeitscheiben an die Nutzer verteilt. Jeder
Nutzer hat das Gefühl, einen eigenen Computer zu besitzen.
Damit die Nutzer sich nicht gegenseitig stören können, wird
von Unix hoher Wert darauf gelegt, die Nutzer voneinander
abzuschirmen. Daraus ergeben sich Vor- und Nachteile gegenüber
Betriebssystemen, die scheinbar 4 von nur einem Benutzer
genutzt werden.
Nachteilig ist, dass die erhöhte Sicherheit für die Nutzer unbequem
ist, da an verschiedenen Stellen zusätzliche Eingaben
erforderlich sind. Vorteil ist, dass unter Unix ein Absturz des
3 Die Biographie von Linus Torvalds gibt es als lesenswertes Taschenbuch
[Torvalds].
4Da Computernutzer in der Regel Programme von mehreren Programmierern
ausführen, trügt der Schein, es gebe nur einen Benutzer!

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 46
Betriebssystems eine seltene Ausnahme ist. Ein Nutzer kann
mehrere Programme gleichzeitig rechnen lassen.
Da Unix von Anfang an einen durchdachten Ansatz verfolgt
hat, sind Unverträglichkeiten im Verlauf der Weiterentwicklung
selten.
Linus Torvalds hat seines Geistes Kind sehr bald unter die
GNU-Lizenz gestellt. Seit der Zeit hat sich ein regelrechter
Markt von frei erhältlichen Unix-ähnlichen Betriebssystemen
entwickelt. Für die weltweite Situation der Software war das
ein entscheidender Schub in eine Richtung, die der ehemalige
MIT-Mitarbeiter Richard Stallman mit der Free Software
Foundation (FSF) eingeschlagen hatte.
Die folgende Einführung in Linux ist knapp gehalten. Auch
zum späteren Nachschlagen gut geeignet ist das Linux Anwenderhandbuch
[Linux], das einen ernsthaften Einstieg in Linux
gut begleitet.
5.2 Bäume wachsen – Dateisysteme
Ein wichtiger Punkt für den bewussten Umgang mit Computern
ist das Verständnis des Dateisytems auf den Festplatten.
Unter Unix wird ein Modell angewendet, welches sich Dateibaum
nennt. Dateibäume bestehen vorwiegend aus zwei verschieden
Typen von Objekten:

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 47
Verzeichnisse: werden auch Directory oder Ordner genannt.
Bei Unix dürfen für deren Benennung Worte aus
fast allen Buchstaben verwendet werden, was jedoch bei
zu freizügigem Umgang zu Problemen mit den Werkzeugen
führen kann. Man wählt anfangs besser nur Worte, die man
ganz natürlich als Namen vergeben würde.
Dateien: werden auch File genannt. Namen werden wie
für Verzeichnisse gebildet. Die Dateien enthalten die Daten,
die unter dem Dateinamen für (vorläufig unbegrenzte Zeit)
gespeichert werden.
Nun gelten drei einfache Regeln:
1. Ein Dateibaum hat genau einen Anfang. Dieser Anfang
wird Wurzelverzeichnis oder Root-Directory genannt.
Das Wurzelverzeichnis hat keinen frei wählbaren Namen,
sondern heisst ,, / ”.
2. Jedes Verzeichnis (inklusive Wurzelverzeichnis) darf beliebig
viele Dateien und Verzeichnisse enthalten.
3. Die Namen werden mit dem Zeichen / getrennt.
Wem obiges System zu abstrakt ist, stelle sich eine schön gewachsene
Eiche vor: Der Stamm ist das Wurzelverzeichnis, die
Verzeichnisse sind die Äste, die Blätter sind die Dateien und
der Benutzer ist das Eichhörnchen.

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 48
Manchmal gibt es beim Verständnis des Baummodells ein kleines
Problem: Bäume wachsen von unten nach oben. Wird das
in Schriftform niedergelegt, geht das natürlich besser von oben
nach unten, weil wir das Schreiben in dieser Richtung gewohnt
sind.
Dieses System wurde in einer vereinfachend modifizierten
Form auch für MS-DOS und seine Töchter übernommen. Da
das Internet primär in der Unix-Welt aufgewachsen ist, wird
auch dort das Baummodell verwendet. Das Wurzelverzeichnis
heißt dort http://, die ersten Bezeichner heißen Domain
wie zum Beispiel www.google.de, die Adresse einer beliebten
Suchmaschine.
Dem Betriebssystemkern ist es egal, wie die Benutzer den Dateibaum
wachsen lassen, solange sie die Festplattenkapazität
beachten. Damit die Unordnung nicht zu groß wird, gelten bei
Linux weitere Regeln:
/ Das Wurzelverzeichnis darf nur der Systemadministrator
beschreiben.
/bin Hier befinden sich die Programme, die manchmal auch
zum Betriebssystem hinzugezählt werden. Siehe Abschnitt
5.1.
/sbin Programme für die Systemverwaltung
/dev hier befinden sich die Geräteschnittstellen
/etc Dateien zur Einstellung des Betriebsystems

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 49
/home die Heimatverzeichnisse der Nutzer
/lib Bibliothek von Unterprogrammen
/usr wichtige Programme und Daten; ziemlich unordentlich.
/usr/bin die Fortsetzung von /bin
/tmp Hier darf jeder Nutzer vorübergehende, unwichtige,
Dateien ablegen. In manchen Systemen werden diese
später automatisch gelöscht.
Es soll eindringlich darauf hingewiesen werden, dass ein sicherer
Umgang mit heutigen Computern, gleich welcher Art,
ein Verständnis dieses Baummodells voraussetzt. Schon eine
vernünftige Planung der notwendigen Datensicherung scheitert
ohne dessen Verständnis.
Da es so wichtig ist, möchte ich nochmal auf das Dateisystem
eingehen. Es gibt drei besondere Verzeichnisse.
5.2.1 Wurzelverzeichnis
Dateinamen mit / am Anfang heißen absolute Dateinamen.
Sie beziehen sich auf das Wurzelverzeichnis.
Man gibt den kompletten Weg durch den Dateibaum vom
Wurzelverzeichnis aus an. Beispiel eines Zugriffs auf nicht im
Arbeitsverzeichnis liegende Daten:
grep $HOME /etc/passwd

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 50
5.2.2 Heimatverzeichnis
Es heißt auch Home Directory.
$HOME entspricht dem Wurzelverzeichnis des Benutzers. Jedem
Benutzer ist genau ein Heimatverzeichnis zugewiesen. In
diesem Verzeichnis darf er seinen eigenen Teil des Dateibaums
aufbauen. Unmittelbar nach der Anmeldung beim System ist
das im nächsten Unterpunkt beschriebene Arbeitsverzeichnis
auf das Heimatverzeichnis gesetzt.
5.2.3 Arbeitsverzeichnis
Dateinamen ohne / am Anfang heißen relative Dateinamen.
Sie beziehen sich auf das Arbeitsverzeichnis.
Das Arbeitsverzeichnis, die englische Bezeichnung ist Current
Working Directory, ist das Verzeichnis, auf das sich in der
Regel die Befehle des Nutzers beziehen. Falls es vorkommt,
dass man den Namen des Arbeitsverzeichnisses gerade nicht
weiß, da es ja variabel ist, gibt das Programm
pwd
(print working directory) Auskunft. Es ist sinnvoll, für getrennte
Arbeiten getrennte Verzeichnisse anzulegen.
Zum Wechseln des Arbeitsverzeichnisses gibt es das Programm

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 51
cd
(change directory). Nicht immer ist es ausreichend, Dateien
im Arbeitsverzeichnis anzusprechen, da es Dateien gibt, die
für verschiedene Arbeitsvorgänge angelegt werden. In diesem
Fall verwendet man absolute Dateinamen.
Nach meiner Beobachtung ist ein wichtiger Grund für
Missverständnisse zwischen Anfängern und fortgeschrittenen
Nutzern das Unwissen um die Existenz des Arbeitsverzeichnisses!
5.3 GNU - Tools
Richard Stallman, der bereits vorgestellte Gründer der FSF,
ist der Überzeugung, dass geistige Entwicklungen zwar einen
Autor haben, der als solcher auch erwähnt werden muss, die
Nutzung einer Idee aber allen Menschen verfügbar gemacht
werden soll.
Aus dieser Überzeugung heraus entwickelte er eine Softwarelizenz,
die GPL, die einen Vertrag zwischen Autor und Nutzer
knüpft und die Software vor eigennützigen Interessen schützt.
Die wesentlichen Vertragspunkte sind:
1 Die Software darf von jedem verteilt oder verkauft werden.
2 Der Nutzer darf das Programm sogar ändern.

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 52
3 Der Nutzer hat Anspruch auf die Programmquellen.
4 Der Vertrag darf nicht eingeschränkt werden (auch wenn
nur Programmteile genutzt werden).
7 Betroffene Patente müssen für Jedermann frei nutzbar
sein.
11 Der Autor gewährt keine Haftung.
Richard Stallman legt Wert darauf, dass es nur eine
gültige Version der Lizenz gibt. Diese findet man unter
www.gnu.org/licences [gnu].
GNU ist ein sogenanntes Akronym als Abkürzung für ,,GNU
is Not Unix”, was wohl auf die Lizenzpolitik des ursprünglichen
Unix anspielen soll.
Es wurden GNU-Versionen der wichtigsten Unix-Werkzeuge
neu programmiert:
ls Listet den Inhalt eines Verzeichnisses.
cat Zeigt Inhalt von Dateien, kann viel mehr.
cp Kopierprogramm
rm Löschprogramm

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 53
mkdir Erzeugt Verzeichnisse.
rmdir Entfernt leere Verzeichnisse.
find Sucht im Dateibaum.
man Gibt Hilfe zu dem im Argument benannten Befehl.
tar Sicherungsprogramm
Dies ist nur eine kleine Auswahl wichtiger Programme der
großen Menge der GNU-Werkzeuge, die sich vor allem in den
Verzeichnissen /bin /usr/bin und /sbin befinden. Jedes Programm
kennt eine Menge von Schaltern und Optionen, die
man mit dem Schaltern -h oder --help abrufen kann. Weitere
Hilfe bieten die Befehle man ls ... und info ls ...
5.3.1 bash
Der Betriebssystemkern kann nicht direkt mit dem Nutzer
kommunizieren. Hierzu ist ein weiteres wichtiges Programm
notwendig, dem der bildhafte Name Shell gegeben wurde, da
es wie eine harte Schale den Kern vom Nutzer trennt. Die erste
Shell, die weite Verbreitung fand, wurde von S. R. Bourne
geschrieben. Da diese Shell noch viele Wünsche offen ließ,

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 54
entstanden andere Shells, wie die cshell, die leider recht inkompatibel
zur Bourne-Shell war. Diesen Fehler korrigierte
die Korne-Shell mit anderen Problemen.
Bei der FSF entschied man sich, zur Bourne-Shell kompatibel
zu bleiben, neue Features aber so gut wie möglich einzubauen.
Es entstand die mächtige bash. Der Name ist eine Abkürzung
von Bo(u)rn(e) Again SHell.
Neben der notwendigen Eigenschaft, Befehle in der Form von
Programmnamen und eventuellen Schaltern und Argumenten
von der Tastatur anzunehmen, ist die Shell auch Programmiersprache.
Man kann Befehle mit einem Editor in eine Datei
schreiben und diese Datei wiederum wie ein Programm
starten. Es ist möglich, Programme über Schleifen und Bedingungen
zu komplexeren Programmen zu verbinden. Es gibt
auch Unterprogramme. Ein derartiges Programm wird auch
Shellscript genannt.
So werden zwei wichtige Unix-Konzepte unterstützt: Programme
einfach und begrenzt zu halten und mit einfachen
Bausteinen komplexere Dinge zu realisieren.
5.3.2 Editoren
Editoren verwendet man, um Texte in den Computer einzugeben.
Texte sind nicht nur Briefe und Aufsätze, es können
auch Daten, Programme, Bücher usw. sein. Editoren sind also
die wichtigsten Eingabeprogramme für Computer. Prinzipiell

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 55
könnten im nicht grafischen Bereich alle Eingaben über Editoren
geschehen.
Aus diesem Grund haben viele Leute ihren eigenen Editor
geschrieben (Autor eingeschlossen). Sechs wichtige Editoren
möchte ich erwähnen:
vi ist der Nachfolger des ersten Unix-Editors ed. vi konnte
mit den damals neuen Bildschirmterminals umgehen. ed funktionierte
noch mit Fernschreibern. Eine wichtige Eigenschaft
von vi ist, dass er mit dem Zehn-Finger-System blind bedient
werden kann.
vim ist eine umfangreiche Nachprogrammierung des vi mit
vielen Erweiterungen. In der Lizenz des vim wird man eingeladen,
Kinder in Uganda finanziell zu unterstützen.
emacs gehört zum Grundstock der FSF. emacs ist um einen
Kern der Programmiersprache Lisp gebaut worden und in Lisp
erweiterbar. Der Autor ist Richard Stallman. Leider entspricht
emacs nicht mehr dem Unixkonzept, klein zu sein, weshalb die
Meinung dazu recht gespalten ist.
e3 ist ein sehr kleiner (8KB) in Assembler programmierter
Editor, der dennoch Oberflächen bietet, die sich an vi, emacs,
wordstar, nedit und pico anlehnen.

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 56
pico ist ein relativ einfach zu bedienender Editor ohne komplexe
Funktionen.
gvim ist der für X11-Oberflächen erweiterte vim. gvim
setzt Farbe zur Hervorhebung von Programmiersprachen ein
und kann auch sinnvoll mit der Maus bedient werden.
Alle erwähnten Editoren sind für die Eingabe von Programmen
geschrieben worden. Obwohl es für Linux auch sehr gute
WYSIWYG 5 - Editoren gibt, werden diese vom Autor bewusst
nicht eingesetzt. Der Autor nutzt heute vim, da dieser
das Zehn-Finger-Blindschreiben am besten unterstützt. Mehr
zu diesem Thema im makefile.latex auf der Homepage [unger]
des Autors.
5.3.3 make
make wurde geschrieben, um das wiederholte Aufrufen von
Programmierwerkzeugen zu erleichtern. In einem Makefile
werden die Abläufe und Abhängigkeiten für die Übersetzung
von Programmen formuliert. make kann mit dieser Beschreibung
den Übersetzungslauf automatisieren und optimieren.
Die Optimierung wird über die Angabe der Abhängigkeiten
im Makefile und Änderungszeiten der beteiligten Dateien entschieden.
In großen Systemen, wie zum Beispiel bei der Übersetzung
des Linux Betriebssystems, wird dadurch viel Zeit
gewonnen. In kleinen Systemen dokumentiert das Makefile
5 What You See Is What You Get

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 57
immerhin noch den Entstehungsvorgang. make ist nicht auf
Programmentwicklung beschränkt. Es leistet auch gute Dienste
bei der Pflege von Datenbanken und mehr.
In den Verzeichnissen, die die Software für das
Mikrocontroller- Experimentiersystem enthalten, befindet
sich meist ein Makefile mit integrierter Dokumentation.
Der Aufruf von ,,make” oder ,,make help” erzeugt die
Ausgabe
Usage: make same as make help
make help same as make
make vi edit sourcefile
make eeprom create data for eeprom
make flash compile flashable file
make upload upload flash into processor
make upload_fuse program fuse
make upload_eeprom upload eeprom into processor
make download read data from processor and compare
make disasm disasm flash
make verify verify flash
make erase erase chip
make clean remove redundant data
Die verfolgte Absicht dieses Konzeptes besteht darin, nur
einen Befehl kennen zu müssen, nämlich ,,make”. Der Rest
ergibt sich.
5.3.4 X11
Die graphische Oberfläche für Unix heißt X11. Das Konzept
ist tief durchdacht. So ist es möglich, X11-Programme auf
anderen Rechnern im Internet zu starten, d.h. Maus, Tastatur,
Bildschirm und Programm können auf verschiedene Rechner
verteilt werden.

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 58
Für X11 wurden verschiedene Fenstermanager programmiert.
Modern sind Gnome und KDE. Ein sehr kleiner Fenstermanager
wurde von den Entwicklern von X11 selbst entworfen.
Er heißt twm. Wahrscheinlich dient er bei der Entwicklung
als Testumgebung. Kleineren Computern ermöglicht twm eine
grafische Oberfläche anzubieten, auf der man gut mehrere
Fenster öffnen, Bilder betrachten, Bücher lesen und andere
grafikorientierte Tätigkeiten erledigen kann.
5.3.5 Ghostscript
Da Drucker sehr unterschiedlich angesteuert werden, hat sich
in der Unix-Welt eine Sprache für Druckwerke, namentlich
Postscript etabliert. Postscript wurde von der Firma Adobe
[adobe] entwickelt.
Drucker, die Postscript direkt verstehen, sind manchmal teurer
als einfachere Modelle. Um preiswerte Drucker einsetzen
zu können, übersetzt das Programm ghostscript den
Postscript-Code in einfache Druckerbefehle. Natürlich muss
bei der Installation das vorhandene Druckermodell eingestellt
werden.
5.3.6 Datenbank
Die folgenden Programme ermöglichen unter Zuhilfenahme eines
Editors die Realisierung kleiner Datenbanken. Neben der

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 59
Textverarbeitung ist das eine häufige und wichtige Anwendung
von Computern.
grep selektiert Zeilen in Tabellen.
cut selektiert Spalten in Tabellen.
join vereinigt Tabellen.
sort sortiert Tabellen.
awk Programmiersprache für Tabellenbearbeitung.
sed editiert Dateien programmgesteuert.
Zu Zeilen sagt man oft Datensätze 6 . Spalten werden häufig
Felder 7 . genannt. Tabellen speichert man in Dateien. Die
Grundfunktionen grep, cut und join erzeugen wiederum Tabellen.
Ein kleines Beispiel soll eine Idee der Funktion von Datenbanken
vermittlen:
Eine Tabelle mit dem Dateinamen ,,geburtstage” enthält folgende
Daten:
Huber:1980Apr01:Hamburg
Meier:1975Mar04:Frankfurt
Molch:1977Feb11:München
Eine Anfrage an die Datenbank, wer am 1. April Geburtstag
hat, sähe folgendermaßen aus:
6 In der englischsprachigen Literatur records genannt.
7 In der englischsprachigen Literatur fields genannt.

KAPITEL 5. KURZEINFÜHRUNG IN LINUX 60
grep Apr01 geburtstage|cut -d: -f1
Eine weitere Tabelle mit dem Dateinamen ,,telefon” enthält
diese Daten:
Huber:0123-1111111
Meier:0111-1212121
Molch:0333-3333333
Eine Tabelle der Telefonnummern der Geburtstagskinder des
1. April:
grep Apr01 geburtstage|join -t: - telefon|cut -d: -f4
Wer wundert sich noch über Werbeanrufe?
Vertiefung: Man studiere die man-pages von grep, join und
cut, um das vorherige Kommando zu verstehen.

Kapitel 6
Assembler
Assembler sind Sprachen, die die Befehlscodes der jeweiligen
CPU direkt abbilden. Jede CPU-Familie hat ihre eigene
Assembler-Sprache. Da alle CPUs dem im Kapitel 3 beschriebenen
Modell folgen, kann man mühelos von einer Assembler-
Sprache auf eine andere umsteigen.
Beim ersten Studium einer Assembler-Sprache sind Abbildungen
der CPU, welche das Registermodell veranschaulichen,
hilfreich.
Neben der prinzipiell einfachen Umsetzung der Befehle, Mnemonics
genannt, in die binären Befehlscodes, leisten Assembler
noch die Berechnung von Sprung- und Datenadressen, die
frei bezeichnet werden dürfen.
Eine lästige Pflicht bei der Programmierung mit Assembler
ist das Erfinden von Namen für Sprungmarken. Mit Hilfe der
61

KAPITEL 6. ASSEMBLER 62
im nächsten Kapitel erklärten strukturierten Programmierung
und einem Notizzettel für das Abstreichen verwendeter Nummern
kann man sich das Programmieren vereinfachen, wie folgendes
Beispiel einer Schleife, die im Register1 von 1 bis 100
zählt, zeigt:
;nach Semikolon folgt ein Kommentar
;r1=1
ldi r1,1 ;load immediate
;loop
loop1: ;Sprungmarke
;if r1==100 then breakloop endif
cpi r1,100 ;compare immediate
breq endloop1;branch if equal
;r1=r1+1
addi r1,1 ;add immediate
;endloop:
jmp loop1 ;jump
endloop1: ;Sprungmarke
Mit dieser Methode bereitet das beliebig tiefe Schachteln von
Programmschleifen kein Problem mehr. if-then-else-endif behandelt
man analog.
Programme werden oft in mehrere Teile zerlegt. Im Idealfall
nennt man das ,,modulares Programmieren”. Nachdem der
Assembler alle Programmmodule übersetzt hat, werden diese
vom Linker zu einer Datei zusammengefügt. Beim Linkvorgang
müssen außerdem absolute Speicheradressen für die

KAPITEL 6. ASSEMBLER 63
freien Symbole der Sprung- und Datenadressen berechnet und
vergeben werden.
Vertiefung: Wie lange rechnet obiges Programm, wenn der
Prozessor pro Takt ein Befehl ausführt und mit 8 Mhz getaktet
ist?

Kapitel 7
Programmiersprache C
Der große Trick bei der Entwicklung von Unix war die Programmiersprache
C. C ist einfach auf Maschinensprachen abbildbar,
besitzt aber dennoch eine eindeutige Syntax und eine
nahezu eindeutige Semantik. Über 90 Prozent von Unix
konnten in C formuliert werden. Dadurch war die Portierung
des Betriebssystems auf neue Prozessoren vereinfacht worden.
Ferner war mit jeder Portierung des Betriebssystems sofort
eine höhere Programmiersprache verfügbar. C hat relativ
schnell die damals etablierten Programmiersprachen wie Algol,
Cobol und Fortran verdrängt.
Der C-Compiler von GNU, gcc genannt, hat inzwischen Referenzstatus.
Später kommt er auch hier zum Einsatz.
Zum Lernen von C ist das Originalbuch [C] der Autoren der
Sprache bestens geeignet. Nicht nur, dass es die ursprüngli-
64

KAPITEL 7. PROGRAMMIERSPRACHE C 65
che Sprachdefinition darstellt, es kann auch als vorbildliches
Lehrbuch bezeichnet werden.
Das erste Programmierprojekt des Buches ist ein triviales Programm,
das den Text
hello, world
ausgibt. Diese didaktische Idee bekam viele Nachahmer wie
man in der Wikipedia [wikipedia] nachlesen kann.
Wichtiges Konzept der Sprache C ist die sogenannte strukturierte
Programmierung. Strukturierte Programme lassen
sich in Blöcke gliedern mit genau einem Eingang und genau
einem Ausgang. Um dies zu erreichen, werden Programmsprünge,
die das von-Neumann-Konzept in ungezügelter Art
und Weise zulässt, auf den Vorwärtssprung mittels if-thenelse-endif
und den Rückwärtssprung mittels loop-endloop
eingeschränkt. Für das Beenden von Schleifen gibt es ein
breakloop. Beliebiges Ineinanderschachteln der Form loop1loop2-endloop2-endloop1
usw. ist erlaubt.
Nicht erlaubt ist ein Verschachteln der Form loop1-loop2endloop1-endloop2.
Die Bedingung, genau einen Eingang zu
haben, wäre verletzt.
Die Sprache C verwendet zur Blockbildung geschweifte Klammern:
{ und }. Für den Vorwärtssprung gibt es if, else und
switch, case. Der Rückwärtssprung kann durch while oder for
oder durch do mit while ausgedrückt werden.

KAPITEL 7. PROGRAMMIERSPRACHE C 66
if-then-else-endif wird in C folgendermaßen formuliert:
if (Bedingung)
{
Anweisungen;
}
else
{
Anweisungen;
}
Der else-Teil kann auch fehlen.
Für loop-endloop gibt es in C drei mögliche Formulierungen,
die nachfolgend mit der loop-Metasprache 1 erklärt werden:
while (Bedingung) loop
{ if not Bedingung then breakloop endif
Anweisungen; Anweisungen
} endloop
for (Ausdruck1;Bedingung;Ausdruck2) Ausdruck1
{ loop
Anweisungen; if not Bedingung then breakloop endif
} Anweisungen
Ausdruck2
endloop
do loop
{ Anweisungen
Anweisungen; if not Bedingung then breakloop endif
} while (Bedingung) endloop
Da sich in einigen Fällen, oft bei Fehlerbehandlung, nicht
strukturierte Sprünge vorteilhaft auswirken, kennt C auch goto
und Label als Sprungziele zur verantwortungsvollen Nutzung.
Ferner formuliert man den selten vorkommenden allgemeinsten
Fall eines loop mit mittiger Abruchbedingung in der
Sprache C mit Hilfe von goto:
1 Ein Metasprache ist eine Sprache, die eine andere Sprache erklärt.

KAPITEL 7. PROGRAMMIERSPRACHE C 67
loopA: loop
Anweisungen1; Anweisungen1
if (Bedingung) goto endloopA; if Bedingung then breakloop endif
Anweisungen2; Anweisungen2
goto loopA; endloop
endloopA:
Die Korrektheit eines strukturierten Programmes kann bewiesen
werden. Einen solchen Beweis nennt man Programmverifikation.
Da derartige Beweise sehr aufwändig sind, werden sie
nur selten durchgeführt.
Auf Grund des geordneten Programmflusses gibt es viele Vorteile.
Strukturierte Programme sind
• leserlicher
• verständlicher
• robuster
• leichter änderbar
• eher wiederverwendbar
All diese Vorzüge sind Gründe dafür, dass eigentlich alle modernen
Programmiersprachen dieses Konzept unterstützen.
Fortran, Cobol und Basic sind in ihrer ursprünglichen Form
aussterbende Sprachen, weil sie das Konzept noch nicht kannten.

Teil II
Hardwaretechnik
68

Kapitel 8
Hardware-Labor
Mit diesem Buch soll ein komplettes Entwicklungssystem für
Mikrocontroller der Firma Atmel aufgebaut werden. Aus diesem
Grund wird kurz auf einige unverzichtbare Utensilien eines
Hardware-Labors eingegangen.
8.1 Lötkolben
Für elektronische Bauteile braucht man einen Lötkolben
mit ca. 16 Watt. Besser ist ein Gerät mit mehr Leistung
und einer Temperaturregelung. Als Lötdraht verwendet man
Elektronik-Lot mit 1 mm Durchmesser.
Um einwandfreie Lötverbindungen herzustellen muss man ein
69

KAPITEL 8. HARDWARE-LABOR 70
Abbildung 8.1: Gute und schlechte Lötverbindungen.
wenig üben und wissen, dass es drei Feinde einer guten Lötverbindung
gibt:
Zu geringe Temperatur. Der Lötkolben muss ausreichend
Zeit zum Anheizen bekommen. Erst wenn der Lötdraht
sofort schmilzt, ist die Anheizzeit vorbei. Lötkolben und Lot
werden gleichzeitig zur Lötstelle geführt. Die Lötspitze wird
noch ca. 1 Sekunde im flüssigen Lot gelassen, bis das Lot sich
mit allen Teilen verbindet. Dies erkennt man an der Form der
Oberfläche. Siehe Abbildung 8.1.
Oxydation. An zwei Stellen macht Oxydation zu schaffen:
Vor allem blanke Kupferoberflächen an Bauteilen oxydieren.
Geringe Oxydation wird vom Flussmittel im Lot unterwandert.
In schweren Fällen, zum Beispiel, wenn Handschweiß
mehrere Tage auf Kupfer einwirken konnte, muss mit hartem
Radiergummi oder mit feinem Schmirgelpapier Abhilfe
geschaffen werden.

KAPITEL 8. HARDWARE-LABOR 71
Wird der Lötkolben mehrere Minuten nicht benutzt, so verdampft
die schützende Flussmittelhülle um das heiße Lot herum.
Danach entsteht eine Oxydationsschicht, die weiteres Arbeiten
behindert. In diesem Fall muss die Lötspitze zum Beispiel
mit einem Papiertaschentuch gereinigt und sofort mit ein
wenig frischem Lot wieder geschützt werden.
Bewegung beim Erstarren. Wird der Lötkolben von der
Lötstelle entfernt, beginnt die mehrere Sekunden dauernde
Erkaltungsphase. Wurde vor dem Löten nicht dafür gesorgt,
dass die Teile unbeweglich sind, führt das zu einer sogenannten
kalten Lötstelle. Die Oberfläche des Lotes ist nicht mehr
glatt. Solche Stellen müssen unbedingt nachgelötet werden,
da sie u. a. zu Wackelkontakten führen können!
8.2 Multimeter
Um zum Beispiel Spannungen nachzuweisen, ist es gut, ein
Multimeter zu besitzen. Es ist quasi das wichtigste Messgerät,
wenn man mit Elektrizität zu tun hat. Diese Geräte
sind für Messungen von Spannung [Volt], Strom [Ampere] und
Widerstand [Ohm] ausgelegt. Es gibt analoge Zeigerinstrumente
und digitale Messgeräte. Auch wenn die technischen
Daten bei gleichem Preis für digitale Messgeräte sprechen,
würde ich als erstes Gerät ein Zeigerinstrument empfehlen.
Der Grund dafür liegt darin, dass der zeitliche Verlauf des
Zeigerausschlags weit mehr über das laufende physikalische

KAPITEL 8. HARDWARE-LABOR 72
Experiment aussagt, als auch ein teures digitales Messgerät
vermitteln kann.
Für den Umgang ist wieder etwas Theorie notwendig.
In der Physik verwendet man oft vier Bezeichnungen: Den
Namen des physikalischen Phänomens und dessen Abkürzung
und die Dimension zur quantitiven (größenmäßigen) Bestimmung
und dessen Abkürzung.
Drei wichtige Größen der Elektrotechnik
Phänomen Abkürzung Dimension Abkürzung
Spannung U Volt V
Strom I Ampere A
Widerstand R Ohm Ω
Die drei physikalischen Größen gehorchen unter bestimmten
Bedingungen dem Ohmschen Gesetz:
R · I = U
⇔ U
= R
I
⇔ U
= I
R
Ströme kommen oft in sehr kleinen Größen vor und werden
dann in Milliampere mit 1 mA = 0,001 A angegeben. Aus dem
Ohmschen Gesetz kann man folgern, dass Widerstände mit
großen Werten vorkommen. Sie werden mit Kiloohm bezeichnet,
wobei 1 KΩ = 1000 Ω ist.

KAPITEL 8. HARDWARE-LABOR 73
Bei der Anwendung des Multimeters muss man sich als erstes
darüber klar werden, welche Größe man messen will, da
das Gerät entsprechend eingestellt und angeschlossen werden
muss:
Spannung: Dies ist die häufigste Messung mit dem Multimeter.
Nach Einstellung des Messbereichs, in unseren Fällen
auf Gleichspannung, wird der Minus-Eingang des Gerätes
mit der Masse der Schaltung verbunden und mit dem Plus-
Eingang zum Beispiel ein Ausgang des Mikrocontrollers
berührt. Der größte Fehler, der bei dieser Messung passieren
kann, wäre, das Messgerät auf Stommessung einzustellen,
ein Kurzschluss wäre die Folge. Andere Fehler äußern sich in
unsinnigen Messwerten.
Abbildung 8.2: Schaltung einer Spannungsmessung.

KAPITEL 8. HARDWARE-LABOR 74
Strom: Strommessungen sind seltener. Sie gehören zu den
komplizierteren Messungen mit dem Multimeter. Nach Einstellen
des Gleichstrombereiches verhält sich das Messgerät
zwischen den beiden Messspitzen annähernd wie ein Stück
Draht (niedriger Innenwiderstand). Verwendet man jetzt die
Messspitzen wie ein Voltmeter, so kommt es zu einem Kurzschluss.
Multimeter haben für diesen Fall eine Sicherung, welche
dann eventuell gewechselt werden muss.
Bei der Strommessung muss in der Schaltung eine Leitung,
zum Beispiel die Stromversorgungsleitung, unterbrochen werden.
Die Unterbrechung wird dann mit den Messspitzen überbrückt.
Siehe Abbildung 8.3.
Abbildung 8.3: Schaltung einer Strommessung.
Die bei Mikrocontrollern vorkommenden Ströme sind meist
so klein, dass sie im Bereich der unteren Messbereichsgrenzen
liegen. Wer nun die gute Idee hat, das Ohmsche Gesetz einzusetzen,
kommt leider auch nicht zum Ziel, da die Messung des
Widerstandes mit dem Multimeter nur mit sogenannten Ohmschen
Leitern (Schaltungen ohne Halbleiter, Spulen, Konden-

KAPITEL 8. HARDWARE-LABOR 75
satoren) funktioniert.
Widerstand: Widerstände werden außerhalb der Schaltung
gemessen. Selbst Drehspulinstrumente mit Zeiger, die
bei Strom- und Spannungsmessungen ihre Energie aus der
zu messenden Schaltung beziehen (und damit den Messwert
etwas verfälschen), setzen für diese Messungen eine Batterie
ein. Die Batterie wird geprüft, indem die Messspitzen kurzgeschlossen
werden. Das Multimeter muss dann Null Ohm
anzeigen.
Abbildung 8.4: Schaltung einer Widerstandsmessung.
Das Messgerät wird auf den größten Widerstandsbereich
eingestellt und dann stufenweise heruntergeschaltet, bis der
Messbereich optimal genutzt wird.
Manche Geräte haben zur Durchgangsprüfung von Leitungen
(sehr geringer Widerstand) einen Summer, der davon
entlastet, bei solchen Prüfungen die Anzeige beobachten zu
müssen. Zur Fehlersuche in neu aufgebauten Schaltungen ist
das recht nützlich.

KAPITEL 8. HARDWARE-LABOR 76
8.3 Netzgerät
Netzgeräte gibt es in den verschiedensten Ausführungen. Sie
können fehleranfällige Batterien ersetzen. Gute Netzgeräte besitzen
eine einstellbare maximale Spannung und einen einstellbaren
maximalen Strom. Mit Strom- und Spannungsanzeige
können auf einen Blick die wichstigsten Parameter einer
Schaltung kontrolliert werden.
Für die Schaltungen in diesem Buch ist ein Netzgerät nicht unbedingt
erforderlich. Für diejenigen, die weiter arbeiten wollen,
steht es weit oben auf der Wunschliste.

Kapitel 9
Kleine Bauteilekunde
Die folgende Bauteilekunde geht nur auf solche Teile ein, die
für unser Projekt gebraucht werden. Selbstverständlich gibt
es weit mehr Bauteilesorten und Untersorten als hier erwähnt
sind.
Von jedem Bauteil werden Bezeichnung, Aussehen, wesentliche
Eigenschaften und ein Funktionstest beschrieben.
9.1 Platinenmaterial
Wir verwenden fotobeschichtetes 1,5 mm starkes Epoxyd-
Glashartgewebe mit einseitiger Kupferauflage von 35 µm
Dicke. Diese Bezeichnung impliziert, dass es auch nicht fotobeschichtetes
Material gibt, andere Dicken, zweiseitige Kupfer-
77

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 78
auflage und andere Basismaterialien. Epoxyd-Glashartgewebe
hat neben hoher Stabilität den Vorteil, dass die Kupferauflage
gut an der Platine haftet. Das ist eine wichtige Eigenschaft, da
es bei den Experimenten vorkommen kann, dass ein Bauteil
wieder entlötet werden muss. Bei preiswerterem Hartpapier
ist es normal, dass die Leiterbahn sich bei wiederholtem Erhitzen
vom Basismaterial löst.
9.2 Stecker
Abbildung 9.1: Stecker
Stecker werden hauptsächlich für die Stromversorgung und
für Signalwege eingesetzt. Für die Stromversorgung setzen wir
Hohlstecker ein, wie sie bei Steckernetzteilen Verwendung fin-

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 79
den. Diese gibt es mit verschiedenen Durchmessern. Wir verwenden
häufig vorkommende 2,1 mm. Für den Übergang auf
andere Durchmesser gibt es Adapter.
Für die Signale verwenden wir Pfostenstecker und D-
Sub-Steckverbinder. Auf der PC-Seite kommen die D-Sub-
Steckverbinder DB-9 und DB-25 zum Einsatz. Deren Pole sind
in der Regel auf der Lötseite eindeutig durchnummeriert.
Für unsere Platine nehmen wir Pfostenstecker und Buchsen,
die sich leicht und präzise mit Flachbandkabel verbinden
lassen. Leider wird bei diesen meist nur der Pin 1 durch
einen Pfeil gekennzeichnet. Obendrein gibt es Versionen ohne
Führung und Kodiernase. Auch die Reihenfolge der Nummerierung
ist anders als bei den D-Sub-Steckern!
9.3 Kabel
Bei Kabeln unterscheidet man Querschnitt, Isolation und Kabelaufbau.
Für ein Ampere Strombelastung benötigt man
0,1 mm 2 Querschnitt. Zu geringer Querschnitt führt zur Erhitzung.
Isolation und Kabelaufbau wird durch die Art der
Verwendung festgelegt. Nur bei fester Verlegung verwendet
man massive Kabel. Sonst kommen Litzen zum Einsatz, da
diese nicht so leicht brechen. Für Messkabel verwendet man
teure, hoch flexible Litzen.
Rote Kabel signalisieren positive Gleichspannung; das zugehörige
schwarze Kabel signalisiert Masse.

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 80
Fehler in Steckverbindungen und Kabel sucht man mit dem
Ohmmeter.
9.4 Widerstände
In Bauteilelisten werden Widerstände durch ein R und eine
Nummer bezeichnet. Zum Beispiel R1. Amerikanische
Schaltpläne stellen Widerstände auf andere Weise dar als europäische:
Abbildung 9.2: Amerikanisches und europäisches Widerstandssymbol
Der Widerstandswert wird durch einen Code von farbigen
Ringen gekennzeichnet. Der letzte Ring kennzeichnet die Toleranz,
zum Beispiel:
silber 10%
gold 5%
Der vorletzte Ring gibt die Anzahl der Nullen an. Die Ringe
davor bezeichnen die Ziffern nach folgendem Code:

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 81
Abbildung 9.3: Widerstände

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 82
schwarz 0
braun 1
rot 2
orange 3
gelb 4
grün 5
blau 6
violett 7
grau 8
weiß 9
In der für 10% Toleranz vorgesehenen Reihe E12 gibt es die
Ziffernfolgen 10, 12, 15, 18, 22, 17, 33, 39, 47, 56, 68, 82. Ein
Widerstand mit 4700 Ohm 1 und einer Toleranz von 5% trägt
die Ringe rot, violett, rot und gold. Er wird auch mit 4700 Ω
oder 4,7 kΩ oder 4k7 bezeichnet. Ausgesprochen wird das als
,,4,7 Kiloohm”.
Die maximale Verlustleistung von Widerständen variiert mit
der Größe. In unseren Schaltungen fließen nur kleine Ströme,
so dass kleine Widerstände mit 0,25 Watt ausreichen. Bei
Platzmangel kann man SMD-Widerstände einsetzen, die,
wenn überhaupt, den Wert als Ziffern aufgedruckt haben. Die
letzte Ziffer bezeichnet wieder die Anzahl der Nullen.
Die Funktion eines Widerstandes prüft man mit dem Ohmmeter.
Die umgebende Schaltung bestimmt, ob er für die
1854
1 benannt nach dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm, 1787–

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 83
Messung separiert werden muss, was der Fall ist, wenn nicht
annähernd der erwartete Wert gemessen wird.
9.5 Kondensatoren
Abbildung 9.4: Kondensator und Elektrolytkondensator
Kondensatoren sperren Gleichstrom und sind durchlässig für
Wechselstrom. Auch Stromimpulse sind eine Form von Wechselstrom.
So wie es Wechselströme verschiedener Stärke, Wellenform
und Frequenz gibt, so gibt es Kondensatoren mit verschiedener
Kapazität. Die Einheit der Kapazität ist das Farad
2 mit der Abkürzung F.
Zwei Grundtypen von Kondensatoren müssen unterschieden
werden. Elektrolyt-Kondensatoren besitzen eine hohe Kapazität,
der sich im Bereich von µF bewegt. Dafür sind sie empfindlich
gegen zu hohe Spannung. Kondensatoren im Bechergehäuse
sind relativ groß, Tantalkondensatoren sind kleiner.
2 benannt nach dem englischen Chemiker und Physiker Michael Fara-
day 1791–1867

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 84
Beim Einbau von Elektrolyt-Kondensatoren muss man auf die
Polung achten. Das Gehäuse ist entsprechend beschriftet. Bei
manche Kondensatoren hat der positive Pol ein längeres Bein.
Kondensatoren mit kleiner Kapazität sind meist keine Elektrolytkondensatoren
und dürfen beliebig eingebaut werden.
Auch sie haben eine begrenzte Spannungsfestigkeit, mit der
auch die Baugröße schwankt. Die Kapazität hat ebenfalls Einfluß
auf die Größe.
Ein wichtiger Einsatz in digitalen Schaltungen ist das Filtern
von Störimpulsen, die quasi kurz geschlossen werden.
Abbildung 9.5: Kondensatoren
Während große Kondensatoren meist im Klartext beschriftet
werden, sind kleine Kondensatoren verschieden oder gar nicht
beschriftet.
Bessere Multimeter haben Messbereiche für Kapazitäten.
Mit etwas Erfahrung kann man mit einem Zeigerinstrument
Elektrolyt-Kondensatoren testen, indem man sie auflädt und

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 85
über das Messgerät wieder entlädt. Zuletzt bleibt nur die
Möglichkeit, mit dem Ohmmeter zu prüfen, ob der Kondensator
wirklich Gleichstrom sperrt, was sich als hoher Widerstandswert
ausdrückt. Dieser Test sagt aber nichts über die
ganze Funktion aus. Zum Trost sei vermerkt, dass defekte
Kondensatoren häufig auch so aussehen.
9.6 Quarze
Abbildung 9.6: Schaltsymbol für einen Quarz
Quarze sind piezokeramische Teile, die sich beim Anlegen
einer Spannung verformen. Trifft man mit einer Wechselspannung
die Resonanzfrequenz des Kristalls, so versucht der
Quarz, diese Frequenz zu halten.
Die Frequenz ist der wichtigste Wert des Quarzes und meist
auf dem Gehäuse aufgedruckt oder eingeprägt. Die Einheit
ist Kilo-, Mega- oder Gigahertz 3 . Die Funktion von Quarzen
ist noch schwieriger zu messen als die von Kondensatoren. Im
3 benannt nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz, 1857-1894

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 86
Abbildung 9.7: Quarze

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 87
Zweifel tauscht man meist das verdächtige Exemplar gegen
ein Neuteil. Meist liegt der Fehler jedoch woanders.
Das untere Bauteil in der Abbildung 9.7 ist kein reiner Quarz,
sondern eine integrierte Schaltung mit Quarz. Für dieses als
Quarzoszillator bezeichnete Bauteile gelten auch die folgenden
Worte über integrierte Schaltungen.
9.7 Dioden
Abbildung 9.8: Schaltsymbole verschiedener Dioden
Dioden leiten Strom nur in einer Richtung. Strom fließt nur,
wenn die Anode ca. 0,7 V positiver als die Kathode ist. Die
Kathode der Dioden wird auf dem Gehäuse durch einen Strich
gekennzeichnet, denn auch diese Bauteile müssen richtig eingesetzt
werden. Ein wichtiger Wert von Dioden ist der maximale
Durchlassstrom, der auch die Größe des Gehäuses beeinflußt.
Es gibt viele Untersorten, wobei Leuchtdioden und Schottky-
Dioden nicht unerwähnt bleiben sollen: Erstere werden weni-

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 88
Abbildung 9.9: Dioden

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 89
ger als Dioden sondern, als Ersatz für Glühlampen eingesetzt.
Ohne Strom begrenzenden Widerstand gehen sie kaputt.
Schottky-Dioden haben gegenüber normalen Dioden die Eigenschaft,
schon bei 0.5 V für Strom durchlässig zu sein.
Die Funktion von Dioden kann man mit dem Ohmmeter
prüfen, falls die Spannung zwischen den Prüfspitzen ausreicht.
Digitale Multimeter haben oft einen eigenen Messbereich für
Diodenmessung und zeigen dabei die Durchlassspannung an.
9.8 Transistoren
Abbildung 9.10: Transistoren
Die frühen elektrischen Computer wurden mit Relais aufgebaut.
Nach einem kurzen Zwischenspiel der elektronischen

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 90
Abbildung 9.11: Transistoren
Röhren haben sich Transistoren in digitalen Schaltungen
durchgesetzt. Ein kleiner Strom, der durch die Basis zum
Emitter fließt, öffnet den Transistor zwischen Kollektor und
Emitter für einen großen Strom. Das Verhältnis der beiden
Ströme ist der Verstärkungsfaktor des Transistors. In digitalen
Schaltungen werden nur zwei Arbeitspunkte genutzt.
Der Transistor bleibt geschlossen oder wird ganz geöffnet, wie
beim Relais. Auch Transistoren müssen richtig herum eingebaut
werden. Leider gibt es keine Regeln für die Anordnung
der Beine. Die Bestückungsliste oder das Datenblatt des Transistors
sind zu Rate zu ziehen.
Auch preiswerte digitale Multimeter können den
Verstärkungsfaktor von Transistoren messen (hFE-Bereich).
Die Messöffnung für den Kollektor wird wegen der englischen
Schreibweise mit C gekennzeichnet. Ansonsten prüft man
von Basis zu Emitter und von Basis zu Kollektor wie Dioden.

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 91
Die npn-Typen haben eine gemeinsame Anode, pnp-Typen
ein gemeinsame Kathode.
Komplette Schaltungen aus mehreren Transistoren auf einem
Halbleiterkristall heißen ...
9.9 Integrierte Schaltungen
Abbildung 9.12: Integrierte Schaltungen
Hersteller, Typ und Woche der Herstellung sind die typische
Aufschrift integrierter Schaltungen. Aus den Ziffern der Wo-

KAPITEL 9. KLEINE BAUTEILEKUNDE 92
che und den letzten beiden Ziffern des Jahres wird der vierstellige
Code für das Herstellungsdatum gebildet.
Integrierte Schaltungen sind empfindlich gegenüber falschen
Spannungen. Das gilt sogar für bei trockener Luft vorkommende
statische Aufladungen. Meist werden sie deshalb in einer
speziellen Verpackung geliefert.
Es ist wichtig Pin 1 zu erkennen und richtig in die Schaltung
einzusetzen. Die Funktion prüft man, indem man die individuelle
Beschreibung nachvollzieht, meist durch Messen von
Spannungen. Oft wird das IC 4 für einen Funktionstest ausgetauscht.
Da das Auslöten von ICs schwierig ist, werden sie
gerne in Sockel gesetzt. Sockel sind leider häufiger Fehlerquelle
als die ICs selber. Eine ältere gesockelte integrierte Schaltung
wird deshalb erstmal entfernt und wieder eingesetzt, was eventuelle
Oxydationen beseitigen soll. Wurde auf diese Weise ein
Fehler gefunden, ist es sinnvoll, das IC im Sockel festzulöten.
4 Abkürung der englischen Bezeichnung integrated cicuit

Kapitel 10
Platinenlayouts
Auch Hardware wird Heute mit Software entworfen.
10.1 Programmieren mit Klassen
Nachdem sich die Programmiersprache C gut verbreitet hat,
wurde über Verbesserungen der Sprache nachgedacht. Durchgesetzt
hat sich die Erweiterung von Bjarne Stroustrup, die er
C++ nannte [C++]. C++ ist ein Konstrukt aus der Sprache
C selbst und bedeutet soviel wie ein Schritt weiter als C.
Eine wesentliche Erweiterung gegenüber C ist die Einführung
von Klassen. Eine Klasse beschreibt eine Familie von Daten
und Methoden, die logisch zusammengehören. Methoden wurden
in C als Unterprogramme programmiert. Der Zugang zu
93

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 94
einer Klasse führt über den Klassennamen und einen Punkt.
Die Eigenschaften einer Klasse können von einer neuen Klasse
geerbt werden. Als Beispiel denke man sich eine Klasse
Viereck mit Methoden Viereck.umfang, Viereck.flaeche. Leitet
man von der Klasse Viereck die Klasse Quadrat ab, so erbt
sie die Methoden Quadrat.umfang und Quadrat.flaeche.
Beim Umgang mit den Mikrocontrollern kommen wir nicht
so weit, da der Einsatz von C++ eher bei größeren Programmen
sinnvoll ist. Trotzdem wird das Klassenkonzept auch in
diesem Kurs genutzt. Bevor der Mikrocontroller richtig zum
Einsatz kommt, werden Platinen angefertigt. Hierfür wird ein
Shellscript mit Namen pcb bereit gestellt. Die Quelle des Programms
findet sich im Anhang D.
Das Programm ist unter Anwendung eines Klassenkonzepts
programmiert worden. Dieses Klassenkonzept wurde entwickelt,
weil Shellscripte einige Gemeinsamkeiten haben:
• Häufig entstehen Familien von Programmen, die sich
mit einem Thema beschäftigen.
• Wird ein Shellscript nicht so oft benutzt, gerät es wegen
der Vielfalt der Namen in Vergessenheit.
• Shellscripten fehlt meist eine ausreichende Dokumentation.
Dies hat mehrere Gründe:
– Man meint, das Programm sei so einfach, dass es
keine braucht.

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 95
– Im Notfall könne man ja das Script lesen, was
später leider erforderlich wird.
– Die Dokumentation geht verloren.
• Sind nicht alle aufgerufenen Programme installiert, brechen
Shellscripte mitunter ohne ausreichende Fehlermeldung
den Programmlauf ab.
• Shellscripten fehlt manchmal eine gewisse innere Ordnung.
Es wurde eine Mutterklasse mit Namen class geschaffen, die
folgende Grundeigenschaften bietet:
• Alle Methoden sind über den Klassennamen und einen
Punkt zwischen Klassen- und Methodennamen erreichbar.
Das wurde von C++ abgeschaut.
• Schon die Mutterklasse kennt ein mehrstufiges Hilfekonzept:
– Aufruf der Klasse ohne den Methodennamen: Die
Klasse gibt eine Kurzinformation über Name,
Funktion, Version, Autor und erste Hilfe.
– Aufruf der Klasse mit falschen Argumenten: Es
wird eine Kurzhilfe ausgegeben.
– Aufruf der Klasse mit dem Methodennamen help:
Alle Methoden werden mit einer Kurzhilfe vorgestellt.

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 96
– Aufruf der Klasse mit dem Methodennamen man:
Es wird eine ausführlichere Hilfe über die im Argument
benannte Methode gegeben.
– Aufruf der Klasse mit dem Methodennamen info:
Die Klasse wird mit ihren Konzepten ausführlich
vorgestellt.
Die Dokumentation ist Bestandteil des Programms,
kann also nicht einzeln verloren gehen.
• Methodenname new: Die Klasse vererbt ihre Methoden
an eine neue Klasse. Das Argument bezeichnet den neuen
Klassennamen.
• Methodenname deinstall: Die Klasse kann sich deinstallieren.
Installalliert hat sie sich beim Aufruf ohne Methodenname.
Ferner vererbt die Mutterklasse die Fähigkeit der Reinkarnation.
Wird eine Tochterklasse mit der Methode new und dem
Argument class aufgerufen, zum Beispiel
pcb.new class
so entsteht wieder die reine Mutterklasse. Jeder, der das Konzept
verwenden möchte, weil ihn eine Klasse überzeugt hat,
kann dies also tun. Der Zugang zur Programmquelle ist Bestandteil
des Programms. Die GPL läßt grüßen.
Weitere Informationen bekommt man durch die Befehlsfolge:

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 97
pcb.new class
./class
./class.info | less
Es sei erwähnt, dass der Autor weitere Klassen auf seiner Homepage
[unger] zum Download bereithält:
bks Buchhaltungssystem
data Kleine Datenbank
learn Eine Lernhilfe
ahnen Ahnentafeln verwalten und präsentieren.
stamm Stammbäume verwalten und präsentieren.
photo Fotoarchiv
xdesk Desktop für X11 mit twm
make.latex ist ein mit ähnlichen Konzepten ausgestattetes
Makefile für Anwender von L ATEX.
10.2 Klasse für elektronische Schaltungen
Das Programm pcb wurde von class abgeleitet. Die Grundidee
des Programms ist, eine elektronische Schaltung in Tabellenform
zu speichern. Die Schaltung kann auf einer Lochrasterplatine
aufgebaut oder auf einer photoempfindlichen Leiterplatte
belichtet, entwickelt und geätzt werden.

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 98
Für eine kleine Platine, auf der ein Quarz montiert wird, sieht
die Tabelle folgendermaßen aus:
#
# Name: hardware/quarz.pcb
# Function: Oszillator-Modul für Mikrocontollerboard
# History: 2004Jan19 Hanns-Konrad Unger
#
(d7)board\
(b6)(c6)wire (c6)(c2)wire (c3)(d3)wire (b1)(d1)wire (b4)(b2)wire (b2)(a2)wire\
(a2)(a1)wire :1:PCB:Platine 7*4 :Bestellnummer:herstellen
(b6)pad(b4)pad:1:Q1 :Quarz 7.372800Mhz :Bestellnummer:einlöten
(b2)pad(b1)pad:2:C1 :Kondensatoren 22pF evtl. SMD:Bestellnummer:einlöten
(c2)pad(c1)pad:0:C2 :Kondensator 22pF evtl. SMD :Bestellnummer:einlöten
(a1)pad(a7)pad(d1)pad\
(d3)pad(d7)pad:1:So :DIL-14 Präzisions-Sockel :Bestellnummer:mit Platine verbinden
Die Datensätze beginnen am Anfang einer Zeile. Felder werden
durch Doppelpunkt getrennt. Wenn ein Datensatz über
mehrere Zeilen verteilt ist, so wird die unvollständige Zeile
mit dem ,,\” beendet.
Die Felder haben folgende Bedeutung:
1. Feld: Befehle zum Zeichnen des Platinenlayouts
2. Feld: Anzahl der Bauteile für Einkaufsliste
3. Feld: Kurzbezeichnung des Bauteils für Bestückungsliste
4. Feld: Beschreibung des Bauteils
5. Feld: Bestellnummer des Bauteils
6. Feld: Text für Bauanleitung

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 99
Die Befehle zum Zeichnen des Platinenlayouts entsprechen
der Syntax der Sprache Postscript. Erst werden Koordinaten
des Platinenlayouts genannt. (a1) entspricht auf der Lötseite
links oben. Die rechten Nachbarn von (a1) sind (b1) ... (z1),
dann (A1) ... (Z1). Der rechte untere Punkt einer Euro-Platine
der Größe 100 mm × 160 mm ist (M63). Hinter (lat.: post)
den Koordinaten wird eines der folgenden Unterprogramme
aufgerufen:
board legt die Größe der Platine fest.
wire zeichnet eine Verbindung zwischen zwei Pads.
pad zeichnet ein Pad.
smd zeichnet ein Pad für SMD-Bauteile.
xpad zeichnet eine horizontale Reihe von Pads.
ypad zeichnet eine vertikale Reihe von Pads.
Die Klasse pcb verfügt über folgende Methoden zur Umwandlung
der Tabellen:
pcb.layout erzeugt ein Postscriptfile für die Belichtungsmaske.
pcb.layout quarz.pcb | lpr
pcb.list erzeugt eine Einkaufsliste als Textfile.
pcb.list quarz.pcb|sed ”/ˆ0:/d”

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 100
1:Platine 7*4 :Bestellnummer
1:Quarz 7.372800Mhz :Bestellnummer
2:Kondensatoren 22pF evtl. SMD:Bestellnummer
1:DIL-14 Präzisions-Sockel :Bestellnummer
pcb.kit erzeugt eine Beschreibung 1 als Textfile.
pcb.kit quarz.pcb
( ) PCB:Platine 7*4 :herstellen (a2) (a1)
( ) Q1 :Quarz 7.372800Mhz :einlöten (b6) (b4)
( ) C1 :Kondensatoren 22pF evtl. SMD:einlöten (b2) (b1)
( ) C2 :Kondensator 22pF evtl. SMD :einlöten (c2) (c1)
( ) So :DIL-14 Präzisions-Sockel :mit Platine verbinden (d3) (d7)
Die Methoden pcb.list und pcb.kit sind einfach zu verstehen
und eignen sich gut für das Studium von Shellscripten.
Wenn im Rahmen von Unterricht für größere Gruppen Platinen
hergestellt werden sollen, gibt es eine Methode, die mehrere
Layouts nebeneinander ausdruckt:
pcb.mlayout quarz.pcb 5 3
Dieser Aufruf zeichnet eine Ätzmaske für 15 (5 × 3)Platinen.
Falls der Leser keine Platinen ätzen möchte, sind die Layouts
so ausgelegt, dass man die Schaltungen auch auf handelsüblichen
Lochrasterplatinen aufbauen kann.
1 Bausätze der früheren Firma Heathkit hatten ähnliche Listen zum
Abhaken.

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 101
Abbildung 10.1: Ätzmaske für 15 Platinen.
10.3 Platinen ätzen
Für die Experimente mit dem Mikrocontroller werden zwei
Leiterplatten benötigt. Auf einer Platine im Europaformat
(160 mm × 100 mm) wird das Computersystem aufgebaut. Eine
kleinere Platine dient als Verbindungsglied 2 zwischen PC
und Mikrocontroller.
Beide Schaltungen wurden auf Lochrasterplatinen entwickelt.
Wer dieses Kapitel überspringen möchte, kann die Schaltungen
ebenso auf Lochrasterplatten aufbauen. Die Vor- und
Nachteile muss man selbst abwägen.
Platinen ätzen basiert auf foto-chemischen Verfahren, wie sie
in der Fotographie wie auch bei der Herstellung von Halbleitern
angewendet werden. Für Kleinserien werden Maschinen
mit Pumpen und Heizungen angeboten, die Aquarien ähnlich
sind. Das hier vorgestellte Verfahren für Einzelstücke kommt
dagegen mit Entwicklerschalen aus.
2 Die englische Bezeichnung ist Interface.

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 102
10.3.1 Material
Folgende Materalien werden benötigt:
2 Fotobeschichtete Epoxydplatinen im Europaformat
1 Laubsäge mit Sägeblättern
1 Glasscheibe größer 160 mm × 100 mm
1 Schutzbrille
3 g Natriumhydroxyd als Granulat für Entwickler
300 ml Wasser
2 Entwicklerwannen 180 mm × 105 mm
1 Kunststoffpinzette
300 ml Wasser
50 ml Salzsäure mit der Konzentration 32 %
50 ml Wasserstoffperoxid mit der Konzentration 30 %
1 Kunststoffflasche für verbrauchtes Ätzmittel
1 Kunststofftrichter
1 Bohrmaschine mit Bohrer von 0,8 mm Durchmesser
10 ml Aceton
1 Kolophoniumblock
1 kleiner Pinsel
Die Chemikalien erhält man in Apotheken. Kolophonium 3
gibt es in Musikgeschäften. Die Glasscheibe bekommt man
am einfachsten mit einem Bilderrahmen.
3 Kolophonium ist ein dem Bernstein ähnliches Harz-Produkt. Es
wird im Geigenhandel in Blöcken verkauft, die etwa so groß wie Streichholzschachteln
sind. Musiker streichen damit ihre Bögen ein.

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 103
10.3.2 Belichtungsmaske
Die Belichtungsmaske wird mit dem Laserdrucker oder einem
Fotokopierer auf Overheadfolie gedruckt. Da der Toner nicht
gänzlich lichtdicht ist, muss man nachgebessern: Die (rauhe)
Druckseite mit wasserlöslicher schwarzer Tinte bestreichen.
Nach Eintrocknen der Tinte wird die Folie mit einem feuchten
Tuch gesäubert.
Eine zweite Methode besteht darin, zusätzlich eine seitenverkehrte
Folie auszudrucken und die beiden Folien mit der
Druckseite gegeneinander zu fixieren.
Seit neuerem verwende ich eine dritte Methode, die einige
Vorteile bietet: Mit Laser- oder Tintendrucker wird das Layout
auf normalem Papier ausgedruckt. Der Ausdruck wird mit
Speiseöl in einen opaken Zustand versetzt, der genügend Licht
zum Belichten der Platine durchläßt. Der einzige Nachteil des
Verfahrens besteht darin, dass die Belichtungszeit gegenüber
Folien verdoppelt werden muss.
Eine falsch herum belichtete Platine ist vermeidbarer Abfall.
Wenn das Layout keinen Schriftzug enthält, an dem man die
richtige Orientierung erkennen kann, sollte man die dem Licht
zugewandte Seite mit permanentem Filzstift als solche kennzeichnen.
Bei der dritten Methode wird die Papierseite mit
der Druckerschwärze direkt auf den Fotolack gelegt. Das muss
natürlich bereits beim Ausdruck berücksichtigt werden.

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 104
10.3.3 Belichtung
Die Platine wird mit der Laubsäge auf das passende Maß zugeschnitten.
Bei gedämpften Licht (z. B. im Keller) wird die
Schutzschicht entfernt. Unter der Belichtungsmaske wird die
Platine nun in den Fotorahmen eingespannt, so dass die Glasplatte
die Maske plan auf den Fotolack presst.
Der problematische Vorgang bei der Platinenherstellung ist
die richtige Belichtungszeit. Neben Temperatur, Konzentration
und Alter der Chemikalien treten hier die breitesten
Schwankungen auf, wie folgende Tabelle verdeutlicht:
Lichtquelle Abstand Zeit
[cm] [min]
Höhensonnne (UV-A) 1000 W 50 1
Sonne 5
Nitraphotlampe 250 W 50 7
Hallogenlampe 300 W 40 40
Kryptonlampe 150 W 20 60
Kryptonlampe 60 W 20 120
Weiterhin haben Platinen von verschiedenen Herstellern unterschiedliche
Belichtungszeiten. Auch das Alter der Platine
wirkt sich aus: Ist der Fotolack sehr alt, verkürzt sich die
Belichtungszeit. Aus diesem Grund haben gute Platinen ein
Datum aufgedruckt.
Der Abstand von der Lichtquelle wirkt sich quadratisch auf
die Belichtungszeit aus: Zum Beispiel erfordert 1,4-facher Abstand
die doppelte Zeit, doppelter Abstand bereits 4-fache

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 105
Zeit. Außerdem muss der Abstand zwischen Lampe und Platine
größer sein als die Diagonale der Platine. Die Lichtquelle
darf den Fotolack nicht überhitzen.
Die einfache Belichtung mit Sonnenlicht hat den Nachteil,
dass Faktoren wie Luftfeuchtigkeit, Sonnenstand und Luftverschmutzung
die Lichtmenge beeinflussen. Trotzdem ist die
Methode praktikabel, da der Film auf den Platinen unkritisch
ist, verschiedene Belichtungen also zum Erfolg führen.
Zur Ermittlung der richtigen Belichtungszeit gehe man nach
folgender Methode aus dem Fotolabor vor:
Ein Teststreifen Platinenmaterial der Größe 2 cm × 10 cm herrichten
und mit dem Filzstift in 5 quadratische Felder unterteilen.
Mit Hilfe der obigen Angaben schätzt man die Belichtungszeit,
zum Beispiel 6 Minuten. Die Felder mit dem Viertel,
dem Halben, dem Ganzen, dem Doppelten und Vierfachen der
Zeit belichten, indem der Teststreifen während des Belichtens
zu 80, 60, 40, 20 und 0 % abdeckt. Zwischen Abdeckung und
Belichtungsmaske darf keine Glasscheibe gelegt werden, da
das Streulicht das Ergebnis verfälscht. Unser Beispiel könnten
wir ab 17:00 Uhr zu 80 % abdecken und belichten. Um
17:12 Uhr werden zwei Felder, um 17:18 Uhr drei Felder, um
17:21 Uhr vier Felder, um 17:22:30 Uhr der ganze Streifen bis
17:24 Uhr belichtet.
Statt Teststreifen kann man auch mehrere Versuche mit der
kleinen Oszillatorplatine des Experimentiersystems machen.
Woran man das richtig belichtete Feld erkennt, folgt in der
Beschreibung des Entwicklungsvorgangs:

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 106
10.3.4 Entwicklung
Die Schutzbrille ist beim Umgang mit Entwicklerlauge und
Ätzsäure unverzichtbar. Die Chemikalien können bei unsachgemäßer
Anwendung Personen- und Sachschäden anrichten!
Die Nebenprodukte Chlorgas und Ozon sind zwar sehr kurzlebig,
aber unangenehme Atemgifte. Alle Chemikalien sind
immer innerhalb ihrer Dosierung zu betrachten. Selbst reiner
Sauerstoff ist giftig. Eine Liste von verschiedenen Konzentrationen
und ihrer Anwendungen soll das verdeutlichen:
Natronlauge 1 % Platinenherstellung:
Entwickeln
Wasserstoffperoxid 30 % Platinenherstellung:
Kupfer oxidieren
Wasserstoffperoxid 10 % Haare blond bleichen
Wasserstoffperoxid 3 % Wunden desinfizieren
Salzsäure 38 % konzentrierte Lösung
Salzsäure 32 % technische Lösung
Salzsäure 6 % Platinenherstellung
Kupferoxid auflösen
Salzsäure 0,5 % Magensaft
Die 3 g Natriumhydroxid in 0,3 l handwarmem Wasser 4
auflösen. Die belichtete Platine einlegen. Nach ca. 10, spätestens
120 Sekunden müssen sich die belichteten Lackflächen
verfärben, auflösen und wegschwimmen. Was bleibt, ist unterbelichtet.
Leiterbahnen, die sich auflösen, sind überbelich-
4 Eine Minderung der Temperatur um ein Grad führt bereits zu einer
Verdopplung der Entwicklungszeit. Kellertemperatur ist zu kühl.

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 107
tet. Nur Leiterbahnen, die nach dem Laugenbad unter fließendem
Wasser klar sichtbar sind, wurden richtig belichtet.
Beim nachfolgenden Ätzen müssen die freien Flächen sofort
ermatten, sonst wurde unterbelichtet. 20 % Nachbelichten
ohne Maske und wiederholtes Entwickeln ist eine mögliche
Notlösung. Eine warme Lauge führt zu schnellen und scharfen
Ergebnissen. Lange Entwicklungszeiten auf Grund kühler
Lösung wirken sich negativ auf die Qualität der fertigen Platine
aus.
Der unbenutzte Entwickler kann in einer Kunststoffflasche unter
sicherem Luftabschluß aufgehoben werden. Er reagiert mit
dem Kohlendioxid der Luft. Der benutzte Entwickler ist nur
einige Wochen haltbar. Die Entsorgung mit viel Wasser ist
unkritisch.
10.3.5 Ätzen
Die Salzsäure mit dem Wasserstoffperoxid in der Wanne bei
Zimmertemperatur ansetzen. Wasser NICHT zur Säure gießen,
sondern zuerst das Wasser in die Wanne füllen, da es
sonst spritzen kann. Die Platine mit der Kupferseite nach oben
einlegen und mit einem Streifen Plastikfolie die Flüssigkeit so
bewegen, dass die entstehenden Gasblasen an die Oberfläche
steigen. Nach ca. 10 bis 15 Minuten sollten die Leiterbahnen
auf der Platine herausgeätzt sein. Das in Kupferchlorid umgesetzte
Kupfer färbt die Lösung blaugrünlich.
Wird sie aufgehoben, vor der Wiederverwendung Wasserstoffperoxid
nachfüllen, da dieses in wenigen Tagen in Sauerstoff

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 108
und Wasser zerfällt. Falls es Zweifel an der Qualität des Wasserstoffperoxids
gibt, kann man mit Katalysatoren wie Braunstein
aus Zink-Kohle-Batterien den Sauerstoffgehalt prüfen.
Wegen des Kupferchlorids muss das Ätzbad letztendlich als
Sondermüll entsorgt werden! Vor dem Verschließen der Kunststoffflasche
die Lösung einige Tage ausgasen lassen.
Die folgende Berechnung soll den Ätzvorgang verständlich
machen:
Das Kupfer wird zu Kupferchlorid und Wasser umgesetzt:
H2O2 → O + H2O
Cu + O → CuO
CuO + 2 HCl → CuCl2 + H2O
Ein Mol eines Stoffes enthält 6 ∗ 10 23 Moleküle. 5
Ein Mol Cu benötigt ein Mol H2O2 und zwei Mol HCl. Der
Zusammenhang zwischen Mol und Gramm ergibt sich aus den
Atomgewicht der Elemente. In Gramm ausgedrückt: 64 g Cu
brauchen 34 g H2O2 und 73 g HCl.
Eine Europaplatine ist mit 10 cm × 16 cm × 0.0035 cm Kupfer
beschichtet. Bei einer Dichte des Kupfers von 8,9 g
cm3 sind das
fast 5 g Kupfer.
Für eine Europaplatine werden somit
5 Diese Zahl heißt Avogadro-Konstante. In deutschsprachiger Literatur
wird sie oft auch Loschmidt-Konstante genannt.

KAPITEL 10. PLATINENLAYOUTS 109
ca. 9 g 30 %ige Wasserstoffperoxidlösung
und 18 g 32 %ige Salzsäure
verbraucht. Damit die Reaktionen einigermaßen schnell ablaufen,
müssen in der Ätzlösung ca. das dreifache an Salzsäure
und ca. das sechsfache Wasserstoffperoxid und reichlich Wasser
vorhanden sein. Der Überschuß an Chemikalien ist der
Tribut, den das einfache Verfahren fordert.
Ein anderes verbreitetes Ätzverfahren mit Eisen-III-Clorid ...
2 FeCl3 + Cu → 2 FeCl2 + CuCl2
... hat den gravierenden Nachteil, dass es bei Zimmertemperatur
sehr langsam ist (ca. 10 bis 20 Stunden). Das Erwärmen
dieses Ätzbades auf ca. 45 Grad bedeutet aber einen erheblichen
Umstand.
10.3.6 Abschlussarbeiten
Die Löcher bohren und alles entgraten. Mit einem Tuch und
Aceton kann der Fotolack entfernt werden, da dieser das Löten
behindert. Zum Schutz des Kupfers und als Flusshilfe beim
Löten eine Mischung aus einem Teelöffel Aceton und etwas
abgeschabtem Kolophonium über die Leiterbahnen streichen.
Die Platine ist nun fertig zum Bestücken.

Kapitel 11
Schaltalgebra
11.1 Boolesche Algebra
Die Boolesche Algebra 1 ist jener Teil der Mathematik, der
sich mit zweiwertigen Variablen beschäftigt. Die Aussagen gelten
für Systeme, die mit ja – nein, wahr – falsch, geöffnet –
geschlossen, oder eben ,,Spannung” – ,,keine Spannung” beschrieben
werden.
Das Interessante an diesem Teil der Mathematik ist, dass die
meistens untersuchte Grundmenge {0, 1} so klein ist, dass die
daraus entstehenden Grundfunktionen durchaus überschaubar
sind. Dies ist letztendlich die Ursache, dass digitale Geräte
sich gegenüber analogen so durchsetzen.
1864).
1 Benannt nach dem englischen Mathematiker George Boole (1815 –
110

KAPITEL 11. SCHALTALGEBRA 111
Betrachtet man zweidimensionale Funktionen f(x)=y, die bereits
Stoff für etliche Schuljahre Mathematik bieten, so gibt
es für 0 und 1 nur noch vier Funktionen:
f(x) = 0 Konstanz
f(x) = 1 Konstanz
f(x) = x Identität
f(x) = ¯x Negation
Realisiert man die vier Funktionen durch elektronische Schaltungen,
so ist nur die Negation nennenswert. Man benötigt
zwei Widerstände und einen Transistor.
Auch die nächste Stufe, die dreidimensionalen Funktionen
f(x,y)=z bilden eine überschaubare Menge mit 16 Elementen.
Ein bekannter Vertreter ist die Und-Funktion, auch Konjunktion
genannt:
f(0,0) = 0
f(0,1) = 0
f(1,0) = 0
f(1,1) = 1
Da die Und-Funktion der Multiplikation der natürlichen Zahlen
ähnelt, wird sie oft wie eine Muliplikation dargestellt,
manchmal auch mit dem Operator & oder mit ∧.
Die Oder-Funktion wird ebenfalls oft verwendet. Wegen ihrer
Verwandschaft zur Addition wird sie manchmal durch + symbolisiert.
Ein anderes Symbol ist das ∨, das an das lateinische

KAPITEL 11. SCHALTALGEBRA 112
Wort für ,,oder” nämlich ,,vel” erinnert. Die Punkt vor Strich
Regel gilt analog für ∧ und ∨.
Liste der Funktionen mit zwei Eingangsvariablen
x = x = 0 1 0 1
y = y = 0 0 1 1
f(x,y) = 0 = 0 0 0 0 Konstanz
f(x,y) = x∧y = 0 0 0 1 Konjunktion, und
f(x,y) = ¯x∧y = 0 0 1 0 Inhibition
f(x,y) = y = 0 0 1 1 Identität
f(x,y) = x∧¯y = 0 1 0 0 Inhibition
f(x,y) = x = 0 1 0 1 Identität
f(x,y) = x∧¯y ∨ ¯x∧x = 0 1 1 0 Antivalenz, exklusiv
f(x,y) = x ∨ y = 0 1 1 1 Disjunktion, oder
f(x,y) = ¯x∧¯y = 1 0 0 0 NOR, weder noch
f(x,y) = x∧y ∨ ¯x∧¯y = 1 0 0 1 Äquivalenz
f(x,y) = ¯x = 1 0 1 0 Negation
f(x,y) = ¯x ∨ y = 1 0 1 1 Implikation
f(x,y) = ¯y = 1 1 0 0 Negation
f(x,y) = x ∨ ¯y = 1 1 0 1
f(x,y) = ¯x∨¯y = 1 1 1 0 NAND
f(x,y) = 1 = 1 1 1 1 Konstanz
Bemerkenswert ist, dass sowohl NAND- als auch NOR-
Funktion geeignet sind, alle 16 Funktionen durch geeignete
Verknüpfung nachzubilden. Hierin liegt die Ursache, dass diese
den Grundbaustein digitaler IC-Familien bilden.

KAPITEL 11. SCHALTALGEBRA 113
11.2 TTL
Die Entstehung von Bausteinen läuft immer nach einem gewissen
Schema. So entstand in den 60er Jahren eine Familie
von digitalen integrierten Schaltungen, die TTL genannt wurde.
TTL steht für Transistor-Transistor-Logik im Gegensatz
zu Dioden-Transistor-Logik und anderen Techniken.
Abbildung 11.1: IC SN7400 mit 4 NAND-Gattern
Es entstand die Bausteinserie 74xxx, deren Grundvertreter
das IC 7400 ist. Wie von Bausteinen erwartet, hat die Familie
viele gemeinsame Eigenschaften wie
• genormte Gehäuse
• gleiche Versorgungsspannung
• zueinander passende Aus- und Eingänge
• ähnliches Zeitverhalten

KAPITEL 11. SCHALTALGEBRA 114
Für Bausteinsysteme typisch, entstanden bald große Umsätze,
was Rationalisierung und kleine Preise nach sich zog. Die 74er
Familie hat in der Größenordnung 100 Mitglieder, von denen
einige erwähnt werden sollen:
7400 Vier NAND-Gatter mit 2 Eingängen
7402 Vier NOR-Gatter mit 2 Eingängen
7404 Sechs NICHT-Gatter (Inverter)
7408 Vier UND-Gatter mit 2 Eingängen
7410 Drei NAND-Gatter mit 3 Eingängen
7430 Ein NAND-Gatter mit 8 Eingängen
7432 Vier OR-Gatter mit 2 Eingängen
7471 RS-Flipflop mit drei Eingängen, Preset und Clear
7483 4 Bit Volladdierer
74367 Sechs Bus-Leistungstreiber mit zwei Enable
74681 4 Bit Binär Akkumulator
Je komplexer die Schaltung, desto kürzer ist oft der Zeitraum
der Produktion. Die Grundfunktionen werden nach wie vor
hergestellt und angeboten, allerdings wandeln sich auch die
Technologien. Es gibt sehr schnelle 74S00 (Schottky), stromsparende
74LS00 (low power Schottky), schnelle und stromsparende
74HC00 (high speed CMOS) und viele weitere Technologien,
die nach wie vor neu auf den Markt kommen.
Zu unserem Mikrocontroller passend ist die HC-Technologie,
die inzwischen gut verfügbar ist. Betreibt man die Schaltung
mit 5 Volt, wird auch ein alter 7400 noch funktionieren. Man
konsultiere das Datenblatt für folgende Werte:
• Versorgungsspannung

KAPITEL 11. SCHALTALGEBRA 115
• Belastbarkeit der Ausgänge (Fan-Out)
• Spannungsbereiche für High und Low
11.3 Flip-Flop
Eine wichtige Funktion erhält man durch Rückführung des
Ergebnisses in den Eingang. Die Schaltung bekommt ein
Gedächtnis, es entsteht ein RS-Flip-Flop. RS steht für set und
reset.
Abbildung 11.2: Prellfreie Taste
Betrachtet man die Arbeitsweise der Schaltung in Abbildung
11.2, so muss man für Ein- und Ausgänge x,y,z acht Zustände
untersuchen:

KAPITEL 11. SCHALTALGEBRA 116
x y z a
0 0 0 1 unmöglich wegen Taster
0 0 1 1 unmöglich wegen Taster
0 1 0 1 unmöglich wegen ā∧¯x=z
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 1 unmöglich wegen ā∧¯x=z
1 1 0 1
1 1 1 0
Zwei Zustände sind wegen der Funktion des Tasters
unmöglich: Der Kontakt des Tasters kann nur mit einem der
beiden Eingänge x oder y verbunden sein, oder er befindet
sich gerade auf dem Weg dazwischen.
Zwei weitere Zustände sind durch die Rückführung des Signals
z unmöglich, da z nur einen Wert annehmen kann.
Simuliert man die beiden Schaltvorgänge, wobei es durchaus
passiert, dass der Schaltkontakt wie ein Ball mehrfach vom
Kontakt wieder weghüpft, so reicht das Hilfssignal a, um den
Ausgang z von diesen unerwünschten Prellern zu befreien. Befindet
sich der Schalter zwischen den Kontakten, erinnert sich
die Schaltung an den letzten regulären Schaltzustand.

KAPITEL 11. SCHALTALGEBRA 117
Einschalten Ausschalten
x y a z alternativ x y a z
1 0 1 0 0 1 0 1
1 1 1 0 1 1 0 1
0 1 0 1 1 0 1 0
1 1 0 1 1 1 1 0
0 1 0 1 1 0 1 0
: :
: :
Die beiden Gatter NAND3 und NAND4 wurden nur deshalb
verwendet, um die Eingänge des ICs nicht offen zu lassen,
was bei einigen Technologien zu Schwingungen führt, welche
Schaltung sogar zerstören können.
Für unseren späteren Mikrocontroller kann die prellfreie Taste
die Funktion eines Quarzoszillators mit manuell gespeister
Frequenz übernehmen.

Teil III
Mikrocontroller
118

Kapitel 12
Wurzeln
Vor den Mikrocontrollern entstanden die Mikroprozessoren.
Die Firma Intel hatte den Auftrag, einen damals hoch integrierten
Baustein für den Einsatz in Taschenrechnern zu entwerfen.
Der Ingenieur Ted Hoff legte einen Entwurf vor, der
bald als allgemein einsetzbare 4-Bit CPU erkannt wurde. Ab
dem 15. November 1971 wurde der 4004 für 200 Dollar pro
Stück angeboten. 1972 folgte eine 8-Bit Version, der 8008.
Der 8080 wurde bereits zum Welterfolg, dem die Typen 8085
8086 8088 80186 80286 80386 80486 und Pentium folgten.
Neben Intel haben auch andere Firmen versucht, den Markt
der Mikroprozessoren zu gewinnen. Mostek entwickelte den
6502, der in KIM, Comodore Pet und Apple II rechnete. Zilog
verbesserte den 8085 zum Z80, der im Tandy TRS80 arbeitete.
Bald kamen Mikroprozessoren mit 16 Bit Wortbreite auf den
119

KAPITEL 12. WURZELN 120
Abbildung 12.1: KIM-1 Mikrocomputer der Firma MOS aus
dem Jahr 1975.

KAPITEL 12. WURZELN 121
Markt. Zilog Z8000 und Texas Instruments TMS9900 sind
von Motorolas M86000 und Intels 8086 wohl überholt worden.
Motorola durfte an Apple für den Macintosh liefern und IBM
hatte sich für eine Intel-CPU entschieden.
Das Registermodell aller PC-kompatiblen CPUs ist zum
8080 abwärtskompatibel. So konnten für den 8080 entwickelte
Assembler-Programme durch einfaches Neuübersetzen auf
den 8086 portiert werden. Der 8086 war intern und extern
eine 16-Bit-CPU. Der 8088 war intern ein 8086, extern war
er noch eine 8-Bit-CPU. Da ein Mikrocomputer mit 8-Bit im
Jahr 1981 noch erheblich billiger als ein Mikrocomputer mit
16 Bit hergestellt werden konnte, wählte IBM den Kompromiss
mit der 8088-CPU für den ersten IBM-PC. Erst im Jahr
1984 wurde die PC-Architektur auf 16 Bit umgestellt. Dieser
PC hieß IBM-AT und hatte eine 80286-CPU.
Der technologische Durchbruch war die 80386-CPU. Sie hatte
eine Speicherverwaltung auf dem Chip und kannte verschiedene
Prioritätsstufen. Dies ermöglichte ihren Einsatz unter
Bedingungen eines Rechenzentrums. Die Prozesse mehrerer
Benutzer konnten gegenseitig abgesichert werden. So entstanden
für den 80386 mehrere Unixversionen, von denen sich bekanntlich
Linux am besten durchgesetzt hat. Der erste IBM-
PC mit 80386 war das Modell 80, das im Jahr 1987 auf den
Markt kam.
Inzwischen werden sogar Supercomputer durch Zusammenschluß
vieler preiswerter Mikroprozessoren gebaut.
Der 80186 ist ein 8086, der einige Teile des Ein-/Ausgabewerks

KAPITEL 12. WURZELN 122
mit auf den Chip bekommen hat.
12.1 Mikrocontroller
Während auf Seite der Mikroprozessoren die Möglichkeiten
der höheren Integration zur Leistungssteigerung genutzt wurden,
war es bei kleinen Anwendungen möglich, neben Rechenwerk
und Steuerwerk das Ein-/Ausgabewerk mit auf den Chip
zu nehmen. Die Mikrocontroller wurden geboren. Richtig interessant
wurde ihr Einsatz in Telefonen, Fernsehern, Waschmaschinen,
Autos usw., als auch das Speicherwerk in das IC
integriert werden konnte.
Einer der klassischen Mikrocontroller ist der 8051 der Firma
Intel. Es gibt viele Varianten. Ein Vorzug dieser Familie ist,
daß verschiedene Hersteller Bausteine anbieten.
Die PIC Mikrocontroller der Firma Microchip werden vor allem
in kleinen Systemen gerne eingesetzt.
Der MSP430 von Texas Instruments ist ein weiterer moderner
Mikrocontroller.
Ferner gibt es eine schwer überschaubare Typenvielfalt verschiedener
Hersteller, die meist direkt in Industrieprodukten
eingesetzt und deshalb einzeln weniger angeboten werden.
In diesem Buch wird ein AVR Mikrocontroller eingesetzt, weil
er folgende Kritierien erfüllt:
• Gute Dokumentation ist leicht erhältlich.

KAPITEL 12. WURZELN 123
• Der Baustein ist in einem Gehäuse erhältlich, was manuelle
Anfertigung von Prototypen erleichtert (DIL).
• Eine Programmierschnittstelle, die im Zielsystem funktioniert
(ISP), ermöglicht schnelles Testen ohne Umsetzen
des Bausteins.
• Ein leicht löschbarer Programmspeicher (Flash) beschleunigt
ebenfalls die Reprogrammierung.
• Programmierhardware in verschiedenen Ausführungen
ist sehr preiswert verfügbar.
• Programmiersoftware ist mit Quellen vorhanden.
• Preiswerter C-Compiler ist mit Quellen verfügbar.
• Das System ist skalierbar, was verschiedenste Projekte
ermöglicht.
• Unterstützung wird von verschiedenen Betriebssystemen
angeboten.
12.1.1 AVR Mikrocontroller
Die Firma Atmel spezialisierte sich anfangs auf Halbleiterspeicher,
die wie ROMs 1 ihren Inhalt ohne Spannungsversorgung
erhalten, trotzdem wie RAMs 2 innerhalb der endgülti-
1 Abkürzung für read only memories
2 Abkürzung für random access memories, Speicher mit wahlfreiem
Zugriff, so wie es das von-Neumann-Modell fordert.

KAPITEL 12. WURZELN 124
gen Schaltung mehrfach beschrieben und gelöscht werden
können. Diese Speicher heißen EEPROMs 3 . Während RAMs
beliebig oft gelöscht werden dürfen, sind EEPROMs in dieser
Hinsicht stark beschränkt. Ferner dauert das Ändern des
Inhalts länger. Typische Anwendung sind Scheck- und Speicherkarten.
EEPROMs eignen sich vorzüglich als Programmspeicher von
Mikrocontrollern. So stellte Atmel zuerst 8051 kompatible
Mikrocontroller her, entwickelte aber auch einen eigenen
Typ, den AVR. Der erste AVR Mikrocontroller war
der AT90S1200 aus dem Jahr 1997. Er hatte ein 20-poliges
Gehäuse mit 1 KB Programmspeicher, 64 Byte EEPROM,
15 Ein-/Ausgabeleitungen, Timer und Analogkomperator.
Da er noch kein RAM für einen Stack hat, kann man nur
zwei geschachtelte Unterprogrammsprünge ausführen. Der
AT90S1200 eignet sich deshalb nur zur Programmierung mit
Assembler.
Nach diesem Modell kam ein ganze Serie von Mikrocontrollern
für verschiedenste Anwendungen auf den Markt. Gemeinsame
Eigenschaft der AVR-Serie sind:
• Registermodell mit 32 Registern
• Flash von 1..128.. KB als Programmspeicher
• EEPROM von 0..4.. KB, analog einer Festplatte verwendbar
3 Abkürzung für electric erasable programable read only memories

KAPITEL 12. WURZELN 125
• RAM von 0..4.. KB
• 3..53.. Ein-/Ausgabeleitungen
• 0..11.. Analogeingänge
• 8..64.. poliges Gehäuse
• weitgehend zueinander kompatibel
• innerhalb der Spezifikation mit jeder Frequenz taktbar
• in der Anwendungsschaltung reprogrammierbar
Für unser System wurde ursprünglich der AT90S4433 ausgewählt.
Dieser Prozessor war vergleichbar mit den alten
Mikrocomputer-Entwicklungssystemen, hatte dabei ein kleines
Gehäuse und einen moderaten Preis. Die AT90-Serie
wird inzwischen durch die ATtiny-Serie im unteren und die
ATmega-Serie im oberen Bereich ersetzt. Der ATmega8 ist
pinkompatibel zum AT90S4433, auch preislich ist er mit dem
älteren Typ vergleichbar. Seine inneren Werte haben sich quasi
verdoppelt:

KAPITEL 12. WURZELN 126
AT90S4433 ATmega8
maximaler Takt [Mhz] 8 16
interner kalibrierter Oszillator x
Befehle incl. Multiplikation 118 130
Sleep-modes 2 5
Flash [KB] 4 8
Flash selbst programmierbar x
Löschzyklen des Flash 1000 10.000
EEPROM [Bytes] 256 512
Löschzyklen des EEPROM 100.000 100.000
RAM [Bytes] 128 1024
8 Bit-Timer 1 2
PWM-Kanäle 1 3
I/O Lines (Reset,Xtal1,Xtal2) 20 23
Serial I/O UART USART
2 wire serial Interface x
2.56V AD-Spannungsreferenz x
Trotz der Verbesserungen wird bei der Herstellung für den
ATmega8 weniger Siliziumfläche verbraucht. Dies ist ein wesentlicher
variabler Kostenfaktor bei der Herstellung von ICs.
Zur Abbildung 12.2 sei noch folgendes bemerkt: Stackpointer
(SP) und Statusregister (SR) liegen zusätzlich im Adressraum
des Ein-/Ausgabewerks (I/O). Die Adressräume von Registerwerk
und Ein-/Ausgabewerk liegen zusätzlich im Adressraum
des Datenspeichers (RAM). Dadurch vereinigt der AVR die
Vorteile von zwei Konzepten:
• Schnelle und effiziente Spezialbefehle für Register und
I/O.

KAPITEL 12. WURZELN 127
Abbildung 12.2: Architektur des ATmega8

KAPITEL 12. WURZELN 128
• Variable Adressierungsmöglichkeiten für Register und
I/O über die memory mapped Adressierung.
Programmspeicher (Flash) und EEPROM haben jeweils einen
eigenen Adressraum.
Programmspeicher und EEPROM sind über Register des Ausgabewerks
beschreibbar.
Im Jahr 2004 will Atmel die Typen ATmega48, ATmega88
und ATmega168 mit 4, 8 und 16 KB Flash im 28-poligen
Gehäuse herausbringen.
Diese Prozessoren haben weitere Vorteile:
• Der Energieverbrauch ist durch kleinere Versorgungsspannung,
neue Oszillatorschaltung und abschaltbare
I/O-Bereiche reduzierbar.
• Der Takt kann bis zu 20 Mhz eingestellt werden.
• Alle I/O-Pins können einen Interrupt auslösen.
• Der timer0 kennt CTC-Mode.
• Alle Analogeingänge haben 10 Bit Auflösung.
• Am Reset-Pin kann ein ICE angeschlossen werden
(debug-wire).
Die neuen Prozessoren sind hardware-kompatibel zu ihren
Vorgängern. Programme müssen neu übersetzt werden, da der
Bereich der I/O-Adressen verändert und erweitert wurde. Das
RAM beginnt ab Adresse 0x100.

Kapitel 13
Aufbau des Systems
Unser Experimentiersystem besteht aus mehreren Teilen:
• Software
• Programmier-Interface
• Verbindungskabel
• Mikrocontroller-Board mit Oszillator
• Stromversorgung
Der Ausdruck der Layouts erfolgt auf einem Postscript-
Drucker. Falls keiner vorhanden ist, muss die Emulationssoftware
Ghostscript verwendet werden. Beim Ausdruck von graphischen
Dateien hilft das hervorragende Programm gimp, für
das verschiedene Bücher erschienen sind.
129

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 130
Das Anfertigen der Platinen wurde bereits im Kapitel 10.3
beschrieben. Erste Bauerfahrungen können mit der Schaltung
des Programmier-Interfaces erlangt werden. Da es zentrale
Komponente des Systems ist, werden wir damit anfangen.
13.1 Software
Für Windows bietet die Firma Atmel eine kostenfreie Programmierumgebung
an. Die Programmquellen sind jedoch
nicht offengelegt. Ein relativ hoher Aufwand wurde in das
graphische Benutzerinterface gelegt.
Nutzer anderer Systeme, die mittlerweile weitgehend irgendwie
auf Unix aufbauen, werden von GNU gut bedient. In diesem
Buch wird nur auf diese Programme eingegangen, die
aber auch für Windows [winavr] erhältlich und gebräuchlich
sind.
Mindestens vier spezielle Programmpakete werden benötigt:
avr-gcc C - Crosscompiler
avr-binutils Assembler, Linker etc.
avr-libc C - Runtime für AVR
avrdude Programmiertool
Benutzer von Debian [debian], einer bedeutenden Linux-
Distribution, bekommen die notwendigen Programmpakete
bereits mitgeliefert. Allerdings gibt es auch für Debian-Nutzer

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 131
einen Wermutstropfen. Selbst die neueste Debian-Distribution
hinkt der schnellen Entwicklung auf AVR-Seite hinterher. So
kann man mit der aktuellen Software von Debian 3.1 für
den ATmega8 gut entwickeln. Dieser ist jedoch bereits abgekündigt
und wird durch den ATmega88 ersetzt. So sind
auch Debian-Nutzer gezwungen, sich die aktuellen Versionen
aus dem Internet zu besorgen. Auch die neueren Versionen
auf http://packages.debian.org/testing sind gut gepflegt.
Nutzer anderer Systeme müssen sich durch das Internet selber
helfen. Nach meiner Beobachtung wird die hier beschriebene
Software auch auf Apple- Freebsd- und Windowssystemen
häufig benutzt.
Noch einige Bemerkungen zum Programmiertool. Derartige
Programme wurden für die verschiedensten Hardwareanschlüsse
entwickelt. In den letzten Jahren war das Programm
uisp recht beliebt, da es viele Anschlüsse gut bediente. Die
Pflege von uisp wurde jedoch immer schwieriger, so dass inzwischen
das Programm avrdude bevorzugt wird. Das Verhalten
von avrdude kann über eine Konfigurationsdatei in gewissen
Grenzen sogar erweitert werden.
Die Ur-Version von avrdude hieß noch avrprog und wurde für
die hier verwendete bsd-Schnittstelle entwickelt. Mit dieser
Hardware funktioniert das Programm auch heute noch problemlos.
Für die serielle Schnittstelle und usbasp wird mindestens
die Version 5.2 benötigt.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 132
13.2 Programmier-Interface
Dies ist die Schicht, die das fertig übersetzte Programm von
der Festplatte des PCs in den Speicher des Mikrocontrollers
bringt. Die Hardware wird oft ISP genannt. Die Abkürzung
für ,,In System Programmer” soll darauf hinweisen, das der
Mikrocontroller nicht in einem eigenen Programmiergerät,
sondern in der endgültigen Schaltung programmiert werden
kann. Als Software verwenden wir das Programm avrdude.
das eine Menge physikalischer Möglichkeiten unterstüzt.
Drei Möglichkeiten, ponyser, bsd und usbasp genannt, werden
hier beschrieben. Ponyser verwendet RS232, die bsd-Variante
nutzt die Centronics-Schnittstelle, und usbasp wird am USB
angeschlossen.
13.2.1 Centronics Variante
Diese Schnittstelle wird vom Programmiertool ,,bsd” genannt,
da sie ursprünglich unter dem Betriebssystem Freebsd entwickelt
wurde.
Die vom Programm pcb.kit erzeugte Stückliste wird kein zu
großes Loch in die Kasse reißen:
1:1/9 Lochrasterplatine 13*15 :527777
1:Stecker DB-25 :741671
1:Pfostenstecker 10polig :742465
4:Zehnerdioden BAT43 :153010
1:Leuchtdiode gelb 3mm 2mA :145998
1:Widerstand 2k2 Ohm :408212
1:Widerstand 100K Ohm :408409
1:IC 74HC367 :151165

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 133
Abbildung 13.1: Schaltplan der Centronics Variante des ISP-
Interface

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 134
Der Bau der Platine ist deshalb auch für Anfänger im Löten
noch zu bewerkstelligen.
Abbildung 13.2: Layout der Centronics Variante des ISP-
Interface
( ) PCB :1/9 Lochrasterplatine 13*15 :herstellen
( ) :Stecker DB-25 :anlöten, dass B5 fluchtet
( ) :Pfostenstecker 10polig :anlöten (e14)
( ) B1 :Drahtschlinge (optional) :einlöten (a12) (a14)
( ) B2 :Draht :einlöten (c12) (j12)
( ) B3 :Draht :nach Pin10 einlöten (c3)
( ) B4 :Draht :nach Pin9 einlöten (d6)
( ) B5 :Draht :nach Pin8 einlöten (e10)
( ) B6 :Draht :nach Pin7 einlöten (g8)
( ) B7 :Draht :nach Pin6 einlöten (i10)
( ) B8 :Draht :nach Pin9 einlöten (e13)
( ) B9 :Draht :nach Pin7 einlöten (f13)
( ) B10 :Draht :nach Pin5 einlöten (g13)
( ) B11 :Draht :nach Pin3 einlöten (h13)
( ) B12 :Draht :nach Pin1 einlöten (i13)
( ) D1 :Zehnerdioden BAT43 :Anode an Pin5 löten (i4)
( ) D2 :Zehnerdiode BAT43 :Anode an Pin4 löten (j4)
( ) D3 :Zehnerdiode BAT43 :Anode an Pin3 löten (k4)
( ) D4 :Zehnerdiode BAT43 :Anode an Pin2 löten (l4)
( ) LED1:Leuchtdiode gelb 3mm 2mA :Anode in j5 einlöten (j5) (j6)
( ) R1 :Widerstand 2k2 Ohm :einlöten (j7) (j11)
( ) R2 :Widerstand 100K Ohm :einlöten (k7) (k11)
( ) IC1 :IC 74HC367 :Pin1 in Richtung DB25 einlöten (f4)

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 135
Abbildung 13.3: ISP-Interface in der Centronics Variante.
Als Bestückungshilfe wird in der Abbildung 13.3 das fertige
Interface gezeigt.
Wird mit Lochrasterplatine gearbeitet, die auf beiden Seiten
Lötaugen hat, so müssen diese im Bereich des DB-25 Steckers
auf der Bestückungsseite entfernt werden, sonst wären Kurzschlüsse
die Folge. DB-25 Stecker haben ein Rastermaß von
2,5 mm, während Lochrasterplatinen mit einem Rastermaß
von 2,54 mm ausgestattet sind. Bei der Montage des Steckers
ist darauf zu achten, dass zwischen Pin14 bis Pin18 keine
Kurzschlüsse entstehen. Pin18 bis Pin25 dagegen sind durchverbundene
Masseanschlüsse.
Die Kodieröffnung des Pfostensteckers muss, wie in der Abbildung
13.3 ersichtlich, zur Bestückungsseite zeigen!

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 136
13.2.2 RS232 Variante
Das Programmiertool uisp nannte diese Schnittstelle ,,dasa2”.
Da die Schnittstellenbelegung auf ein Programmiertool mit
Namen PonyProg zurückgeht, nennt avrdude die Schnittstelle
,,ponyser”.
Falls die Druckerschnittstelle nicht verfügbar ist, kann auf diese
Variante umgestiegen werden. Sie ist etwas schwieriger in
der Handhabung.
1:1/15 Lochrasterplatine 7*15 :527777
1:Buchse Sub-D9 :742066
1:Pfostenstecker 10polig :742465
4:Widerstände 10K Ohm :408280
5:Zehnerdioden BAT43 :153010
1:BC 547 B :155012
Die Montageanleitung fällt ebenfalls kleiner aus:
( ) PCB :1/15 Lochrasterplatine 7*15 :herstellen
( ) :Buchse Sub-D9 :Pin1..5 anlöten (b1)
( ) :Pfostenstecker 10polig :Pin1,3,5,7,9 anlöten (b13)
( ) R1 :Widerstände 10K Ohm :an Pin3 anlöten (c4)
( ) R2 :Widerstand 10K Ohm :an Pin4 anlöten (d4)
( ) R3 :Widerstand 10K Ohm :an Pin7 unten anlöten (f4)
( ) R4 :Widerstand 10K Ohm :einlöten (d12) (g12)
( ) B1 :Draht :an Pin8 unten anlöten (e4)
( ) B2 :Draht :an Pin4,6,8,10 anlöten (a12)
( ) B3 :Draht :von Pin2 über a14 nach g14 führen (a13) (g13)
( ) B4 :0.2mm Trafodraht :verbinden (g4) (f13)
( ) D1 :Zehnerdioden BAT43 :Anode in (c5) einlöten (c5) (g5)
( ) D2 :Zehnerdiode BAT43 :Anode in (a6) einlöten (a6) (c6)
( ) D3 :Zehnerdiode BAT43 :Anode in (b7) einlöten (b7) (e7)
( ) D4 :Zehnerdiode BAT43 :Anode in (a8) einlöten (a8) (d8)
( ) D5 :Zehnerdiode BAT43 :Anode in (e8) einlöten (e8) (g8)
( ) T1 :BC 547 B :flache Seite Richtung (d1) einlöten
Die Kodieröffnung des Pfostensteckers muss zur Lötseite der
Platine zeigen! Das Einsetzen der Drahtbrücken erfordert etwas
Sorgfalt. In der Abbildung 13.6 kann die Montage nachvollzogen
werden. In der pdf-Version des Dokuments kann
man die Fotos vergrößern.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 137
Abbildung 13.4: Schaltplan der RS232 Variante des ISP-
Interface

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 138
Abbildung 13.5: Layout der RS232 Variante des ISP-Interface
Abbildung 13.6: ISP-Interface in der RS232 Variante.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 139
Die abgebildete Version mit Lochrasterplatine hat ein etwas
großzügigeres Layout. Wird mit Lochrasterplatine gearbeitet,
die auf beiden Seiten Lötaugen hat, so müssen diese im Bereich
des DB-9 Steckers auf der Bestückungsseite entfernt werden.
13.2.3 USB Variante
usbasp
Der Entwickler dieser Schnittstelle Thomas Fischl nannte sie
,,usbasp”. Die von ihm gelieferten Änderungen für avrdude
erweitern das Programm um die Möglichkeit des Parameters.
Moderne Notebooks sind mittlerweile ohne RS232- und
Centronics-Schnittstelle ausgestattet. Nahezu alles wird über
USB angeschlossen. Wie zuvor im Kapitel über diese Schnittstelle
angedeutet, gibt es eine ISP-Variante zum Selberbau
mit USB. Die Quelle der Schaltung liegt auf Thomas Fischls
Homepage www.fischl.de [fischl]. Leider existiert hier das
Henne-Ei-Problem. Wer keinen Weg sieht, den notwendigen
USB-Controller zu programmieren, ist wohl auf das fertige
Angebot von Atmel, den AVRISP MKII, angewiesen.
Der Selberbau ist durchaus lohnend, da nicht viele Bauteile
notwendig sind:
1:board 43mm x 71mm :BEL 160x100-1
1:isolated bridge :
1:10k resistor :1/4W 10k
1:1k5 resistor :1/4W 1k5

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 140
Abbildung 13.7: Schaltplan der USB Variante des ISP-
Interface

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 141
1:270 resistor :1/4W 270
2:2k2 resistor :1/4W 2k2
2: 68 resistor :1/4W 68
2: 22pF capacitor :Kerko 22p
1:100nF capacitor :Z5U-2,5 100n
1: 10uF capacitor :AX 10/35
1: 10uF capacitor :RAD 10/35
1:12Mhz quartz :12-HC49U-S
1: red led 2mA :LED 3mm 2MA rt
1:green led 2mA :LED 3mm 2MA gr
1:BAT43 schottky diode:BAT 43
1:ATmega48-20PU :ATMEGA48-20 DIP
1:jumper SCK :LU 2,5 MS2
1:plug :WSL 10W
1:USB-B-plug :USB BW
Die Montageanleitung:
( ) PCB:board 43mm x 71mm :saw
( ) B1 :bridge :solder (h15) (i14)
( ) B2 :bridge :solder (a22) (e22)
( ) B3 :bridge :solder (d13) (d11)
( ) B4 :bridge :solder (k19) (k22)
( ) B5 :bridge :solder (h19) (h22)
( ) B6 :bridge :solder (j7) (l7)
( ) B7 :isolated bridge :solder if needed (h8) (i21)
( ) R1 :10k resistor :solder (b8) (f8)
( ) R2 :1k5 resistor :solder (a6) (e6)
( ) R3 :270 resistor :solder (b10) (f10)
( ) R4 :2k2 resistor :solder (l6) (l10)
( ) R5 :2k2 resistor :solder (n6) (n10)
( ) R6 : 68 resistor :solder (a4) (e4)
( ) R7 : 68 resistor :solder (l4) (p4)
( ) C1 : 22pF capacitor :solder (d15) (e15)
( ) C2 : 22pF capacitor :solder (d21) (e21)
( ) C3 :100nF capacitor :solder (f14) (f15)
( ) C4 : 10uF capacitor :solder + in (n20) (n14) (n20)
( ) C4a: 10uF capacitor :alternatively (n15) (n16)
( ) Q1 :12Mhz quartz :solder (e17) (e19)
( ) D1 : red led 2mA :solder anode in (l11) (l11) (l12)
( ) D2 :green led 2mA :solder anode in (n11) (n11) (n12)
( ) D3 :BAT43 schottky diode:solder anode in (n21) (n21) (n24)
( ) IC1:ATmega48-20PU :solder Pin 1 in (g8)
( ) J3 :jumper SCK :solder (k8) (k9)
( ) K1 :plug :solder
( ) K4 :USB-B-plug :solder
Der Prozessor kann über den ISP-Stecker programmiert werden.
Hierzu sind eine Brücke über die Diode und eine Brücke
zwischen den beiden SMD-Pads zu löten. Nach dem Programmieren
müssen auch die L- und H-Fuse neu gesetzt werden!

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 142
Abbildung 13.8: Layout der USB Variante des ISP-Interface

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 143
Abbildung 13.9: ISP-Interface in der USB Variante.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 144
Der Jumper muss gesteckt werden, wenn die am ISP angeschlossene
MCU mit weniger als 1,5 Mhz getaktet wird. Dies
ist z.B. bei unseren MCUs im Auslieferungszustand der Fall.
Um diese Lösung zum Arbeiten zu bekommen müsste man
diesen Kurs bereits teilweise durchlaufen haben. Deshalb rate
ich Einzelkämpfern, besser die etwas teurere Lösung von Atmel
zu kaufen. In Gruppen sind die Einsparungen durch die
Eigenleistung durchaus lohnend, vom Einblick in die Interna
von USB ganz zu schweigen.
Zuletzt ist zu beachten, dass das Programm avrdude die
Schnittstelle usbasp kennt. Zur Zeit von avrdude Version 5.1
muss hierzu noch eine Spezialversion aus den Programmquellen
erzeugt werden.
Innerhalb einer Diskussion im Internet wurde erwähnt, dass
die Spezifikation der USB-Schnittstelle für die Signale D+ und
D- nur 3,3 V +/- 10 % vorsieht. Die hier vorgestellte einfache
Lösung verwendet jedoch 5 V. Sollte das Probleme machen,
so kann man einfach mit zwei Dioden die Versorgungsspannung
der Schaltung reduzieren. Der verwendete ATmega48-
20 kann auch bei 3,3 V noch mit den notwendigen 12 Mhz
getaktet werden. Die reduzierte Spannung kann natürlich zu
Problemen auf der ISP-Seite führen.
usbisp
Mattias Weißer bietet auf seiner Homepage www.matwei.de
[matwei] eine weitere interessante Lösung an. Er verwendet

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 145
den FTDI-Chip FT245BM, der vom Betriebssystem als serieller
Schnittstellenkonverter erkannt wird. Softwaremäßig wird
das STK500 von Atmel emuliert. Daraus ergeben sich Vorund
Nachteile:
- Den FTDI-Chip gibt es nur als SMD-Bauteil.
- Die Schaltung ist aufwändiger als usbasp.
+ Für den FTDI-Chip gibt es fertige Treiber.
+ Für das STK500 gibt es fertige ISP-Software.
+ Die Lösung ist relativ schnell.
Auch wer diese Lösung verfolgt steht vor dem Henne-Ei-
Problem. Zumindest eine (ebenfalls zum STK500 kompatible)
Boot-Software muss mit einem vorhandenen Programmiergerät
in die MCU geladen werden.
Die Firmware von usbisp ist aber auch ohne den FTDI-
Chip mit einer RS232-Schnittstelle verwendbar. Bei dieser
Lösung, sie wurde RS232isp genannt, entfallen obige Nachteile.
Für den Anschluss an USB reicht ein einfacher RS232-
USB-Konverter. Im Anhang E wird auf diese Lösung nochmal
eingegangen.
13.3 Kabel
Ein ein bis zwei Meter langes 10-adriges Flachbandkabel wird
an beiden Seiten mit Pfostensteckern versehen. Meist haben
Flachbandkabel eine farbige Ader. Diese wird mit Pin1 verbunden.
Pin1 der Pfostenstecker ist mit einem kleinen Pfeil

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 146
gekennzeichnet. Zusammendrücken kann man die Stecker in
einem Schraubstock, gefühlvolles Drehen am Knebel vorausgesetzt!
13.4 Mikrocontroller-Board
Je unbekannter das Terrain, desto langsamer sollte man fortschreiten.
Der Aufbau des Experimentiersystems wird deshalb
in sechs Baustufen unterteilt. Die erste Stufe ist auf dem
Schaltplan in Abbildung 13.10 nicht grau hinterlegt und wird
hier nochmal in zwei Stufen geteilt.
13.4.1 Programmierschnittstelle
Im zur Hardware gehörigen Verzeichnis befindet sich
ein Platinenlayout, bei dem die Kupferlackdrähte Kl1
und Kl2 im Layout integriert wurden in der Datei
hardware/layout mainboard.png.
( ) PCB :1/1 Lochrasterplatine 39*63:herstellen
( ) Mon1:4 Platinenfüße :befestigen (K61)
( ) B3 :Draht :einlöten (v6) (v12)
( ) B4 :Draht :einlöten (c56) (a56)
( ) B5 :Draht :einlöten (c16) (a16)
( ) B6 :Draht :einlöten (M16) (J16)
( ) B7 :Draht :einlöten (J15) (C15)
( ) B8 :Draht :einlöten (a7) (h7)
( ) B9 :Draht :einlöten (f8) (f13)
( ) B10 :Draht :einlöten (g8) (g13)
( ) B11 :Draht :einlöten (D1) (D3)
( ) B12 :Draht :einlöten (c19) (a19)
( ) B13 :Draht :verbinden (F6) (H9)
( ) Pfo1:Steckerliste 2x5 90Grad :einlöten (F6)
( ) So1 :DIL-28S Präzisions-Sockel :einlöten (w12)

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 147
Abbildung 13.10: Schaltplan der ersten sechs Baustufen

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 148
Abbildung 13.11: Layout der Hauptplatine

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 149
( ) Kl1 :Kupferlackdraht 0.2mm :einlöten (J6) (p5)
( ) Kl2 :Kupferlackdraht 0.2mm :einlöten (H6) (w6)
( ) IC1 :Mikrocontroller ATmega..8 :Pin1 in w12 einsetzen
Der Draht B12 wird VOR dem Einsetzen des Sockels am Pin
17 festgelötet. Nach dem Einlöten in die Platine wird der
Draht mit der Steckerleiste verbunden. Ist alles montiert, kann
ein Test eingeschoben werden.
13.4.2 Erster Dialog
Nachdem das Programmierinterface fertig ist und eine letzte
optische Kontrolle keine Fehler mehr erkennen läßt, soll ein
erstes Experiment die Funktionstüchtigkeit beweisen.
Dieses Experiment funktioniert nicht mit der RS232-Variante
der ISP-Schnittstelle, da diese keine Stromversorgung beinhaltet.
Bei ausschließlicher Verwendung der Variante muss der
Aufbau der Stromversorgung, im Kapitel 13.4.4 beschrieben,
vorgezogen werden.
Für die Verbindung zwischen dem Mikrocontroller und der
ISP-Schnittstelle wurde die Experimentierplatine mit Drahtbrücken,
CPU-Sockel und ISP-Stecker bestückt. Der Mikrocontroller
sollte fabrikneu sein, da er sonst eventuell auf einen
externen Oszillator eingestellt wurde. In diesem Fall kann man
ohne Oszillator den Mikrocontroller nicht mehr ansprechen.
Das Programm avrdude wird aufgerufen. Der erste Testaufruf
heißt

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 150
oder
oder
avrdude -c bsd -p atmega48 -P /dev/parport0
avrdude -c ponyser -p atmega48 -P /dev/ttyS0
avrdude -c usbasp -p atmega48
je nach verwendeter Schnittstelle. parport0, ttyS0 und atmega48
sind Parameter, die natürlich stimmen müssen. Eine
entsprechende Freigabe der Schnittstellen vom PC-Bios muss
beim Urladen (BIOS-Setup) erfolgt sein. Die Treiberschichten
des Betriebssystems müssen vorhanden sein.
Da die libusb in avrdude mit dem Verzeichnis /proc arbeitet,
dies aber nur mit Superuser-Rechten erlaubt ist, müssen diese
Rechte dem Programm während der Ausführung mit folgendem
Befehl eingeräumt werden:
chmod 4755 /usr/local/bin/avrdude
Solche Rechte kann natürlich nur der Superuser vergeben.
Wird eine Schnittstelle im Verzeichnis /dev verwendet, so
braucht der User ausreichend Rechte für den Zugriff auf die
entsprechende Schnittstelle. Der Superuser muss also zum
Beispiel folgenden Befehl eingeben:

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 151
chmod 666 /dev/ttyS0
Fehler können in vier Bereichen liegen, fehlende Dateien, fehlende
Rechte, fehlende Systemtreiber, falsche Verdrahtung.
Diese Hürde muss erklommen werden.
Erkennt das Programm avrdude endlich den Prozessortyp,
zum Beispiel mit der Meldung
...
avrdude: Device signature = 0x1e9205
...
so ist die erste Stufe geschafft, unser System ist bereit, das
erste Experiment kann starten:
Eeprom mit Hello World! beschreiben und auslesen.
Die binutils-avr sind hoffentlich installiert.
Als erstes wird eine Quelldatei mit dem Editor erstellt:
vi eeprom.s
In diese Datei schreiben wir eine Assembler-Anweisung, die
unseren Text erzeugt:
.string ”Hello World!”

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 152
Anschließend wird die Datei dem Assembler zum Übersetzen
gegeben.
avr-as eeprom.s
Die Datei mit dem default-Namen a.out muss nun für das
Programmierprogramm avrdude vorbereitet werden:
avr-ld -o eeprom --oformat srec a.out
Es entsteht eine kleine Datei im Motorola S-records Format,
die man mit dem Befehl
ansehen kann.
cat eeprom
S0090000656570726F6D6E
S110000048656C6C6F20576F726C642100B2
S104000D00EE
S9030000FC
Jede Zeile bildet eine S-record bestehend aus folgenden Feldern:
S, Satztyp, Datenlänge, Ladeadresse, Daten, Prüfbyte.
Diese Datei kann vom Programmierprogramm ins Speicherwerk
des Mikrocontrollers geladen werden:

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 153
avrdude -c usbasp -p atmega48 -U eeprom:w:eeprom:s
Zur Kontrolle liest der Befehl
avrdude -c usbasp -p atmega48 -U eeprom:r:-:s
unsere Daten aus dem Mikrocontroller wieder aus.
Mit diesem einfachen Versuch ist bewiesen, dass sich unser
Mikrocontroller programmieren lässt. Den nächsten Experimenten
steht nichts mehr im Weg.
Vertiefung: Die vier Zeilen der Datei eeprom lassen sich mit
den Tabellen aus dem Kapitel 2 decodieren.
13.4.3 Erste Baustufe
Nun wird die Schaltung um Oszillator und Leuchtdioden erweitert:
( ) B1 :Drahtschlinge für -Messp. :einlöten (L6) (L7)
( ) B2 :Drahtschlinge für +Messp. :einlöten (a6) (a8)
( ) So3 :DIL-14 Präzisions-Sockel :einlöten (D17)
( ) Stl3:Stiftleiste 1polig :einlöten (y8)
( ) Stl4:Stiftleiste 2polig (option):bei ISP-Betrieb einlöten (v13)
( ) :Jumper (option) :bei ISP-Betrieb einlöten
( ) LED1:Leuchtdioden grün 3mm 2mA :Anode in y3 einlöten (y2) (y3)
( ) LED2:Leuchtdioden gelb 3mm 2mA :Anode in t3 einlöten (t2) (t3)
( ) LED3:Leuchtdioden rot 3mm 2mA :Anode in o3 einlöten (o2) (o3)
( ) C1 :Kondensator 100 nF :einlöten (B10) (B11)
( ) C2 :Kondensator 100 nF :einlöten (E10) (E11)
( ) C13 :Kondensator 33 nF (option):bei ISP-Betrieb zwischen Pin1 und GND
( ) L1 :Festinduktivität 10uH :liegend einlöten (D4) (D8)
( ) R7 :Widerstand 2k7 Ohm :stehend einlöten (y4) (y5)
( ) R8 :Widerstand 2k7 Ohm :stehend einlöten (t4) (t5)
( ) R9 :Widerstand 2k7 Ohm :stehend einlöten (o4) (o5)
( ) R11 :Widerstand 47k Ohm :liegend einlöten (L8) (I8)
( ) R12 :Widerstand 47k Ohm :liegend einlöten (C13) (w13)
( ) IC2 :Oszillator 7.3728 Mhz :Pin1 in J14 einsetzen
( ) Stl1:Stiftleiste 3polig :einlöten (c13)
( ) D1 :Diode BAT 43 :Anode in d14 einlöten (d14) (d16)

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 154
Abbildung 13.12: Erste Baustufe
Obige Tests können wiederholt werden. Bereits beim up- und
download müssen die Leuchtdioden heftig blinken, da sie
auch als Kontrollleuchten für die Programmierleitungen MO-
SI, SCK and MISO gedacht sind. Im Fehlerfall muss man
Leiterbahnen und Polung der LEDs kontrollieren.
Funktioniert die Platine so weit, sind wir bereit für das erste
Programmierprojekt. Zur Einführung programmieren wir in
Assembler.
Blinkende LED
Für die Ausgabe von ,,Hello World!” sind schon viele Voraussetzungen
auf Hard- und Softwareseite zu erfüllen. Un-

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 155
ser System ist noch zu einfach und muss für diese Aufgabe
noch wachsen. Mikrocontroller begrüßen die Welt oft mit einer
Leuchtdiode, die einfach an und aus geht. Das ließe sich
auch einfacher lösen, dann würde man aber nichts über Mikrocontroller
lernen.
Reine Assembler Version
Das einfache Programm besteht aus vier Teilen:
• Vorbereiten des Programmspeichers auf alle Interrupts,
auf die der Mikrocontroller reagieren würde.
• Vorbereiten des RAMs durch Initialisieren des Stackpointers.
• Vorbereiten des Ausgabewerkes.
• Programmschleife zum Schalten der LED.
Die genaue Beschreibung aller AVR-Befehle befindet sich in
der von Atmel erhältlichen Beschreibung ,,AVR Instruction
Set”.
Einige Regeln des Programms:
• Kommentare starten mit einem Semikolon und erstrecken
sich bis zum Zeilenende.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 156
• Die Section .text liegt im Programmspeicher (im Gegensatz
zu .eeprom).
• Programmmarken wie Sprungadressen enden mit Doppelpunkt.
• Worte, die der Assembler kennt, sind in der Regel klein
geschrieben.
• Es empfiehlt sich, eingeführte Worte wie Sprungmarken
am Anfang groß, dann klein zu schreiben.
• Die von Atmel eingeführten Registeradressen etc. sind
in der Regel komplett groß geschrieben.
Das gezeigte Beispiel verwendet noch keine Namen für die
Register des Ein-/Ausgabewerkes. Diese sind als Kommentar
angefügt. Das Programm funktioniert deshalb nur für die
vorgesehene Version des AVR-Prozessors. Es kann mit einem
einfachen Befehl übersetzt werden:
avr-as fastled.as
Die entstandene Datei a.out kann zur Kontrolle wieder
rückübersetzt werden.
avr-objdump -d a.out
Diesen Vorgang nennt man Disassemblieren.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 157
../software/led.assembler/a.out: file format elf32-avr
Disassembly of section .text:
00000000 :
0: 19 c0 rjmp .+50 ; 0x34
2: 17 c0 rjmp .+46 ; 0x32
4: 16 c0 rjmp .+44 ; 0x32
6: 15 c0 rjmp .+42 ; 0x32
8: 14 c0 rjmp .+40 ; 0x32
a: 13 c0 rjmp .+38 ; 0x32
c: 12 c0 rjmp .+36 ; 0x32
e: 11 c0 rjmp .+34 ; 0x32
10: 10 c0 rjmp .+32 ; 0x32
12: 0f c0 rjmp .+30 ; 0x32
14: 0e c0 rjmp .+28 ; 0x32
16: 0d c0 rjmp .+26 ; 0x32
18: 0c c0 rjmp .+24 ; 0x32
1a: 0b c0 rjmp .+22 ; 0x32
1c: 0a c0 rjmp .+20 ; 0x32
1e: 09 c0 rjmp .+18 ; 0x32
20: 08 c0 rjmp .+16 ; 0x32
22: 07 c0 rjmp .+14 ; 0x32
24: 06 c0 rjmp .+12 ; 0x32
26: 05 c0 rjmp .+10 ; 0x32
28: 04 c0 rjmp .+8 ; 0x32
2a: 03 c0 rjmp .+6 ; 0x32
2c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x32
2e: 01 c0 rjmp .+2 ; 0x32
30: 00 c0 rjmp .+0 ; 0x32
00000032 :
32: e6 cf rjmp .-52 ; 0x0
00000034 :
34: 02 e0 ldi r16, 0x02 ; 2
36: 0e bf out 0x3e, r16 ; 62
38: 0f ef ldi r16, 0xFF ; 255
3a: 0d bf out 0x3d, r16 ; 61
0000003c :
3c: 25 9a sbi 0x04, 5 ; 4
0000003e :
3e: 2d 9a sbi 0x05, 5 ; 5
40: 2d 98 cbi 0x05, 5 ; 5
42: fd cf rjmp .-6 ; 0x3e
Den Zusammenhang zwischen Befehlen des Assemblers und
Befehlscodes kann man in der Rückübersetzung gut erkennen.
Das Disassemblieren ist auch später interessant, wenn nicht
klar ist, wie der Compiler ein Programm verstanden hat.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 158
Wie das Programm in den Flash-Speicher des Mikrocontrollers
kommt, wissen wir schon: mit den Werkzeugen avr-ld und
avrdude.
Sofort nachdem das Programm geladen wird, wird der Mikrocontroller
mit einem Reset aktiviert. Er springt auf die Adresse
0 und beginnt mit der Programmbearbeitung. In diesem
Punkt unterscheiden sich viele CPUs. Dieses Verhalten ist ein
wichtiger Aspekt des Datenblattes.
Die Leuchtdiode leuchtet zwar, aber scheint nicht zu blinken.
Untersucht man den Pin 5 des Port B mit dem Oszilliskop, wie
es die Abbildung 13.13 zeigt, so blinkt er doch. Die horizon-
tale Ablenkung des Oszilloskops ist auf 1 µsec
cm
eingestellt. Der
Mikrocontroller arbeitet mit dem internen Takt von 1 Mhz.
Ein Takt des Mikrocontrollers entspricht also 1 cm horizontaler
Ablenkung. Im Oszillogramm kann man gut die zwei Takte
des Befehls sbi, gefolgt von den jeweils zwei Takten der Befehle
cbi und rjmp erkennen. Dannach folgt der nächste Schleifendurchlauf.
Der Befehl rjmp liegt jetzt außerhalb der Breite der
Kathodenstrahlröhre. Der nächste Schleifendurchlauf triggert
wieder die Synchronisation und der Kathodenstrahl läuft auf
der gleichen Bahn wie 12 µsec zuvor.
Vertiefung: Mit welcher Frequenz blinkt die Leuchtdiode?
Assembler Version mit Präprozessor
In obigem Programm sind typabhängige Werte wie RAMEND
und PORTB als Konstante ins Programm eingetragen. Das

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 159
Abbildung 13.13: Schnell blinkende Leuchtdiode

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 160
ist nicht nur schlecht zu lesen, sondern macht auch Probleme,
wenn das Programm auf ein anderes Mikrocontrollermodell
portiert werden soll. Deshalb wird normalerweise eine
Datei mit dem Befehl .include eingeführt, die die Werte für
das entsprechende Modell definiert. Das avr-binutils-Paket ist
primär auf die Programmiersprache C ausgerichtet. So ist es
verständlich, dass die vom Prozessor abhängigen Includefiles
nur für C und nicht für Assembler vorhanden sind. Mit einem
(nicht ganz sauberen) Trick kann man die C Includefiles auch
für Assembler nutzen. Es wird der C Präprozessor eingesetzt.
avr-cpp -mmcu=atmega48 fastled.s | sed ”s/ + 0x20//g” |
avr-as
Leider muss ein kleines Problem mit dem Streameditor sed
ausgebügelt werden. Dies ist natürlich bei der Programmierung
zu berücksichtigen. Statt ” + 0x20” verwende man
”+32”, falls die Konstante gebraucht wird.
An den Anfang der Datei stellt der zusätzliche cpp-Befehl
#include
zusammen mit der -mmcu Option die Konstanten als Namen
entsprechend dem Datenblatt von Atmel zur Verfügung. Die
Kommentare der Befehle des obigen Hauptprogramms können
jetzt in die Befehle integriert werden.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 161
Nachdem das Problem der Portabilität gelöst ist, betrachten
wir ein praktisches Problem des Programms: Der Mikrocontroller
ist so schnell, dass das Blinken nicht sichtbar wird. Zwei
Lösungsmöglichkeiten bieten sich an:
• Der Takt des Prozessors wird gebremst, zum Beispiel
auf zwei Hertz.
• Das Programm wird um Warteschleifen erweitert.
Die erste Möglichkeit wird hier nicht vertieft. Der Sockel des
Oszillators lässt Raum für eigene Experimente wie das Takten
mit einer prellfreien Taste. Die AVR-Mikrocontroller sind statisch
aufgebaut und funktionieren bis zur oberen Grenze mit
jeder Taktfrequenz. Diese Eigenschaft ist nicht selbstverständlich!
Langsamer Takt verbraucht weniger Strom. Es ist zu
beachten, dass die Fuses der MCU auf die jeweilige Taktart
eingestellt werden müssen. Das Datenblatt gibt auch hierzu
detaillierte Auskunft. Dies ist eine der Möglichkeiten, den
Mikrocontroller an ein konkretes Projekt anzupassen, auch
skalieren genannt.
Assembler Version mit Warteschleifen
Die zweite Möglichkeit, die Blinkfrequenz zu verkleinern, besteht
darin, zwischen dem Umschalten eine Pause einzulegen.
Die Programmschleife zum Schalten der LED wird um Warte-
Aufrufe erweitert:

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 162
;// Wait()
Wait:
;// register Cnt1, Cnt2, Cnt3
#define Cnt1 r16
#define Cnt2 r17
#define Cnt3 r18
;// for (Cnt1=100;Cnt1;Cnt1--)
ldi Cnt1, 100
Loop2:
tst Cnt1
breq Endloop2
dec Cnt1
;// for (Cnt2=100;Cnt2;Cnt2--)
ldi Cnt2, 100
Loop3:
tst Cnt2
breq Endloop3
dec Cnt2
;// for (Cnt3=100;Cnt3;Cnt3--)
ldi Cnt3, 100
Loop4:
tst Cnt3
breq Endloop4
dec Cnt3
;// end for
rjmp Loop4
Endloop4:
;// end for
rjmp Loop3
Endloop3:
;// end for
rjmp Loop2
Endloop2:
;// end Wait
ret
;// Main()
Main:
;// DDRB5 becomes output
sbi DDRB,5
;// loop
Loop1:
;// switch on PORTB5
sbi PORTB,5
;// Wait ()
rcall Wait
;// switch off PORTB5
cbi PORTB,5
;// Wait ()
rcall Wait
;// end loop
rjmp Loop1
Endloop1:
Die Warte-Funktion besteht aus einer geschachtelten Zählschleife,
die 100 ∗ 100 ∗ 100 also eine Million mal durchlaufen

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 163
wird. Ein so verzögertes Umschalten ist mit blosem Auge erkennbar.
Das Assembler-Programm wurde erst in einer zu C ähnlichen
Pseudosprache formuliert, die als Kommentar zwischen
den Befehlen steht. Ein derart strukturiertes Assembler-
Programm kann man schnell entwickeln. Eine lästige Arbeit,
das Erfinden von Sprungmarken wird auf die Verwaltung von
Nummern reduziert. Der Rest ist fast mechanische Übersetzungsarbeit.
Eine Arbeit für die es eigentlich Compiler gibt.
Die Hauptgründe beim heutigen Einsatz von Assembler sind,
die Programmgröße zu minimieren oder die Programmgeschwindigkeit
zu maximieren. Diese beiden Ziele können aber
nur mit hohem Aufwand erreicht werden. Vergleicht man die
obige Assembler-Version mit der folgenden C-Version der blinkenden
Leuchtdiode, so wird das klar. Hier war der Einsatz
des Assemblers wichtig, um eine Vorstellung von der Arbeitsweise
des Computers zu bekommen.
C Version
Für die folgenden Programmbeispiele ist die Kenntnis der
wichtigsten Eigenschaften der Programmiersprache C Voraussetzung.
//
// Program: led.c
// Funktion: program-sample for c: blinking led
// History: 20031203 HKU creation
//
#include

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 164
void wait ()
{
// unsigned char cnt1,cnt2,cnt3; // does not work with -O2 and -O3
// volatile unsigned char cnt1,cnt2,cnt3;
register cnt1,cnt2,cnt3;
for (cnt1=100;cnt1;cnt1--)
for (cnt2=100;cnt2;cnt2--)
for (cnt3=100;cnt3;cnt3--);
}
#define led_DDR DDRB // LED
#define led_PORT PORTB
#define led_PIN PINB
#define led_PB PB5
main()
{
led_DDR |= 1

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 165
An dieser Stelle sei erwähnt, daß der Aufruf des gcc eigentlich
mehrere Programme aktiviert:
cpp Der C-Preprozessor bearbeitet alle Zeilen, die mit dem
Zeichen # beginnen.
cc Der C-Compiler übersetzt die Sprache C in Assembler.
as Der Assembler übersetzt in relokativen Maschinencode.
Relokativer Code kennt noch keine feste Adresse.
ld Der Linker verbindet eine oder mehrere Objektdateien
(Ausgaben des Assemblers) mit den Programmen des
Runtimes zu einem fertigen Maschinenprogramm.
Mit dem Disassembler kann man sehr gut die Erweiterungen
des Programmes durch Teile des Runtime-Pakets erkennen.
In diesem Fall entspricht das der Initialisierung der Interrupt-
Vektoren und der Initalisierung des Arbeitsspeichers.
Interessant sind auch die Optimierungsstufen des Compilers.
Werden die drei Variablen der Funktion wait nicht als register
bzw volatile deklariert, so werden die Schleifen in den
Optimierungsstufen -O2 und -O3 wegoptimiert. Der Compiler
erkennt, dass mit den Variablen nichts mehr passiert und
die Schleifen nur Zeit verschwenden und entfernt diese! Aus
diesem Grund sollte man Optimierung erst am Ende der Programmentwicklung
einsetzen.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 166
C Version mit Interrupt
Nachdem bisher sehr einfache Programmversionen betrachtet
wurden, um verschiedene Programmiertechniken zu demonstrieren,
soll hier eine Lösung gezeigt werden, die die Möglichkeiten
des Ein-/Ausgabewerks des Mikrocontrollers mehr ausnutzt
und so dem Programm Vorteile verschafft.
//
// Program: led.c
// Funktion: program-sample for c: blinking led, interrupt version
// History: 20031204 HKU creation
//
#include
#include
#define CLOCK 1000000 //7372800 // Hz
#define TIMERCLK 50 // Hz
#define CLOCKSRC0 5 /* CK1024 */
#define CLOCKCNT0 -(CLOCK/1024/TIMERCLK-256)
/* 1024

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 167
sei();
for (;;) {
led_PORT |= 1

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 168
Ein Nachteil des Verfahrens sei nicht verschwiegen. Die Fehlersuche
in Programmen mit Interrupts kann sehr aufwändig
sein, da das Programm nicht mehr Schritt für Schritt abläuft.
Das Prinzip des early testings ist unbedingt anzuwenden. Als
Anfänger sollte man sich Interrupts sehr vorsichtig zuwenden.
Vertiefung: Frequenz des internen RC-Oszillator des Mikrocontrollers
mit der Spannungsversorgung des Centronics-
Interfaces (ca. 3 V) ausmessen.
13.4.4 Netzteil
Die Stromversorgung über die Centronics-Schnittstelle schafft
nur wenige Milliampere und wenig mehr als 3 Volt. Schon der
Pegelwandler der RS232-Schnittstelle fordert mehr. Eine externe
Stromversorgung ist deshalb die nächste Baustufe. Besitzer
eines Labornetzteils können darauf natürlich verzichten.
( ) Stl2:Stiftleiste 1polig :einlöten (j56)
( ) :Printbuchse 2.1mm :einlöten
( ) R13 :Widerstand 10k Ohm :liegend einlöten (r56) (n56)
( ) R14 :Widerstand 100kOhm :liegend einlöten (l57) (h57)
( ) D2 :Diode 1N4001 :Anode in r58 einlöten (r58) (o58)
( ) D3 :Diode 1N4001 :Anode in o59 einlöten (r59) (o59)
( ) D4 :Diode 1N4001 :Anode in o60 einlöten (r60) (o60)
( ) D5 :Diode 1N4001 :Anode in r61 einlöten (r61) (o61)
( ) D6 :Diode BAT 43 :Anode in g58 einlöten (g56) (g58)
( ) D7 :Diode BAT 43 :Anode in j60 einlöten (j60) (j62)
( ) Tr1 :BC 547 B :flache Seite n. innen einlöten (m56) (m57)
( ) IC1 :Spannungregler 78L05 :flache Seite n. aussen einlöten (j59) (i59)
( ) C10 :Kondensator 10 uF :+ in g59 einlöten (g59) (g60)
( ) C11 :Kondensator 100 uF 25V :+ in m59 einlöten (m59) (m60)
( ) C12 :Kondensator 10 nF :einlöten (s55) (s56)
Vor dem Einsetzen der Printbuchse werden die äußeren Anschlussfahnen
verkürzt, damit sie als Lötflächen für Anschlußdrähte
dienen können. Für die innere Anschlußfahne muss mit

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 169
der Laubsäge ein 2,54 mm langer Schlitz in die Platine gesägt
werden.
Das Netzteil ist so ausgelegt, dass es mit vielen Steckernetzteilen
zusammen funktioniert. Passt der Stecker, ist nur der
unwahrscheinliche Fall, dass die Spannung zu niedrig oder zu
hoch ist, an den Daten im Anhang B zu prüfen.
Vor der ersten Inbetriebnahme entfernt man den Mikrocontroller.
Vor dem erneuten Einsetzen wird die Funktion des
Netzteils mit dem Multimeter geprüft. Die Gleichspannung
muss nahe 5 Volt, die Wechselspannung nahe 0 Volt liegen.
Andernfalls ist die Polung und Funktion aller Bauteile zu kontrollieren.
Vertiefung: Frequenz des RC-Oszillator bei 5 V bestimmen.
13.4.5 Oszillator
Der Prozessor kann auf mehrere Möglichkeiten getaktet werden.
Die internen Register und Speicher benötigen keinen
Takt, um ihren Inhalt zu erhalten. Man nennt derartige Speicher
statisch, im Gegensatz zu dynamisch. Statische Speicher
sind ungefähr um das vierfache aufwändiger als dynamische
Speicher! Aus diesem Grund kann der Prozessor unterhalb der
oberen Grenze mit jeder Taktfrequenz versorgt werden. Das
Experimentiersystem wurde mit einem Sockel für den Oszillator
ausgestattet, um alle Möglichkeiten offen zu lassen.
Zusätzlich kann der Prozesser durch eine von vier verschiedenen
Techniken mit Takt versorgt werden. Die jeweilige Be-

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 170
triebsart wird durch Einstellen der Fuses mit dem Programm
avrdude ausgewählt.
Interner RC-Oszillator
Der interne RC-Oszillator kann auf 1, 2, 4 oder 8 Mhz eingestellt
werden. Fabrikneue ICs sind auf 1 Mhz voreingestellt.
Diese Variante benötigt keine weiteren Bauteile. Die beiden
freien Anschlüsse können als zusätzliche I/O-Ports genutzt
werden. Leider schwingen RC-Oszillatoren recht ungenau, so
dass zeitkritische Anwendungen, wie z.B. asynchrone serielle
Datenübertragungen einen stabileren Takt erfordern.
Externer RC-Oszillator
Diese Variante macht dann Sinn, wenn die verfügbaren internen
Frequenzen nicht passen.
Externer Quarz
Die gebräuchlichste Variante für zeitlich genaue Anwendungen.
Im Abschnitt 10.2 wurde der Aufbau des Quarzmoduls
als Beispiel vorweggenommen.
Externes Oszillator-IC
Die Lösung besteht aus nur einem Bauteil. Es ist aber teuerer
als die Summe der Teile des selbst gelöteten Quarz-Moduls.
Dafür sind Quarzoszillatoren präzise abgestimmt.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 171
13.4.6 RS232 Schnittstelle
Die relativ einfache Erweiterung unseres Mikrocontrollers um
eine RS232 Schnittstelle schafft neue Möglichkeiten. Nicht nur
für Anwendungen, auch beim Testen und bei der Fehlersuche
gibt es Einsatzgebiete.
( ) Pfo1:Steckerlisten 2x5 90Grad :einlöten (d6)
( ) So4 :DIL-16 Präzisions-Sockel :einlöten (e8)
( ) C4 :Kondensator 100 nF :einlöten (i8) (i9)
( ) C5 :Tantal-Kondensator 1 uF :+ in j12 einlöten (j11) (j12)
( ) C6 :Tantal-Kondensator 1 uF :+ in j13 einlöten (j13) (j14)
( ) C7 :Tantal-Kondensator 1 uF :+ in c9 einlöten (c9) (c10)
( ) C8 :Tantal-Kondensator 1 uF :+ in c11 einlöten (c11) (c12)
( ) Kl3 :Kupferlackdraht 0.2mm :einlöten (e5) (f7)
( ) Kl4 :Kupferlackdraht 0.2mm :einlöten (f5) (g7)
( ) Kl5 :Kupferlackdraht 0.2mm :einlöten (j12) (f9)
( ) Kl6 :Kupferlackdraht 0.2mm :einlöten (i14) (e13)
( ) IC3 :MAX (3)232 N :Pin1 in e8 einsetzen
Abbildung 13.14: Adapter

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 172
Als Kabel wird das gleiche 10-adrige Flachbandkabel wie für
die ISP-Schnittstelle verwendet. Zwischen Pfostenbuchse und
RS232-Stecker des PC muss ein selbst gelöteter Adapter eingesetzt
werden: Pin 1 eines Pfostensteckers wird mit der Zange
entfernt. Auf der Lötseite des Pfostensteckers werden die restlichen
4 Pins der Reihe etwas in die Richtung des ehemaligen
Pin 1 gebogen. Pin 1 bis Pin 5 einer DB9-Buchse werden mit
der fünf Pin Reihe des Pfostensteckers verlötet. Die gebogene
vier Pin Reihe wird mit den restlichen Pins 6 bis 9 verlötet.
Das Foto der Abbildung 13.14 macht das deutlich.
Falls der Mikrocontroller noch mit internem RC-Oszillator arbeitet,
muss ein mit Quarz stabilisierter Oszillator eingesetzt
werden. Falls ein IC eingesetzt wird, muss man darauf achten,
dass der Pin 1 anders ausgerichtet ist als bei der CPU! Für
den Betrieb mit RS232 eignet sich die Frequenz 7372800 Hz
am besten. Mit dem Programm avrdude werden die Fuses des
Mikrocontrollers so eingestellt, dass er ohne internen Oszillator
arbeitet:
avrdude -c usbasp -p atmega48 -U lfuse:w:0xdc:m
Vertiefung: Man analysiere den Befehl mit Hilfe des Datenblatts.
Mit dieser Erweiterung ist das System so weit, Texte auszugeben.
Als Anzeige verwenden wir ein Terminal. Terminals
sind Ein-/Ausgabegeräte für Großrechner. Sie bestehen
aus einer Tastatur, einem Textbildschirm und einer RS232-
Schnittstelle. Eingaben auf der Tastatur gehen zur RS232.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 173
Werden von der RS232 Daten empfangen, werden sie auf
dem Bildschirm angezeigt. Schon lange sind PCs wegen ihrer
großen Verbreitung preiswerter als reine Terminals. Die
Programme, die Terminals simulieren, nennt man Terminalemulationen.
Eine verbreitete Terminalemulation für Linux ist
minicom.
Die Einstellungen des Terminals können im Programm per
Dialog durchgeführt werden. Die Datei $HOME/.minirc.dfl
speichert die Werte für weitere Programmaufrufe:
# Machine-generated file - use setup menu in minicom to change parameters.
pu port /dev/ttyS1
pu baudrate 2400
pu bits 8
pu parity N
pu stopbits 1
Natürlich muss auch der Treiber für serielle Schnittstellen im
Kernel eingebunden sein.
Ein Programm zur Ausgabe eines Textes ist schnell geschrieben:
/*
** Name: software/hello/hello_uart.c
** Funktion: display "hello, world"
** History: 20060405 Hanns-Konrad Unger creation
*/
#include
#define putbyte_clock Clock
#define putbyte_baud 2400
#define putbyte_DDR DDRD
#define putbyte_PORT PORTD
#define putbyte_PIN PIND
#define putbyte_PB PD1
#include "../include/mainboard.h"
#include "../include/putbyte_uart.c" // uses uart

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 174
void putstring (unsigned char * ptr) {while (*ptr) putbyte (*ptr++);}
main () {
putbyte_init();
putstring ("\f* Hello World! *\r\n");
putstring ("================\r\n");
}
Die Funktion putstring() ruft die Funktion putbyte() solange
auf, bis der String durch eine Null beendet wird. Diese elegante
C-Lösung eignet sich nur für Fälle, bei denen man sicher
ist, keine Null ausgeben zu müssen. Terminals verwenden die
binäre Null in der Regel nicht. Für die Funktion putbyte()
mit der zugehörigen Funktion putbyte init() sollen jetzt drei
Lösungsvarianten gezeigt werden:
RS232 Ausgabe mit UART
//
// Name: software/include/putbyte_uart.c
// Function: AVR serial putbyte over UART
// History: 20030213 Hanns-Konrad Unger creation
// Usage: #define putbyte_clock 6553600 /* frequence of system-clock */
// #define putbyte_baud 38400 /* baud-rate */
//
// #include "putbyte_uart.c"
// putbyte_init();
// putbyte (’\n’);
//
#ifndef putbyte_uart_c
#define putbyte_uart_c
#include
#include "mainboard.h"
// at90s4433: UBRR=(putbyte_clock/putbyte_baud/16-1);
#ifdef __AVR_ATmega8__
#define putbyte_T 16
#else // ATmega48 ...
#define putbyte_T 16
#endif
#define putbyte_init()\

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 175
UBRR0H = (putbyte_clock/putbyte_baud/putbyte_T-1)>>8;\
UBRR0L = (putbyte_clock/putbyte_baud/putbyte_T-1);\
sbi (UCSR0B,TXEN0);
// UCSRC = (1

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 176
#ifndef putbyte_port_c
#define putbyte_port_c
#include "mainboard.h"
#define putbyte_init() sbi (putbyte_DDR, putbyte_PB);\
sbi (putbyte_PORT,putbyte_PB)
void putbyte (unsigned char txbyte)
{
char len = 1+8+1; /* startbit+databits+stopbit */
char carry = 1; /* startbit */
int cnt;
txbyte = ~txbyte;
for (;;)
{
if (carry) // (!carry)
cbi (putbyte_PORT,putbyte_PB);
else
sbi (putbyte_PORT,putbyte_PB);
cnt=putbyte_clock/putbyte_baud/4-4;
#ifdef O0
asm ("loop4cycl: subi r24,1"); /* subtract constant 1 */
asm (" sbci r25,0"); /* compute carrybit */
asm (" brne loop4cycl");
#else
#ifdef O1
while (--cnt);
#else
#error Use "gcc -O1 -DO1 ..." to compile while (--cnt);
#endif
#endif
if (! --len) break;
carry = txbyte % 2;
txbyte /= 2;
}
}
#endif
Die Geschwindigkeit der Übertragung, Baudrate 2 genannt,
wird durch eine Zählschleife beeinflußt. Wie wir schon gesehen
haben, sind Zählschleifen vom Grad der Optimierung
abhängig. Deshalb muss für verschiedene Optimierungsstufen
ein unterschiedlicher Code erzeugt werden.
2 Die Einheit Baud für Impulse pro Sekunde erinnert an den französi-
chen Erfinder Baudot.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 177
Nebenbei kann man das Programm als Definition der Bit-
Übertragungs-Schicht von RS232 ansehen. Sinnvoll einsetzen
kann man das Programm auf den kleineren AVR Mikrocontrollern,
die noch keinen UART besitzen.
RS232 Ausgabe mit UART und Interrupt
//
// Name: software/include/putbyte_buff.c
// Function: AVR serial putbyte over UART using interrupt
// History: 20031208 Hanns-Konrad Unger creation
// Usage: #define putbyte_clock 6553600 /* frequence of system-clock */
// #define putbyte_baud 38400 /* baud-rate */
//
// #include "putbyte_buff.c"
// putbyte_init();
// putbyte (’\n’);
//
#ifndef putbyte_buff_c
#define putbyte_buff_c
#include "mainboard.h"
#include
#include
// AT90s4433: UBRR = (putbyte_clock/putbyte_baud/16-1);
#define putbyte_init()\
UBRRH = (putbyte_clock/putbyte_baud/16-1)>>8;\
UBRRL = (putbyte_clock/putbyte_baud/16-1);\
sbi (UCSRB,TXEN);\
sei();
// UCSRC = (1

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 178
cbi (UCSRB,UDRIE);
}
void putbyte (unsigned char txbyte)
{
while (putbyte_buffil >= putbyte_buflen) asm ("sleep");
cbi (UCSRB,UDRIE);
putbyte_buffer[putbyte_bufput]=txbyte;
putbyte_bufinc(putbyte_bufput);
putbyte_buffil++;
sbi (UCSRB,UDRIE);
}
#endif
Diese Version nutzt die Hardware in vollem Umfang aus.
Zwar werden nicht wenig Programmworte verbraucht, zusätzlich
benötigt das Programm auch noch einen Ringpuffer im
wertvollen Schreib-/Lesespeicher, dafür ist der Bedarf an Rechenzeit
minimal. Beim Aufruf von putbyte init() muss man
berücksichtigen, dass der Interrupt frei geschaltet wird! So
lange der Ringpuffer belegt ist, legt sich die CPU schlafen.
Nachdem das Senden über die RS232-Schnittstelle funktioniert,
ist das Empfangen nicht mehr schwer. Als Hauptprogramm
erstellen wir ein Echo, das empfangene Zeichen einfach
wieder zurückschickt:
/*
** Name: software/rs232/rs232.c
** Funktion: echos keyboard
** History: 20031223 Hanns-Konrad Unger creation
*/
#include
#define putbyte_clock Clock
#define putbyte_baud 2400
#include "../include/putbyte_uart.c" // uses uart
//#include "../include/putbyte_buff.c" // uses uart with interrupt
//#include "../include/putbyte_disp.c" // uses lcd-display
#define getbyte_clock putbyte_clock

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 179
#define getbyte_baud putbyte_baud
#include "../include/getbyte_uart.c" // uses uart
//#include "../include/getbyte_buff.c" // uses uart with interrupt
main ()
{
putbyte_init();
getbyte_init();
for (;;)
if (getbyte_ready()) // verhindert, dass getbyte() blockiert
putbyte(getbyte());
}
Wird dies Programm im Mikrocontroller aktiviert und mit der
Terminalemulation auf dem PC verbunden, so werden Tastatureingaben
am PC über den Mikrocontroller auf den Bildschirm
der Emulation gebracht.
Die Abfrage von getbyte ready() ist eigentlich nicht notwendig.
In aufwändigeren Programmen wird so verhindert, dass
die Funktion getbyte() blockiert.
Wie beim Hallo-Beispiel gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Funtion des UART zu realisieren:
RS232 Eingabe mit UART
//
// Name: software/include/getbyte_uart.c
// Function: AVR serial getbyte over UART
// History: 20031223 Hanns-Konrad Unger creation
// Usage: #define getbyte_clock 6553600 /* frequence of system-clock */
// #define getbyte_baud 38400 /* baud-rate */
//
// #include "getbyte_uart.c"
// getbyte_init();
// if (getbyte_ready()) c=getbyte ();
//
#ifndef getbyte_uart_c
#define getbyte_uart_c
#ifdef __AVR_ATmega8__

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 180
#define getbyte_T 16
#else // ATmega48 ...
#define getbyte_T 16
#endif
#define getbyte_init()\
UBRR0H = (getbyte_clock/getbyte_baud/getbyte_T-1)>>8;\
UBRR0L = (getbyte_clock/getbyte_baud/getbyte_T-1);\
sbi (UCSR0B,RXEN0);
#define getbyte_ready() bit_is_set(UCSR0A,RXC0)
unsigned char getbyte () {
loop_until_bit_is_set (UCSR0A,RXC0);
return UDR0;
}
#endif
Auf die Initilisierung von UBRR kann eventuell verzichtet
werden, da sie ja auch von putbyte init() erledigt wird. Dann
bleiben nur sechs Worte Programmcode übrig.
RS232 Eingabe mit UART und Interrupt
//
// Name: software/include/getbyte_buff.c
// Function: AVR serial getbyte over UART using interrupt
// History: 20031223 Hanns-Konrad Unger creation
// Usage: #define getbyte_clock 6553600 /* frequence of system-clock */
// #define getbyte_baud 38400 /* baud-rate */
//
// #include "getbyte_buff.c"
// getbyte_init();
// if (getbyte_ready()) c=getbyte();
//
#ifndef getbyte_buff_c
#define getbyte_buff_c
#include
#include
#define getbyte_init()\
UBRRH = (getbyte_clock/getbyte_baud/16-1)>>8;\
UBRRL = (getbyte_clock/getbyte_baud/16-1);\
sbi (UCSRB,RXEN);\
sbi (UCSRB,RXCIE);\
sei();
#define getbyte_bufinc(x) (((x)==getbyte_buflen-1)?((x)=0):((x)+=1))

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 181
#define getbyte_buflen 2
static unsigned char getbyte_buffer[getbyte_buflen];
static volatile unsigned char getbyte_bufget = 0;
static volatile unsigned char getbyte_bufput = 0;
volatile unsigned char getbyte_buffil = 0;
#define getbyte_ready() getbyte_buffil
SIGNAL (SIG_UART_RECV)
{
getbyte_buffer[getbyte_bufget]=UDR;
getbyte_bufinc(getbyte_bufget);
if ((++getbyte_buffil)>getbyte_buflen)
getbyte_buffil=getbyte_buflen; // buffer-overrun
}
unsigned char getbyte ()
{
unsigned char c;
while (!getbyte_buffil) asm ("sleep");
cbi (UCSRB,RXCIE); //disabel interrupt SIG_UART_RECV
c=getbyte_buffer[getbyte_bufput];
getbyte_bufinc(getbyte_bufput);
getbyte_buffil--;
sbi (UCSRB,RXCIE);
return c;
}
#endif
Auch diese Version ist aufwändiger als die ohne Interrupt.
Ob sie überhaupt Vorteile bringt, hängt von einer Analyse
der gesamten Anwendung ab. Werden ohne Interrupt Zeichen
verloren, kann diese Version mit ausreichend großem Puffer
Abhilfe schaffen. Letztendlich sollte aber auch die Implementierung
eines Hardware-Handshake mit CTS und RTS in Betracht
gezogen werden.
RS232 Eingabe ohne UART
Diese Möglichkeit macht dann Sinn, wenn keine UART-
Hardware vorhanden ist. Die Funktion getbyte ready() ist
nicht verfügbar. Nach Entdecken der Flanke des Startbits wird

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 182
der halbe Sendezeitraum eines Bits abgewartet. Dann wird die
empfangende Leitung Bit für Bit gelesen und in ein Ergebnisbyte
geschoben. Das Prinzip entspricht dem Sendeprogramm.
Bei der Zeitschleife muss wieder auf die Art der Optimierung
geachtet werden!
Vertiefung: Implementierung des Programms.
Fehler und Fehlersuche
Die Erfahrung zeigt, dass neu geschriebene Programme fehlerhaft
sind. Sehr grob gesagt, besteht ein Programm zu je einem
Viertel aus Planung, Programmierung, Fehlersuche und
Wartung. Die effektivste Methode gegen Fehler heißt ,,early
testing.” Man strebt möglichst kleine Zwischenschritte an,
nach deren Erreichen der neue Programmcode getestet wird.
Da der Fehler mit hoher Wahrscheinlichkeit in dem neuen
Programmstück ist, dieses aber klein gehalten wurde, kann er
auch leicht gefunden werden.
Für die Fehlersuche gibt es Werkzeuge verschiedener Art und
Komplexität:
Eine beliebte, da einfache Methode, ist das Verändern des Programms
durch zusätzliche Ausgaben. Leuchtdioden, RS2332
und Display sind geeignet, zusätzliche Meldungen oder Inhalte
von Variablen anzuzeigen, um Soll- und Ist-Werte zu
vergleichen.
Zum Beispiel zeigt das Ein- und Ausschalten einer Leuchtdiode
vor und nach jedem sleep-Befehl, wie beschäftigt der

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 183
Mikrocontroller ist. Bewegt man die Platine hin und her,
kann man an Hand der Länge der Striche sogar prozentuale
Schätzungen machen.
Eine etwas aufwändigere Methode ist ein Software-Debugger.
Dies ist ein Programm, welches zusätzlich in den Speicher
geladen wird und eine Dialogschnittstelle bietet, die Befehle
zum Schreiben und Lesen der Speicher und zur Steuerung des
Programmablaufs enthält. Der Vorteil gegenüber der einfachen
Methode ist, dass mit einer Programmänderung mehrere
Messungen durchgeführt werden können.
Zuletzt sei noch das aufwändigste Verfahren, der Hardware-
Debugger, erwähnt. Dieses Werkzeug bietet auch ohne Programmänderungen
die Möglichkeit, Messungen vorzunehmen,
idealer Weise sogar unter Echtzeitbedingungen. Früher waren
dafür teure Laborinstrumente notwendig. Die neueren
Prozessoren von Atmel enthalten auf dem Chip Möglichkeiten,
auch mit preiswerten Einrichtungen Messungen durchzuführen
(JTEG-Interface, one wire debugging interface).
Hierzu wird ein ICE (in circuit emulator) angeboten.
Software Debugger
Die typische Fehlersuche in einem Programm durchläuft folgende
Schleife:
• Verdächtige Stelle des Programms suchen.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 184
• Sollwert der Variablen an der Stelle des Programms berechnen.
• Programm an der Stelle anhalten.
• Istwert der Variablen bestimmen.
• Differenz von Soll- und Istwert interpretieren.
Der Vergleich von Soll- und Istwert bestätigt oder widerlegt
die Überlegungen, was die Fehlersuche in die Richtung
des Fehlers bewegt. Eine schwierige Situation kann entstehen,
wenn ein Fehlersymptom tatsächlich zwei Ursachen hat. An
diesen Fall sollte man sich erinnern, wenn die Fehlersuche irgendwie
absonderlich wird.
Unser bekanntes Programm dient wieder als Beispiel. Die Pfeile
deuten auf die notwendigen Ergänzungen hin.
/*
** Name: software/debug/main.c
** Funktion: test-main for software-debugger
** History: 20040124 Hanns-Konrad Unger creation
*/
#include "putbyte_uart.c"
#include "../include/debug.c"
char * help_debug_ptr;
static void putstring (unsigned char * ptr) {
help_debug_ptr=ptr;
debug();
while (*ptr) putbyte (*ptr++);}
main() {
debug_init();
for (;;) {
putstring ("* Hello World! *\r\n");
putstring ("================\r\n");
}
}

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 185
Vor der Ausgabe des Strings kann der Zustand des Speichers
mit der Funktion debug(); begutachtet werden. Die
Zeile #include ’’debug.c’’ stellt den notwendigen Programmcode
zur Verfügung. Etwas mehr als 0.5 KB werden
gebraucht. Für die Initialisierung der seriellen Schnittstelle
sorgt sich das Makro debug init();. Prinzipell wären diese
drei zusätzlichen Zeilen ausreichend. Da die lokale Variable ptr
auf dem Stack steht, debug() jedoch selbst den Stack erweitert,
ist ein Suchen von ptr kompliziert. Die statische Variable
help debug ptr vereinfacht das Verfahren.
Bedienung der Funktion debug()
Befehl Syntax Semantik
read memory rm addr [leng] display leng bytes
write memory wm addr byte *addr = byte
read eeprom re addr [leng] display leng bytes
write eeprom we addr byte *addr = byte
read program rp addr [leng] display leng bytes
continue c return from debug()
Mit dem Befehl make disasm wird der Programmcode untersucht:
00000202 :
202: cf 93 push r28
204: df 93 push r29
206: ec 01 movw r28, r24
208: 90 93 88 00 sts 0x0088, r25
20c: 80 93 87 00 sts 0x0087, r24
210: 8b df rcall .-234 ; 0x128
212: 88 81 ld r24, Y
214: 88 23 and r24, r24
216: 29 f0 breq .+10 ; 0x222
218: 89 91 ld r24, Y+

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 186
21a: 20 df rcall .-448 ; 0x5c
21c: 88 81 ld r24, Y
21e: 88 23 and r24, r24
220: d9 f7 brne .-10 ; 0x218
222: df 91 pop r29
224: cf 91 pop r28
226: 08 95 ret
Als Beispiel dient folgende debugging-Sitzung:
c
* Hello World! *
c
================
rm 87 2=60 00
rm 060 10=2A 20 48 65 6C 6C 6F 20 57 6F 72 6C 64 21 20 2A
rm 070 10=0D 0A 00 3D 3D 3D 3D 3D 3D 3D 3D 3D 3D 3D 3D 3D
rm 080 10=3D 3D 3D 0D 0A 00 0D 60 00 8E 2D 0A EF 0F 82 80
rm 5d 2=54 04
rm 450 10=6C 8D 51 00 C8 00 60 00 08 81 01 09 04 5F 01 22
Die Variable help debug ptr (0x87) zeigt erwartungsgemäß
auf den auszugebenden String. Leider sind die auf dem Stack
gespeicherten Rücksprungadressen schwer erkennbar, da sie
um ein Bit nach rechts verschoben sind (0122 ist 0244 kommt
von main, 0109 ist 0212 kommt von putstring). Der letzte auf
dem Stack gespeicherte Wert ist die Variable ptr.
Eine weitere Variante bei der Fehlersuche ist das Ausschalten
der Optimierung des Compilers. Dadurch wird der erzeugte
Code verständlicher.
Mit dem Befehl spm könnte man den Programmspeicher
ändern, um weitere Aufrufe der Funktion debug() an variablen
Stellen zu hinterlegen. Der Befehl funktioniert aber nur
im oberen Bereich des Programmspeichers, der sogenannten
boot-section, was weitergehende Maßnahmen erfordert.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 187
Vertiefung: Die Register des Ein-/Ausgabewerks werden
zusätzlich in den Datenspeicher zwischen die Adressen 0x20
.. 0x5F gespiegelt. Mit dem wm-Befehl des Debuggers kann
man die Leuchtdioden schalten usw...
Uhr
Das nächste Projekt soll eine Uhr sein. Die Quelle des Programms
kann folgendermaßen aussehen:
/*
** Name: software/clock/clock.c
** Funktion: simple clock
** History: 20040112 Hanns-Konrad Unger creation
** 20061010 Hanns-Konrad Unger 32.768KHz
*/
#include
#include
#if Clock > 13107200
#error Clock zu groß
#endif
#if Clock == 32768
#define Timerclk 8
#define PRECISION 64
#define CLOCKSRC0 3
#define CLOCKPERI 64
#else
#define Timerclk 50
#define PRECISION 100
#define CLOCKSRC0 5
#define CLOCKPERI 1024
#endif
#define putbyte_clock Clock
#define putbyte_baud 19200
#define putbyte_DDR DDRD
#define putbyte_PORT PORTD
#define putbyte_PIN PIND
#define putbyte_PB PD1
//#include "putbyte_port.c" // uses I/O-port
//#include "putbyte_uart.c" // uses uart
//#include "putbyte_buff.c" // uses uart with interrupt

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 188
#define putbyte_drsDDR DDRB
#define putbyte_drsPORT PORTB
#define putbyte_drsPB PB0
#define putbyte_drwDDR DDRD
#define putbyte_drwPORT PORTD
#define putbyte_drwPB PD7
#define putbyte_deDDR DDRD
#define putbyte_dePORT PORTD
#define putbyte_dePB PD6
#define putbyte_dd4DDR DDRD
#define putbyte_dd4PORT PORTD
#define putbyte_dd4PB PD5
#define putbyte_dd5DDR DDRD
#define putbyte_dd5PORT PORTD
#define putbyte_dd5PB PD4
#define putbyte_dd6DDR DDRD
#define putbyte_dd6PORT PORTD
#define putbyte_dd6PB PD3
#define putbyte_dd7DDR DDRD
#define putbyte_dd7PORT PORTD
#define putbyte_dd7PB PD2
#include "putbyte_disp.c" // uses lcd-display
void putstring (unsigned char * ptr)
{
while (*ptr) putbyte (*ptr++);
}
#define CLOCKCNT0 -(Clock/CLOCKPERI/Timerclk-256)
/* 1024

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 189
#define tas2_PB PC4
#define tas3_DDR DDRC
#define tas3_PORT PORTC
#define tas3_PIN PINC
#define tas3_PB PC3
#define tas4_DDR DDRC
#define tas4_PORT PORTC
#define tas4_PIN PINC
#define tas4_PB PC2
#define taster_init() cbi (tas2_DDR,tas2_PB);\
sbi (tas2_PORT,tas2_PB);\
cbi (tas3_DDR,tas3_PB);\
sbi (tas3_PORT,tas3_PB);\
cbi (tas4_DDR,tas4_PB);\
sbi (tas4_PORT,tas4_PB);
void taster ()
{
if ( bit_is_clear(tas4_PIN, tas4_PB) ) uhr.second = uhr.nanosec = 0;;
if ( bit_is_clear(tas3_PIN, tas3_PB) && ! uhr.nanosec ) uhr.minute++;
if ( bit_is_clear(tas2_PIN, tas2_PB) && ! uhr.nanosec ) uhr.hour++;
}
#define Displen 16
char Disp0[Displen+3] = { "\f** Clock **\n" };
char Disp [Displen+2] = { "\r HH:MM:SS " };
// 01234567890123456 78
void displa (unsigned char i1, unsigned char i2)
{Disp[i1++]=i2/10+’0’; Disp[i1]=i2%10+’0’;}
void display()
{
static unsigned char lastval;
if (uhr.nanosec < lastval ) // saves 1 mA
{
displa (5,uhr.hour);
displa (8,uhr.minute);
displa (11,uhr.second);
putstring (Disp);
}
lastval = uhr.nanosec;
}
ISR ( SIG_OVERFLOW0 ) // timer0
{
sei();
TCNT0=CLOCKCNT0;
quarzuhr ();
taster ();
display ();
}

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 190
main ()
{
TCCR0B=CLOCKSRC0;
TCNT0=CLOCKCNT0;
sbi (TIMSK0,TOIE0);
taster_init();
putbyte_init();
putstring (Disp0);
sei();
sbi (MCUCR,SE); // enable sleep, sleepmode is default idle
for (;;) {asm ("sleep");} //* 1mA sleep, will be kissed by interrupt */
}
Der timer0 des Ein-/Ausgabewerks wird auf 50 Hz eingestellt,
kann aber auch anders eingestellt werden. Der Timer läuft
synchron zum CPU-Takt. Im Programmteil, der den Interrupt
des timer0 behandelt, werden die Funktionen quarzuhr() und
display() aufgerufen. Die Funktion quarzuhr() führt die uhrentypische
Modulo-Berechnung der Uhrzeit durch. Die Funktion
display() zeigt die Uhrzeit an. Da die Uhrzeit noch nicht
verstellt werden kann, ist unsere Uhr vorerst nur als Stoppuhr
zu gebrauchen, es sei denn, sie wird zur Geisterstunde
eingeschaltet.
Wird das Netzteil mit Wechselspannung versorgt, so kann
man an dem einzelnen Pfostenstecker im Netzteil ein Rechtecksignal
abgreifen. Dieses Signal ist zur Netzfrequenz synchron.
Man verbinde es mit der offenen Datenleitung 7 des
Displays. Das Display wurde ja noch nicht eingebaut. Das
Netzsignal ist so an den Eingang int0 des Mikrocontrollers
angeschlossen. Die Quarzuhr kann als Netzsynchronuhr betrieben
werden.
Vertiefung: Programm zur Netzsynchronuhr umbauen.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 191
13.4.7 Taster
Um die Uhrzeit verstellen zu können, bauen wir jetzt Taster
ein:
( ) R3 :Widerstand 470 Ohm :liegend einlöten (z5) (z8)
( ) R4 :Widerstand 470 Ohm :liegend einlöten (x5) (x8)
( ) R5 :Widerstand 470 Ohm :liegend einlöten (s5) (s8)
( ) R6 :Widerstand 470 Ohm :liegend einlöten (n5) (n8)
( ) Tas1:Drucktaster :einlöten (C4) (z4)
( ) Tas2:Drucktaster :einlöten (x4) (u4)
( ) Tas3:Drucktaster :einlöten (s4) (p4)
( ) Tas4:Drucktaster :einlöten (n4) (k4)
Zwischen den Aufrufen von quarzuhr() und display() wird
der Aufruf der Funktion taster() eingefügt. Die Ports, an denen
die Taster angeschlossen sind, werden im Hauptprogramm
main() durch das Makro taster init() auf Eingabe und aktivierten
Pullup-Widerstand eingestellt.
#define tas2_DDR DDRC
#define tas2_PORT PORTC
#define tas2_PIN PINC
#define tas2_PB PC4
#define tas3_DDR DDRC
#define tas3_PORT PORTC
#define tas3_PIN PINC
#define tas3_PB PC3
#define tas4_DDR DDRC
#define tas4_PORT PORTC
#define tas4_PIN PINC
#define tas4_PB PC2
#define taster_init() cbi (tas2_DDR,tas2_PB);\
sbi (tas2_PORT,tas2_PB);\
cbi (tas3_DDR,tas3_PB);\
sbi (tas3_PORT,tas3_PB);\
cbi (tas4_DDR,tas4_PB);\
sbi (tas4_PORT,tas4_PB);
void taster ()
{
if ( bit_is_clear(tas4_PIN, tas4_PB) ) uhr.second = uhr.nanosec = 0;;
if ( bit_is_clear(tas3_PIN, tas3_PB) && ! uhr.nanosec ) uhr.minute++;
if ( bit_is_clear(tas2_PIN, tas2_PB) && ! uhr.nanosec ) uhr.hour++;
}

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 192
Der Taster4 setzt die Sekunde auf 0. Solange Taster3 gedrückt
wird, werden die Minuten im Sekundentakt hochgezählt. Analog
verstellt Taster2 die Stunden.
13.4.8 Buzzer
Damit sich unser Mikrocontroller auch Gehör verschaffen
kann, bekommt er einen Buzzer. Dies ist ein moderner billiger
Ersatz für Lautsprecher. Zwischen zwei Metallfolien liegt ein
Piezokristall. Unter Spannung verformt sich der Kristall. Wegen
der relativ großen Fläche kann man die Verformung hören.
Die Beine des Bauteils können bei manchen Ausführungen
leicht abbrechen.
( ) R10 :Widerstand 2k7 Ohm :liegend einlöten (p11) (p8)
( ) LED4:Leuchtdioden rot 3mm 2mA :Anode in q12 einlöten (p12) (p13)
( ) R2 :Widerstand 1K Ohm :liegend einlöten (t14) (t11)
( ) C9 :Tantal-Kondensator 1 uF :+ in s10 einlöten (s10) (s11)
( ) Tr2 :BC 547 B :flache Seite n. innen einlöten (r12) (s12)
( ) Beep:Piezobeeper 12 mm :+ in l11 einlöten (l11) (n11)
Um die akustischen Qualitäten dieser vorletzten Baustufe kennen
zu lernen, brauchen wir ein Testprogramm. Ein Frequenzgenerator
auf Basis des timer0 im Mikrocontroller kann mit
den Tasten umprogrammiert werden. Die erzeugte Frequenz
wird auf dem Buzzer ausgegeben.
/*
** Name: software/generator/generator.c
** Funktion: frequency generator
** History: 20040113 Hanns-Konrad Unger creation
*/
#include

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 193
#include
// parameter for Timer0
unsigned short prescaler[6]={ 0,1,8,64,256,1024 };
unsigned char psindex = 5;
unsigned char tim0cnt = 144; // => 25 Hz
#include "mainboard.h"
#include "putbyte_disp.c"
void displa (unsigned long i2)
{
if (i2>=10) displa (i2/10);
putbyte (i2%10+’0’);
}
void display()
{
putbyte (’\f’);
displa (Clock);
putbyte (’H’); putbyte (’z’);
putbyte (’/’); putbyte (’2’); putbyte (’/’);
putbyte (’\r’); putbyte (’\n’);
displa (prescaler[psindex]);
putbyte (’/’);
displa (tim0cnt);
putbyte (’=’);
displa (Clock/2/prescaler[psindex]/tim0cnt);
putbyte (’H’); putbyte (’z’);
}
unsigned char taster (unsigned char n)
{
static unsigned char state [4];
switch (n) {
case 1: if(!state[0] && bit_is_clear(tas1_PIN,tas1_PB)) return state[0]=1;
else if (bit_is_set(tas1_PIN,tas1_PB)) state[0]=0; return 0;
case 2: if(!state[1] && bit_is_clear(tas2_PIN,tas2_PB)) return state[1]=1;
else if (bit_is_set(tas2_PIN,tas2_PB)) state[1]=0; return 0;
case 3: if(!state[2] && bit_is_clear(tas3_PIN,tas3_PB)) return state[2]=1;
else if (bit_is_set(tas3_PIN,tas3_PB)) state[2]=0; return 0;
case 4: if(!state[3] && bit_is_clear(tas4_PIN,tas4_PB)) return state[3]=1;
else if (bit_is_set(tas4_PIN,tas4_PB)) state[3]=0; return 0;
}
}
ISR ( SIG_OVERFLOW0 ) // timer0
{
static unsigned char buzzer;
sei();
TCNT0 = ~tim0cnt;
if (buzzer) {sbi(buzzer_PORT,buzzer_PB);buzzer=0;}
else {cbi(buzzer_PORT,buzzer_PB);buzzer=1;}
}
main ()
{
TCCR0B = psindex;
TCNT0 = ~tim0cnt;
sbi (TIMSK0,TOIE0);

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 194
buzzer_init();
putbyte_init();
tas1_init(); tas2_init(); tas3_init(); tas4_init();
display();
sei();
sbi (MCUCR,SE); // enable sleep, sleepmode is default idle
for (;;) {
asm ("sleep");
if (taster(1)) {psindex=psindex>=5?1:psindex+1;
TCCR0B = psindex; display();}
if (taster(2)) {tim0cnt=tim0cnt>156?tim0cnt%100:tim0cnt+100;
display();}
if (taster(3)) {tim0cnt=tim0cnt%100>=90?tim0cnt-90:tim0cnt+10;
display();}
if (taster(4)) {tim0cnt=tim0cnt%10>=9?tim0cnt-9:tim0cnt+1;
display();}
}
}
Das Programm gibt auf der Ausgabe die aktuelle Einstellung
des timer0 aus:
7372800Hz/2/
1024/144=25Hz
Der erste Wert ist die Frequenz des Systemtakts. Die Division
durch 2 ist notwendig, da das Programm bei jedem Ablauf des
Timers den Ausgabeport umschaltet. Für eine ganze Schwingung
sind also zwei Timer-Interrupts notwendig. Die Division
durch 1024 vertritt die Einstellung des Vorteilers, im Datenblatt
wird dieser Prescaler genannt. Der letzte Teiler ist der
Wert des Counters. Prescaler und Counter können mit den
Tasten verändert werden. So können alle Einstellungen des
timer0 gehört, gesehen und berechnet werden.
Wird die Einstellung so gewählt, dass das Produkt von Prescaler
und Counter kleiner als 22 wird, stürzt das Programm
ab. Warum?

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 195
Vertiefung: Das Programm wird auf den genaueren timer1 des
Mikrocontrollers umgestellt. Der timer1 wird im Datenblatt
ausführlich erklärt.
Beobachtung der eigenen Sinne: Das Gehör eignet sich für
Zeitmessungen weit besser als das Auge.
13.4.9 Display
Die letzte Baustufe des Systems wird am besten steckbar ausgeführt.
So kann statt des Displays andere Hardware ohne
Umstände angeschlossen werden.
( ) R1 :Widerstand 33 Ohm :liegend einlöten (u14) (u18)
( ) C3 :Kondensator 100 nF :einlöten (i18) (h18)
( ) Pot :Potentiometer 10 KOhm lin :stehend einlöten
( ) So5 :Präzisionskontakt-Buchsenl.:einlöten
( ) Ada1:Adapternleiste :mit Display verlöten
( ) Mon2:2 Distanzrollen 10mm :montieren
( ) Mon3:2 Schrauben M3x16 :montieren
( ) Mon4:4 Muttern M3 :montieren
Das Display wird mit Buchsenleiste, Adapterleiste Distanzrollen
(oder Muttern) und Schrauben auf der Hauptplatine
montiert. Mit dem Potentiometer wird der Kontrast eingestellt.
Bei falscher Einstellung des Potentiometers kann man
auf dem Display nichts erkennen. Meist wird der Kontrasteingang
auf 5 V eingestellt, so dass auf das Potentiometer verzichtet
werden kann.
Für den ersten schnellen Test eignet sich das Hello-Programm
aus dem Abschnitt 13.4.6. Das Unterprogramm putbyte() soll
hier nicht sehr vertieft werden. Es wurde entsprechend dem

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 196
Datenblatt HD44780U des Herstellers Hitachi 3 programmiert.
Die im Datenbatt beschriebene Initialisierung muss wie ein
Kochrezept durchgeführt werden:
Power on
Wait > 15ms
Write 0011 function_set.high: 8 bits interface
Wait > 41ms
Write 0011 function_set.high: 8 bits interface
Wait > 100ms
Write 0011 function_set.high: 8 bits interface
Write 0010 function_set.high: 4 bits interface
Write 0010 function_set.high: 4 bits interface
Write 1000 function_set.low : 2 line display, 5*7 dots
Write 0000 display_onoff.high:
Write 1000 display_onoff.low : display off, cursor off, blinking off
Write 0000 display_clear.high:
Write 0001 display_clear.low :
Write 0000 entry_mode_set.high:
Write 0110 entry_mode_set.low : increase cursor, display not shifted
Im Anzeigeprogramm werden drei Steuerzeichen so interpretiert,
dass sie zur Terminalemulation minicom kompatibel
sind:
\r carriage return Der Cursor wird an den Anfang der Zeile
gesetzt.
\n new line Der Cursor wird in die zweite Zeile gesetzt.
\f form feed Die Anzeige wird gelöscht, der Cursor wird an
den Anfang der ersten Zeile gesetzt.
Das Display wird über eine vier Bit parallele Schnittstelle angeschlossen.
Mit Steuersignalen werden sieben Leitungen gebraucht.
Entsprechend umfangreich sind die Definitionen der
Ports:
3 Viele kleine LCD-Anzeigen sind hierzu kompatibel.

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 197
#define putbyte_drsDDR DDRB
#define putbyte_drsPORT PORTB
#define putbyte_drsPB PB0
#define putbyte_drwDDR DDRD
#define putbyte_drwPORT PORTD
#define putbyte_drwPB PD7
#define putbyte_deDDR DDRD
#define putbyte_dePORT PORTD
#define putbyte_dePB PD6
#define putbyte_dd4DDR DDRD
#define putbyte_dd4PORT PORTD
#define putbyte_dd4PB PD5
#define putbyte_dd5DDR DDRD
#define putbyte_dd5PORT PORTD
#define putbyte_dd5PB PD4
#define putbyte_dd6DDR DDRD
#define putbyte_dd6PORT PORTD
#define putbyte_dd6PB PD3
#define putbyte_dd7DDR DDRD
#define putbyte_dd7PORT PORTD
#define putbyte_dd7PB PD2
#include "putbyte_disp.c"
Um die Programme übersichtlich zu machen, wurden alle
Definitionen, die das Mainboard betreffen, in der Datei
include/mainboard.h gesammelt. Dieses Vorgehen entspricht
auch dem Schichtenmodell. Änderungen an dem Board
erfordern ausschließlich Änderungen in dieser Datei. Im Makefile
wird dem Compiler das Verzeichnis mit der Option -I
bekannt gemacht. Somit ist folgende Zeile für die Deklaration
der Hardware ausreichend:
#include "mainboard.h"
Das Entwicklungsystem ist fertig. Im Laufe des Aufbaus wurden
drei Programmierprojekte angefangen, um die Funktionsfähigkeit
zu demonstrieren.
Vertiefung: Ein Testprogramm für das Mainboard verwendet
Leuchtdioden, Buzzer, Taster, RS232 und Display. Eine

KAPITEL 13. AUFBAU DES SYSTEMS 198
Drahtbrücke zwischen TXD und RXD ermöglicht den einfachen
Test der seriellen Schnittstelle, ohne dass Quarz und Gegenstation
erforderlich sind.

Kapitel 14
Erste Experimente
Mit dem Display ist das Mikrocontroller Board zu einem
nützlichen Werkzeug gewachsen. Es lohnt sich, die folgenden
Geräte fertigzustellen, um sie bei Bedarf einzusetzen.
14.1 RS232-Schnittstellen-Tester
Für Arbeiten mit RS232-Schnittstellen gibt es billige Mini-
Tester mit Leuchtdioden, ferner Wiring-Boxen zum Erstellen
von Leitungskombinationen. Geräte, die die nächste Schicht
mit Framelänge und Übertragungsgeschwindigkeit messen,
sind teuer. Mittlerweile werden derartige Geräte durch PC-
Programme verdrängt.
199

KAPITEL 14. ERSTE EXPERIMENTE 200
Unser Mikrocontroller soll eingehende Daten auf dem Display
anzeigen und als Echo wieder senden.
Das Display wird folgendermaßen eingesetzt:
* RS232-Tester *
Testdaten...Test
Die Testdaten in der zweiten Zeile werden von rechts nach
links durchgeschoben.
Das Umschalten geschieht bei fallender Flanke der Taster. Solange
ein Taster gedrückt ist, wird in der oberen Zeile des
Displays die Einstellung des UART angezeigt:
Funktion des Taster1
115200B,8B,nP,2S
Testdaten...Test
Der Taster1 schaltet zwischen ASCII- und Hexadezimalmode
um. Die Hexadezimalzeichen werden durch Leerzeichen getrennt:
Funktion des Taster2
* RS232-Tester *
e 2e 54 65 73 74

KAPITEL 14. ERSTE EXPERIMENTE 201
Der Taster2 ändert die Geschwindigkeit der Übertragung. Es
wird zyklisch zwischen den Geschwindigkeiten 150 300 600
1200 2400 4800 9600 19200 38400 57600 und 115200 Baud
umgeschaltet.
Funktion des Taster3
Der Taster3 schaltet zwischen 5..8 Bit Wortlänge um.
Funktion des Taster4
Der Taster4 schaltet zwischen even odd und no Parity und ein
und zwei Stopbits um.
Funktion der Leuchtdioden
Led1 zeigt Datenüberlauf an.
Led2 zeigt Rahmenfehler an.
Led3 zeigt Paritätsfehler an.
14.2 Frequenzgenerator
Das für den timer1 geänderte Programm wird modifiziert. Die
auszugebende Frequenz wird angezeigt.
* Hz-Generator *
81920 Hertz
Die Frequenz wird mit den Tastern folgendermaßen verstellt:

KAPITEL 14. ERSTE EXPERIMENTE 202
Funktion des Taster1
Der Eingabecursor, als blinkende Stelle in der unteren Zeile
des Displays dargestellt, wird nach links verschoben.
Funktion des Taster2
Der Eingabecursor wird nach rechts verschoben.
Funktion des Taster3
Die blinkende Stelle der Frequenzanzeige wird inkrementiert.
Freqenzen die zum Absturz führen würden, werden nicht akzeptiert.
Funktion des Taster4
Die blinkende Stelle der Frequenzanzeige wird dekrementiert.
Frequenzen unter 1 Hz werden nicht eingestellt.
Der Frequenzgenerator erweitert nicht nur das Elektroniklabor,
sondern eignet sich auch für einfache Hörtests.
14.3 Voltmeter
Neben Bit-I/O, seriellem I/O, Timern und Countern verfügt
unser Mikrocontroller über aufwändige analoge Eingangsschaltungen.
Um Spannungen zwischen Masse und Vcc zu
messen, ist keine weitere Hardware notwendig.
Für dieses Experiment wurden Leuchtdioden in drei Farben
eingebaut. An roten LEDs fällt die Spannung ca. 1,6 Volt ab,

KAPITEL 14. ERSTE EXPERIMENTE 203
an gelben ca. 1,7 Volt und an grünen ca. 1,8 Volt. Mit einem
Draht und Prüfspitzen läßt sich leicht zwischen Leuchtdiode
und dem Pin an ADC3 eine Messverbindung herstellen.
Das folgende Programm nutzt die interne Referenzspannung,
die laut Datenblatt beim ATmega8 zwischen 2,45 und
2,80 Volt liegen kann. Für genaue Messungen muss kalibriert
werden.
/*
** Name: software/dvm/dvm.c
** Funktion: Digital Voltage Meter, interrupt and polling version
** History: 20041002 Hanns-Konrad Unger creation
*/
#include
#include
#include "putbyte_disp.c"
#include "../include/adc.c"
#ifdef __AVR_ATmega8__
#define AREF 25575 // calibrate here, nice are 24552 25575 26598 27621
#else // ATmega48 ...
#define AREF 11000
#endif
static void putstring (unsigned char *p) {while (*p) putbyte (*p++);}
unsigned char display_arr[18] = "\r 2.5600 Volt DC";
// 0123456789012345678
void display() {
volatile unsigned short val; //!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
val=adc_result[3]*(AREF/0x3ff);
unsigned char i;
for (i=8;i>=5;) {display_arr[i--]=val%10+’0’; val/=10;}
display_arr[3]=val+’0’;
putstring (display_arr);
}
ISR (TIMER2_COMPB_vect) { // timer2
sei();
display();
#if adc_FLAG == ADIF
adc();
#endif
}
main() {
led_init();
led1_on(); led2_on(); led3_on(); // Voltages to measure

KAPITEL 14. ERSTE EXPERIMENTE 204
}
putbyte_init();
putstring ("\f* Volt-Meter *\n");
adc_init();
// Timer/Counter2 for 50Hz
OCR2B=Clock/1024/50-1; // count
TCCR2B=7; // prescaler
TCCR2B|=(1

KAPITEL 14. ERSTE EXPERIMENTE 205
Der Inhalt des Feldes function bestimmt die Bedeutung des
zugehörigen Datensatzes.
0x00 Fre Der Datensatz ist frei, darf verändert werden.
0x01 Bu+ Den Buzzer mit 2,4 kHz summen lassen.
0x02 Bu- Den Buzzer nicht summen lassen.
0x03 Li+ Die Beleuchtung der LCD-Anzeige einschalten.
0x04 Li- Die Beleuchtung der LCD-Anzeige ausschalten.
0x05 L1+ Die Leuchtdiode LED1 einschalten.
0x06 L1- Die Leuchtdiode LED1 ausschalten.
0x07 L2+ Die Leuchtdiode LED2 einschalten.
0x08 L2- Die Leuchtdiode LED2 ausschalten.
0x09 L3+ Die Leuchtdiode LED3 einschalten.
0x0a L3- Die Leuchtdiode LED3 ausschalten.
0x0b Ch+ Das Stundensignal einschalten.
0x0c Ch- Das Stundensignal ausschalten.
0x0d Tx+ Den Anzeigentext wechseln.
0x0e Tx- Den Anzeigentext wiederherstellen.
0x0f Txt Die Daten des Anzeigetextes.
0xff Der Datensatz darf nicht verändert werden.
Da Datensätze der function 0xff nicht verändert werden
dürfen, wird erst durch Initialisieren des EEPROMS festgelegt,
wieviel der maximal 102 Speicherplätze editierbar sind.
Für den Bediener der Uhr befinden sich vor den Datensätzen
des EEPROMS zwei Datensätze mit den Werten von MEZ
und MES. Obwohl diese Sätze nur im RAM gehalten werden,
werden sie beim Editieren mit den Tasten mit angezeigt.
Mit den Tasten können die Sätze auf folgende Art verändert
werden:

KAPITEL 14. ERSTE EXPERIMENTE 206
Funktion des Taster1
Die untere Zeile der Anzeige schaltet auf den nächsten
veränderbaren Datensatz um. Der erste Datensatz enthält
MEZ. Der zweite Datensatz enthält MES. Dann folgen die
veränderbaren Datensätze des EEPROM. Hinter dem letzten
veränderbare Datensatz des EEPROM steht wieder MEZ.
Funktion des Taster2
Der Cursor der Anzeige wird um eine Position nach rechts verschoben.
Der Cursor ist ein blinkendes Feld der unteren Zeile
der Anzeige. Der Wochentag und die Anzeige der Funktion
blinken komplett. Die Leerstellen und Doppelpunkte werden
übersprungen. Zwischen erstem und letztem Feld befindet sich
eine nicht blinkende Ruhezohne.
Funktion des Taster3
Der zum Cursor gehörige Wert wird um eins erhöht. Die
Wochentage werden folgendermaßen durchgezählt: Mon, Die,
Mit, Don, Fre, Sam, Son, any.
Die Funktion des Speicherplatzes wird ab der aktuellen
gültigen Funktion folgendermaßen zyklisch durchgezählt: Fre,
Bu+, Bu-, Li+, Li-, L1+, L1-, L2+, L2-, L3+, L3-. Die Funktionen
MEZ und MES können nicht verändert werden.
Funktion des Taster4
Analog zu Taster3 nur in anderer Richtung.

Kapitel 15
Weiterführende
Experimente
Nun ist das Experimentiersystem in die Welt gesetzt. Bis auf
die letzten Experimente war alles ziemlich Selbstzweck. War
es wirklich? Das Buch neigt sich dem Ende zu. Für die Beschreibung
weiterer Experimente hat der Autor im Moment
keine Zeit, nur noch Ideen. Hat jemand etwas Zeit und sucht
Vorschläge, um weitere Ideen zu entwickeln? Eine Liste weiterführender
Experimente soll nicht unterschlagen werden.
Über die Nachricht entsprechender Aktivitäten freut sich der
Autor.
207

KAPITEL 15. WEITERFÜHRENDE EXPERIMENTE 208
15.1 Messen
HW: Analog-Input
SW: Voltmeter
SW: Amperemeter
SW: Ohmmeter
SW: 2-Kanal Signaltracer mit Display
SW: Frequenzgenerator (Elektor 1998/11 pX2)
15.2 Steuern
HW: SPS (Elektor 2002/11 p22 2002/06 p14)
SW: Bytecode-Interpreter für SPS Elektor (1998/11 p76)
HW: Lichtsensor LDR
SW: Dämmerungsschalter
HW: Näherungsschalter (Elektor 2004/01 p22)
SW: Mit Schalter Led dimmen und schalten
15.3 Regeln
HW: Temperatursensor KTY10 HW: Temperatursensor NTC
(Elektor 2003/10 p24)

KAPITEL 15. WEITERFÜHRENDE EXPERIMENTE 209
SW: Zimmertemperatur auf Display anzeigen
SW: PID-Regler (Elektor 1999/09 p28)
15.4 Solartechnik
HW: Akkus und Solarzelle
SW: Solarladegerät mit Überwachung der Ladungsmenge
15.5 Robotik
HW: Modellbauservo
SW: Ansteuern eines Servos
HW: Motor schalten (Elektor 2001/05 p62)
SW: Motor choppen
HW: Spielzeugauto oder -schiff umrüsten
SW: Interpreter für Bytecode
SW: Verbindung zu NQC (not quite C)
15.6 Fernwirken
HW: DCF77 Empfänger

KAPITEL 15. WEITERFÜHRENDE EXPERIMENTE 210
SW: Uhr mit DCF synchronisieren
HW: IR-LED (Elektor 2001/04 p62)
SW: Fernsteuern mit RC5-Codes (ct 2005/23 p225)
SW: Terminalverbindung über Infrarot (Elektor 2003/10 p12)
HW: RS485 (Elektor 2003/11 p70)
SW: Point/Point Verbindung mit PC
SW: Netzwerk
HW: Chrystal CS8900
SW: TCP/IP Stack
HW: 2.4 GHz Funkmodul
SW: Drahtlose Verbindung mit dem PC über V24
SW: Gesicherte Verbindung
HW: Mobilfunk (Elektor 2002/01 p14)
SW: Senden/Empfangen von SMS-Nachrichten mit einem
Mobilfunktelefon
HW: RFID-Leser (Elektor 2006/09 p36)

Anhang A
Stolpersteine
Erfahrungen, vor denen gewarnt werden soll:
A.1 Reset und Brown-out
Entspricht die Spannungsversorgung nicht den technischen
Daten, so kann es vorkommen, dass der Mikrocontroller unvorhersehbare
Programmsequenzen ausführt. Dies passiert
zum Beispiel auch, wenn ein mit Kondensatoren bestücktes
Netzteil ein- oder abgeschaltet wird. Die unangenehme Folge
ist, dass auch Flash oder EEPROM verändert werden können.
Um diesen heimtückischen Effekt zu vermeiden, müssen entweder
im Netzteil oder beim Reset Vorkehrungen getroffen
werden.
211

ANHANG A. STOLPERSTEINE 212
Neuere Modelle der AVR Serie besitzen eine einstellbare
brown-out detection. Diese versetzt den Prozessor bei gefährlichen
Spannungszuständen in den Reset-Zustand.
Auf der anderen Seite kann ein Aktivieren des brown-out bei
mangelhafter Spannungsversorgung zu sporadischem reset des
Programms führen.
A.2 Stackfault
Im RAM müssen sich statische Variable, lokale Variable und
Rücksprungadressen den Platz teilen. Der Compiler füllt das
RAM von unten mit statischen Variablen auf. Der Rest bleibt
dem vom Runtime initialisierten Stack, der lokale Variable
und Rücksprungadressen beherbergen muss. Leider ist der
Aufruf von Unterprogrammen schwer, in vielen Fällen sogar
grundsätzlich gar nicht, vorhersehbar. So kann es vorkommen,
dass Stack und statische Variable sich überschreiben.
Dies führt in der Regel zu sonderbarem Programmverhalten
oder zum Programmabsturz. Ein Stackfault-Interrupt für eine
kontrollierte Fehlerbehandlung wäre sehr wünschenswert.
Als einfache Lösung kann man am Anfang jeder Funktion den
Stackpointer überprüfen.

ANHANG A. STOLPERSTEINE 213
A.3 volatile
Der gcc erkennt Code, der Variable nicht verändert. Mit eingeschalteter
Optimierung (default ist -O1!) werden derartige
Programmstücke wegoptimiert. Zum Beispiel bei Warteschleifen
führt das zu unerwartetem Verhalten des Programms.
Wird der gcc mit der Option -O0 aufgerufen, so ist die Optimierung
ausgeschaltet. Um trotz Warteschleifen mit Optimierung
arbeiten zu können, gibt es für betroffene Variablen die
C-Anweisung ,,volatile”. Die Ur-Version von C kannte diese
Anweisung übrigens noch nicht.
A.4 Interrupts
Wird in einem Interrupt behandelnden Programm der Interrupt
wieder eingeschaltet, so führt ein weiterer Interrupt zur
Unterbrechung des Interrupts. Derartige Programme müssen
reentrant programmiert worden sein. So muss der Zugriff auf
statische bzw. externe Variable über Semaphore gesichert werden.
Da der Compiler Interrupts nicht nachvollziehen kann, müssen
statische Variable, die innerhalb und außerhalb von Interrupts
verwendet werden, als volatile deklariert werden.

ANHANG A. STOLPERSTEINE 214
A.5 PORTx
Der Name PORT verführt dazu, nach dem Löschen des DDR-
Bits daraus zu lesen. Ports müssen jedoch über die Adresse
PINx gelesen werden.
A.6 Watchdog
Der Watchdog erzeugt einen Reset des Systems. Im Runtime
werden alle statischen Variablen vor dem Aufruf von main()
initalisiert. Nach der Definition von C werden im Programm
nicht explizit initalisierte statische Variablen mit Null initialisiert.
Dieses Verhalten des Watchdog und von C verhindert,
dass man den sehr stromsparenden Sleepmodus mit aktiviertem
Watchdog nicht bei Programmen verwenden kann, die
auf externe oder statische Variable angewiesen sind.
A.7 UCSRC
Das Einstellregister des USARTS teilt sich die selbe Adresse
mit UBRRH. Bit7 schaltet zwischen beiden Registern um. Der
Befehl ,,sbi(UCSRC,7)” funktioniert nicht, um anschließend
einzelne Bits umzustellen. Das Register UCSRC darf also nur
komplett beschrieben werden.

ANHANG A. STOLPERSTEINE 215
A.8 Besonderheiten einzelner Modelle
A.8.1 AT90S1200
Da dieses Modell über kein RAM und somit keinen Stack
verfügt, wird es vom gcc nicht unterstützt.
A.8.2 AT90S2343
Es wurden ICs verkauft, die mit aktiviertem internem Oszillator
nicht richtig anlaufen. Der Fehler wurde ab Revision G
beseitigt.
A.8.3 Vom AT90S4433 zum ATmega8
Ein Vorteil der AVR-Familie ist die Typenvielfalt. Zeigt sich
im Zuge einer Entwicklung, dass Speicher oder I/O-Leitungen
nicht ausreichen, wechselt man zum nächsten Modell. In der
Regel geht der Umzug relativ einfach, da die Entwickler bei
Atmel bei der Namensgebung von Registern etc. diszipliniert
vorgehen.
Bei gleichem Gehäuse sind viele interne Werte des ATmega8
fast doppelt so gut wie bei seinem Vorgänger. Folgende Änderungen
waren bei einem Umstieg notwendig:

ANHANG A. STOLPERSTEINE 216
• Die Software der Debian 3.0 Distribution kennt den ATmega8
noch nicht. Installation des neueren avr-gcc 3.3,
lib-avr und binutils-avr werden notwendig. Leider bedingt
das auch ein Erneuern der libc. Bis Debian 3.1
hilft Knoppix.
• Der Taktteiler für den USART ist von 8 auf 12 Bit gewachsen.
Aus UBRR wird UBRRL und UBRRH. Der
Compiler erkennt das fehlende Symbol.
• Die Zahl der Sleep-modes hat sich erhöht. Aus SM wird
SM0..2. Auch hier bemerkt der Compiler den Symbolwechsel.
• Der ATmega8 wird mit aktiviertem internen 1Mhz Oszillator
geliefert. Um z. B. auf externen Quarz umzustellen,
müssen die Fuses des Prozessors umprogrammiert
werden. Das Datenblatt gibt ausführlich Auskunft.
Dieses ist eine ziemliche Falle, da die meisten Programme
für Mikrocontroller mit der Taktfrequenz stark verknüpft
sind. Andererseits garantiert diese Eigenschaft
die Programmierbarkeit eines fabrikneuen Chips in einer
Schaltung ohne externen Oszillator.
Eine umfassende Beschreibung der Unterschiede befindet sich
in der Technical Library von Atmel [atmel] als Application
Note AVR081.

Anhang B
Technische Daten
Spannungen des Experimentiersystems:
Steckernetzteil mit Geichspannung (DC) 9 .. 35 V
Steckernetzteil mit Wechselspannung (AC) 6 .. 24 V
Batterieversorgung 4.8 .. 6.0 V
CPU 1.8 .. 5.5 V
LED mit Vorwiderstand 2.7 .. 5.5 V
Max 232 4.2 .. 5.0 V
(Max 3232 3.0 .. 5.5 V)
Displaytech 162 4.2 .. 5.0 V
Displaybeleuchtung 4.2 .. 5.0 V
217

ANHANG B. TECHNISCHE DATEN 218
Stromverbrauch einzelner Teile des Experimentiersystems:
CPU 3. mA
Oszillator 1. mA
LED 1. mA
Buzzer 4. mA
Max 232 4. mA
Displaytech 162 3. mA
Displaybeleuchtung 10. mA

Anhang C
Nachschlagebereich
C.1 Assembler
Genaue Beschreibung der Befehle befindet sich im Datenblatt
der Firma Atmel ,,8-bit AVR Instruction Set”.
Rechenbefehle
add Rd,Rr Add without Carry
adc Rd,Rr Add with Carry
adiw Rd,K Add Immediate to Word
sub Rd,Rr Subtract without Carry
subi Rd,K Subtract Immediate
sbc Rd,Rr Subtract with Carry
sbci Rd,K Subtract Immediate with Carry
sbiw Rd,K Subtract Immediate from Word
219

ANHANG C. NACHSCHLAGEBEREICH 220
and Rd,Rr Logical And
andi Rd,K Logical And with Immediate
or Rd,Rr Logical Or
ori Rd,K Logical Or with Immediate
eor Rd,Rr Exclusive Or
com Rd One’s Complement
neg Rd Two’s Complement
sbr Rd,K Set Bits in Register
cbr Rd,K Clear Bits in Register
inc Rd Increment
dec Rd Decrement
cp Rd,Rr Compare
cpc Rd,Rr Compare with Carry
cpi Rd,K Compare with Immediate
tst Rd Test for Zero or Minus
clr Rd Clear Register
ser Rd Set Register
mul Rd,Rr Multiply Unsigned
muls Rd,Rr Multiply Signed
mulsu Rd,Rr Multiply Signed with Unsigned
fmul Rd,Rr Fractional Multiply Unsigned
fmuls Rd,Rr Fractional Multiply Signed
fmulsu Rd,Rr Fractional Multiply Signed with Uns.
Jumps
rjmp k Relative Jump
ijmp Indirect Jump to (Z)
eijmp Extended Indirect Jump to (Z)

ANHANG C. NACHSCHLAGEBEREICH 221
jmp k Jump
rcall k Relative Call Subroutine
icall Indirect Call Subroutine to (Z)
eicall Extended Indirect Call Subr. to (Z)
call k Call Subroutine
ret Subroutine Return
iret Interrupt Return
cpse Rd,Rr Compare, Skip if Equal
sbrc Rr,b Skip if Bit in Register Cleared
sbrs Rr,b Skip if Bit in Register Set
sbic Rr,b Skip if Bit in I/O Register Cleared
sbis Rr,b Skip if Bit in I/O Register Set
brbs s,k Branch if Status Flag Set
brbc s,k Branch if Status Flag Cleared
breq k Branch if Equal
brne k Branch if Not Equal
brcs k Branch if Carry Set
brcc k Branch if Carry Cleared
brsh k Branch if Same of Higher
brlo k Branch if Lower
brmi k Branch if Minus
brpl k Branch if Plus
brge k Branch if Greater or Equal, Signed
brlt k Branch if Less Than, Signed
brhs k Branch if Half Carry Set
brhc k Branch if Half Carry Cleared
brts k Branch if T Flag Set
brtc k Branch if T Flag Cleared
brvs k Branch if Overflow Flag is Set

ANHANG C. NACHSCHLAGEBEREICH 222
brvc k Branch if Overflow Flag is Cleared
brie k Branch if Interrupt Enabled
brid k Branch if Interrupt Disabled
Moves
mov Rd,Rr Copy Register
movw Rd,Rr Copy Register Pair
ldi Rd,k Load Immediate
lds Rd,k Load Direct from Data Space
ld Rd,xyz Load Indirect
ld Rd,xyz+ Load Indirect and Post-Increment
ld Rd,-xyz Load Indirect and Pre-Decrement
ldd Rd,yz+q Load Indirect with Displacement
sts k,Rr Store Direct to Data Space
st xyz,Rr Store Indirect
st xyz+,Rr Store Indirect and Post-Increment
st -xyz,Rr Store Indirect and Pre-Decrement
std yz+q,Rr Store Indirect with Displacement
lpm Load Program Memory to R0
lpm Rd,Z Load Program Memory to Register
lpm Rd,Z+ LPM. and Post-Increment
elpm Extended LPM. to R0
elpm Rd,Z Extended LPM. to Register
elpm Rd,Z+ Extended LPM. and Post-Increment
spm Store Program Memory
in Rd,A In from I/O Location
out A,Rd Out to I/O Location
push Rr Push Register to Stack

ANHANG C. NACHSCHLAGEBEREICH 223
pop Rd Pop Register from Stack
Bitbefehle
lsl Rd Logical Shift Left
lsr Rd Logical Shift Right
rol Rd Rotate Left Through Carry
ror Rd Rotate Right Through Carry
asr Rd Arithmetic Shift Right
swap Rd Swap Nibbles
Bset s Flag Set
Bclr s Flag Clear
sbi A,b Set Bit in I/O Register
cbi A,b Clear Bit in I/O Register
bst Rr,b Bit Store from Register T
bld Rd,b Bit Load from Register T
sec Set Carry
clc Clear Carry
sen Set Negative Flag
cln Clear Negative Flag
sez Set Zero Flag
clz Clear Zero Flag
sei Global Interrupt Enable
cli Global Interrupt Disable
ses Set Signed Test Flag
cls Clear Signed Test Flag
sev Set Two’s Complement Overflow
clv Clear Two’s Complement Overflow
set Set T in SREG

ANHANG C. NACHSCHLAGEBEREICH 224
clt Clear T in SREG
seh Set Half Carry Flag in SREG
clh Clear Half Carry Flag in SREG
Control
break Break
nop No Operation
sleep Sleep
wdr Watchdog Reset
Steueranweisungen
.text .data .bss
.string
.word
.byte
C.2 Programmiersprache C
Neben verschiedensten Büchern über C findet man die
ursprüngliche Beschreibung der Sprache im Buch ,,Die
Programmiersprache C” der Autoren der Sprache Kernighan/Ritchie
[Kernighan].

ANHANG C. NACHSCHLAGEBEREICH 225
Operatoren
( ) [ ] -> .
! ~ ++ -- + - * & (type) sizeof
* / %
+ -
>
< >=
== !=
&
^
|
&&
||
?:
= += -= *= /= %= &= ^= |= =
,
Präprozessor
define undef
include
line error pragma
if elif else endif
ifdef ifndef
Sprachelemente
static extern
const volatile auto register

ANHANG C. NACHSCHLAGEBEREICH 226
signed unsigned
void char short int long float double
struct union enum typedef
sizeof
if else
do while for continue
switch case break default
goto return
Erweiterungen
asm
C.3 Runtime
Die Schnittstellen des Runtimes findet man im Verzeichnis
/usr/avr/include.
#include
#define bit_is_set(port,bit) ...
#define bit_is_clear(port,bit) ...
#define loop_until_bit_is_set(port,bit) ...
#define loop_until_bit_is_clear(port,bit) ...
#define RAMEND 0x45F
#define E2END 0x1FF
#define FLASHEND 0x1FFF
#define SIG_INTERRUPT0 _VECTOR(1)
.
.
.

ANHANG C. NACHSCHLAGEBEREICH 227
#include
extern uint8_t eeprom_read_byte (uint8_t *addr);
extern uint16_t eeprom_read_word (uint16_t *addr);
extern void eeprom_read_block (void *buf, void *addr, size_t n);
extern void eeprom_write_byte (uint8_t *addr, uint8_t val);
extern void eeprom_read_block (void *buf, void *addr, size_t n);
#include
typedef void prog_void PROGMEM;
typedef char prog_char PROGMEM;
typedef unsigned char prog_uchar PROGMEM;
typedef int prog_int PROGMEM;
typedef long prog_long PROGMEM;
typedef long long prog_long_long PROGMEM;
extern void *memcpy_P(void *, PGM_VOID_P, size_t);
extern char *strcat_P(char *, PGM_P);
extern int strcmp_P(const char *, PGM_P) __ATTR_PURE__;
extern char *strcpy_P(char *, PGM_P);
extern int strcasecmp_P(const char *, PGM_P) __ATTR_PURE__;
extern size_t strlen_P(PGM_P) __ATTR_CONST__;
extern int strncmp_P(const char *, PGM_P, size_t) __ATTR_PURE__;
extern int strncasecmp_P(const char *, PGM_P, size_t) __ATTR_PURE__;
extern char *strncpy_P(char *, PGM_P, size_t);
#include
#define ISR (signame) ...
#define sei() ...
#define cli() ...

Anhang D
Programm pcb
#!/bin/bash
#.#############################################################################
#. Programheader
#.#############################################################################
Prognam="pcb"
Version="0.1-20060322"
Maintainer="Hanns-Konrad Unger "
Description="tool for creating printed circuit boards (pcbs)"
Architecture="all"
Section="electronics"
Priority="optional"
Depends="bash (>= 2.05)"
Location="/usr/bin"
Programheader () { cat

ANHANG D. PROGRAMM PCB 229
Myp=$0 # Patch here if next if exits
if [ ! -x "$Myp" ]
then echo Please use latest version of bash or ash.; exit -1; fi
Myn=$(basename $Myp) # My Name
Noa=$# # Number Of Args
Dir=$(echo $Myp|sed -e s#$Myn\$## -e s#/\$## ) # Directory program comes from
if [ "$Dir" = "" ]; then Dir=.; fi
Nam=$(echo $Myn|sed s/\\..*//) # Name of programfile without dot
Fun=$(echo $Myn|sed s/${Nam}.//) # Name of running method
Edi=/bin/vi # prefered editor
Lom="" # List Of Methods
Lop="" # List OF temP. files 20020107
Lot="basename sh echo sed type" # List Of Tools
Loc="class" # List Of Classes
#.Added:2005May07:class:new:pcb:Global Variables
Loc="$Loc pcb"
#.Added:2006Nov18:pcb:new:pcb:Global Variables
Loc="$Loc pcb"
#.#############################################################################
#. Global Functions
#.#############################################################################
# Debug () { bash; } # 1st line MUST BE: #!/bin/bash -a
# Debug () { set | less; } # see all variables
# Debug () { set -x; } # activates bash -x
# Debug () { set -v; } # activates bash -v
# Debug () { echo $@; sleep 5; }
# Debug () { logger $@; }
# Debug () { export $@; bash; }
Exit_onerror () # $1=programname; run very critical program
{ if ! $1 ; then echo $Myn aborted: Error running $1 !; Quit -1; fi; }
Testargs () { # testarguments num [file]
if [ $Noa -lt $1 ]; then Met=man; $Nam.$Fun; Quit -1; fi
if [ -z "$2" ]; then return; fi
if [ "$2" = "-" ]; then return; fi # stdin
if ! [ -f "$2" ]; then echo Cannot find $2!; Quit -1; fi; }
Lot="$Lot mktemp"
Mktmp_return="" # Mktmp() is string_function, $() does not change global $Lop
Mktmp () { # make temporary File 20021118 HKU
local n=$(mktemp Tmp$$XXXXXX); Lop="$(pwd)/$n $Lop"; Mktmp_return=$n; }
Mktmpdir () { # make temporary Dir
local n=$(mktemp -d Tmp$$XXXXXX); Lop="$(pwd)/$n $Lop"; Mktmp_return=$n; }
Lot="$Lot ln"
Install () { (cd $Dir;ln -sf $Myn $1 2>/dev/null); }
Lot="$Lot rm"
Deinstall () { rm $Dir/$1; }
Quit () {
local n
for n in $Lop; do
if [ -f $n ]; then rm $n;
else if [ -d $n ]; then rmdir $n; fi; fi
done; exit $1; }
#.Added:2005May07:class:new:pcb:Global Functions
#.Added:2006Nov18:pcb:new:pcb:Global Functions
pslayout () {
echo "%!PS-Adobe-1.0"
echo "%%Title: $(echo $1|sed s/\\..*//).ps"
echo "%%Creator: ${Myn} from www.hanns-konrad.de"
echo -n "%%Date: "; date "+%Y%b%d %H:%M"
cat

ANHANG D. PROGRAMM PCB 230
/mm { 25.4 div 72 mul } def
/inch { 72 mul } def
/pt { 1 mul } def
/white [ 1.0 1.0 1.0 ] def
/black [ 0.0 0.0 0.0 ] def
/setcolor { aload pop setrgbcolor } def
/leftmargin 25.4 mm def
/topmargin 10 mm def
/pageheight 297 mm def /pagewidth 210 mm def % a4
%%EndProlog
/boardscale 1 def % 1 is normal scale, 2 is wide scale
/psize 7.2 def % diameter of one pad (0.1 inch)
% /xpos 0 def % xresult of cvpad
% /ypos 0 def % yresult of cvpad
/multpcb false def % Platine nur einfach ausgeben
/multx 1 def % Kopien in x-Richtung
/multy 1 def % Kopien in y-Richtung
% /dx 0 def % x-size
% /dy 0 def % y-size
1 setlinejoin
/cvpad % (a15) cvpad => xpos=1 ypos=15 ; works from (a1)..(z1),(A1)..(Z1)
% to (Z113)
{
dup 0 get
dup 64 le % A-1
{ pop 0 }
{ dup 90 le % Z
{ 64 sub 26 add }
{ dup 96 le % a-1
{ pop 0 }
{ dup 122 le % z
{ 96 sub }
{ pop 0
} ifelse
} ifelse
} ifelse
} ifelse
/xpos exch def
dup length 1 sub 1 exch getinterval cvi /ypos exch def
} def
/mboard { /multy exch def /multx exch def /multpcb true def } def
/board2 { /boardscale 2 def /psize psize 2 div def board } def
/board % (n15) board
{
cvpad /dy ypos 1 add def /dx xpos 1 add def
/st ( ) def
[ 1 0 0 -1 0 0 ] concat
multpcb
{
leftmargin
pageheight topmargin sub -1 mul
translate

ANHANG D. PROGRAMM PCB 231
psize psize scale
0 setlinewidth
1 1 multy
{
/y exch def
1 1 multx
{
1 sub dx mul y 1 sub dy mul moveto
dx 0 rlineto 0 dy rlineto dx -1 mul 0 rlineto closepath stroke
} for
} for
}
{
pagewidth leftmargin sub dx psize mul sub 2 div leftmargin add
pageheight dy psize mul add -2 div
translate
psize psize scale
0 setlinewidth
0 0 moveto dx 0 lineto dx dy lineto 0 dy lineto closepath stroke
/Courier findfont .8 scalefont setfont
1 1 dx 1 sub
{
dup -1 moveto
dup 26 gt
{ 64 add 26 sub } % A..Z
{ 96 add } ifelse % a..z
st exch 0 exch put st
[ 1 0 0 -1 0 0 ] concat -.4 0 rmoveto show [ 1 0 0 -1 0 0 ] concat
} for
1 1 dy 1 sub
{
dup -1 exch moveto 10 (999) cvrs
[ 1 0 0 -1 0 0 ] concat -1 -.4 rmoveto show [ 1 0 0 -1 0 0 ] concat
} for
} ifelse
} def
/iwire % (a1) (c3) iwire
{
exch
cvpad
/xlen xpos def /ylen ypos def
cvpad
/xlen xlen xpos sub def /ylen ylen ypos sub def
0 1 multy 1 sub
{
dy mul ypos add /y exch def
0 1 multx 1 sub
{
dx mul xpos add y moveto xlen ylen rlineto closepath stroke
} for
} for
} def
/wire % (a1) (c3) wire
{
0.2 setlinewidth
iwire
} def

ANHANG D. PROGRAMM PCB 232
/wire2 % (a1) (c3) wire2
{
0.8 setlinewidth
iwire
} def
/ipad
{
0 setlinewidth
0 1 multy 1 sub
{
dy mul ypos add /argy exch def
0 1 multx 1 sub
{
dx mul xpos add /argx exch def
argx argy 0.3 boardscale mul 0 360 arc fill
white setcolor argx argy 0.1 boardscale mul 0 360 arc fill black setcolor
} for
} for
} def
/pad % (a1) pad
{ cvpad ipad } def
/smd
{
cvpad
0 setlinewidth
0 1 multy 1 sub
{
dy mul ypos add /argy exch def
0 1 multx 1 sub
{
dx mul xpos add .25 sub argy .25 sub moveto
.5 0 rlineto 0 .5 rlineto -.5 0 rlineto closepath fill
} for
} for
} def
/xpad % (a1) 3 xpad => (a1) pad (b1) pad (c1) pad
{ 1 sub boardscale mul exch cvpad xpos exch boardscale exch xpos add
{ /xpos exch def ipad } for
} def
/ypad % (a1) 3 ypad => (a1) pad (a2) pad (a3) pad
{ 1 sub boardscale mul exch cvpad ypos exch boardscale exch ypos add
{ /ypos exch def ipad } for
} def
/mirror { pagewidth 0 translate -1 1 scale } def
%(n15)board (n1)(n15)wire (a1)pad(n1)pad(n14)pad(n15)smd (c3)4 xpad(e3)4 ypad
end_of_pslayout
}
#.#############################################################################
#. Methods
#.#############################################################################
################################## info ###################################
Lot="$Lot cat echo"

ANHANG D. PROGRAMM PCB 233
Lom="$Lom info"; pcb.info () { funcname=$Nam.info # 20011207 HKU
case $Met in
help|man) echo "Usage: $funcname [tutorial]"
if test "$Met" = "man"; then echo Informs about programs concepts.; fi;;
doit) Testargs 0;
case "$1" in
"")
cat

ANHANG D. PROGRAMM PCB 234
Global Variables
Global Functions
Methods
Main
müssen in DIESER Reihenfolge vorhanden sein.
#. bedeutet, daß der Kommentar von class verarbeitet wird.
Solche Kommentare dürfen nicht entfernt werden!
Globale Namen Beginnen Mit Einem Großbuchstaben.
VOM SYSTEM ANGEBOTENE VARIABLE SIND I.D.R. KOMPLETT GROSS.
lokale namen sollten klein geschrieben werden.
Für die Anwendung dieses Programmiersystems sind grundlegende Kenntnisse der
(b)ash notwendig (siehe "man bash").
Es folgt eine Liste der Vorzüge des Konzeptes:
Die Bildung von Programmfamilien fördert die Benutzerfreundlichkeit:
Einziger Zugang über den Klassennamen.
Einheitliche Benutzerschnittstelle.
Einheitliche Hilfefunktionen.
Integrierte Installation und Deinstallation.
Integrierte Überprüfung der Systemvoraussetzungen.
Vererbung bessert die Programmqualität:
Fehlerminderung durch Verwendung bewährten Codes.
Kompaktheit durch mehrfache Verwendung des Codes.
Zentrale Haltung globaler Variablen.
Klassenbildung fördert die Tiefe der Problemanalyse.
Programmstruktur ist vorbestimmt.
Kinder erben Funktionalität der Eltern
(z.B. Dokumentation und Installation)
Abgeschlossenheit erhöht die Verfügbarkeit des Programms:
Programminstallation ist überschaubar.
Programmverbreitung ist so einfach wie das Kopieren einer Datei.
Verwendung üblicher Tools wie bash und textutils:
Minimale Systemvoraussetzungen
Portabel
Sofortige Einsetzbarkeit
Wartungsarm, da geringe Umgebungsänderungen zu erwarten.
Programmcode ist eine einfache Text-Datei:
Das Programm ist einsehbar.
Das Programm ist änderbar.
Reinkarnation erhöht die Verfügbarkeit des Konzepts:
Jede Programmkopie verbreitet das Programmiersystem.
Die Verbreitung des Systems erhöht die Benutzerfreundlichkeit.
end_of_info
;;
"tutorial")
cat

ANHANG D. PROGRAMM PCB 235
if test "$Met" = "man"; then cat

ANHANG D. PROGRAMM PCB 236
local m=./usr/share/man/man1
if ! [ -d $c ]; then mkdir $c; chmod 755 ${c}; fi
echo "Call $Nam for copyright-information." >${c}/copyright
echo "Call $Nam for changelog-information." >${c}/changelog.Debian
gzip -9 ${c}/changelog.Debian
chmod 644 ${c}/*
cat >${m}/$Nam.1
(exec $Dir/$Nam.man $n|sed -e 2,\$d -e "s/[^\\.]*\\./.B /" >>${m}/$Nam.1)
(exec $Dir/$Nam.man $n|sed 1d >>${m}/$Nam.1)
done
cat ${m}/$Nam.1
.RE
.SH INFO
EOF
(exec $Dir/$Nam.info >>${m}/$Nam.1)
cat ${m}/$Nam.1
.SH AUTHOR
This manual page was written by $Nam.makedeb.
EOF
gzip -9 ${m}/$Nam.1
chmod 644 ${m}/$Nam.1.gz
tar -zcvf $d.tar.gz .${Location}/$Nam ${c} ${m}/$Nam.1.gz
ar -r ${Nam}_${Version}_${Architecture}.deb \
debian-binary control.tar.gz $d.tar.gz
rm debian-binary control.tar.gz $d.tar.gz
mv ${Nam}_${Version}_${Architecture}.deb $pwd # 20021105 HKU
if [ $Dir != $Location ]; then # 20021121 HKU
rm $Location/$Nam $Location/$Nam.include
fi
;; esac; } # end of method makedeb
################################### new ###################################
Lot="$Lot grep"
Lom="$Lom new"; pcb.new () { funcname=$Nam.new
case $Met in

ANHANG D. PROGRAMM PCB 237
help|man) echo "Usage: $funcname CLASSNAME"
if test "$Met" = "man"; then cat >$tmp
cat $tmp
Prognam="class"
Version="0.4-20050506"
Maintainer="Hanns-Konrad Unger "
Description="Classes for ash and bash"
Architecture="all"
Section="devel"
Priority="optional"
Location="/usr/bin"
Programheader () { cat $tmp;cutsection "$1" $Myp|sed "/^#.Added:/,\$d" >>$tmp;}
gensection "Global Variables"
gensection "Global Functions"
gensection "Methods"
genheader "Main" >>$tmp; cutsection "Main" $Myp >>$tmp
else # new class, no reincarnation
local i=$Dir/$Nam.include
local c=$1
gensection () { # sectionname
genheader "$1" >>$tmp; cutsection "$1" $Myp >>$tmp
echo "#.Added:$(date +%Y%b%d):$Nam:new:$c:$1" >>$tmp
if test -f $i; then cutsection "$1" $i >>$tmp; fi; }
echo ’#!’"/bin/bash" >$tmp
genheader "Programheader" >>$tmp

ANHANG D. PROGRAMM PCB 238
if test -f $i; then local h=$i; else local h=$Myp; fi
cutsection "Programheader" $h|sed "/^#.Usage:/,\$d" >>$tmp
history $1 >>$tmp
cutsection "Programheader" $h|sed -n "/^#.Usage:/,\$p" >>$tmp
gensection "Global Variables"
echo "Loc=\"\$Loc $1\"" >>$tmp
gensection "Global Functions"
gensection "Methods"
genheader "Main" >>$tmp; cutsection "Main" $Myp >>$tmp
fi
sed s/${Nam}\\./$1./g $tmp >$1 # (re)name new class
mv $1 $tmp
sed -n 1,4p $tmp >$1
echo " Prognam=\"$1\"" >>$1
sed -n 6,\$p $tmp >>$1
chmod a+x,a+r $1
### grep $1 $1
if test -f $1.include -o $1 = class; then # create no include
ls -l $1.include
echo "----- No $1.include created. -----"
else # create include for new class
genheader "Programheader" >$1.include
chmod a+r $1.include
cutsection "Programheader" $1 >>$1.include
genheader "Global Variables" >>$1.include
genheader "Global Functions" >>$1.include
genheader "Methods" >>$1.include
cat $1.include
################################ example #################################
#Lot="\$Lot" # List Of Tools (to check installation)
#Lom="\$Lom example"; $1.example () { funcname=$1.example # 20020424 HKU $1
#case \$Met in
# help|man) echo "Usage: \$funcname"
# if test "\$Met" = "man"; then cat

ANHANG D. PROGRAMM PCB 239
pcb.layout makes postscriptfile for layout
pcb.mlayout makes multiple layouts (for schools..)
pcb.list generate part-list
** pcb.move dx dy move a circuit
** pcb.rotate rotate a circuit 90 degree
** pcb.parts make part-position-plan
pcb.kit Heathkit-Style soldering instructions
** Todo
Example of a circuit-list for input:
------------------------------------------------------------------------
#
# Name: ispbsd.pcb
# Function: Atmel ISP interface for uisp -dprog=bsd
# Centronics If. Atmel Progrport.
# Pin02 Data0 --> Vcc Pin02
# Pin03 Data1 --> Vcc Pin02
# Pin04 Data2 --> Vcc Pin02
# Pin05 Data3 --> Vcc Pin02
# Pin06 Data4 --> /Enable
# Pin07 Data5 --> /Reset Pin05
# Pin08 Data6 --> SCK Pin07
# Pin09 Data7 --> MOSI Pin01
# Pin10 Ack

ANHANG D. PROGRAMM PCB 240
(e10)pad :0:B5 :Draht : :nach Pin8 einlöten
(g8)pad :0:B6 :Draht : :nach Pin7 einlöten
(i10)pad :0:B7 :Draht : :nach Pin6 einlöten
(e13)pad :0:B8 :Draht : :nach Pin9 einlöten
(f13)pad :0:B9 :Draht : :nach Pin7 einlöten
(g13)pad :0:B10 :Draht : :nach Pin5 einlöten
(h13)pad :0:B11 :Draht : :nach Pin3 einlöten
(i13)pad :0:B12 :Draht : :nach Pin1 einlöten
(i4)pad :4:D1 :Schottkydioden BAT43 :153010:nach Pin5 einlöten
(j4)pad :0:D2 :Schottkydiode BAT43 :153010:nach Pin4 einlöten
(k4)pad :0:D3 :Schottkydiode BAT43 :153010:nach Pin3 einlöten
(l4)pad :0:D4 :Schottkydiode BAT43 :153010:nach Pin2 einlöten
(i5)pad(j5)pad :1:LED1:Leuchtdiode gelb 3mm 2mA :145998:Anode in i5 einlöten
(c12)pad(j12)pad:1:R1 :Widerstand 2k2 Ohm :408212:einlöten
(k7) 5 ypad\
(l7) 5 ypad :1: :Schalter 2xUM :708216:Schlitze sägen und einlöten
(c4) 8 ypad\
(f4) 8 ypad :1:IC1 :IC 74HC367 :151165:einlöten
-----------------------------------------------------------------------end_of_info
;; esac ; } # end of method info
################################## kit ###################################
Lot="$Lot" # List Of Tools (to check installation)
Lom="$Lom kit"; pcb.kit () { funcname=pcb.kit
case $Met in
help|man) echo "Usage: $funcname FILENAME"
if test "$Met" = "man"; then cat

ANHANG D. PROGRAMM PCB 241
pslayout $1
sed -e "/^#/d" -e "/^$/d" -e "s/\\\//" $1| cut -d: -f1
echo showpage
;; esac ; } # end of method layout
################################## mlayout ###################################
Lot="$Lot" # List Of Tools (to check installation)
Lom="$Lom mlayout"; pcb.mlayout () { funcname=pcb.mlayout
case $Met in
help|man) echo "Usage: $funcname FILENAME x y"
if test "$Met" = "man"; then cat &1; then echo CANNOT FIND Program $n !; fi; done
if test $Myn = $Prognam; then # basic Classname. called
Programheader
for n in help man deinstall $(echo $Lom); do Install $Nam.$n; done
else # method Classname.Fun called
if [ "$1" = "-h" -o "$1" = "--help" ]; then ${Dir}/${Nam}.help ; Quit -1; fi
trap "Quit -1" SIGINT # ^C
case $Fun in
man)
case $1 in
"") echo Usage: ${Nam}.man METHODNAME;;
deinstall) echo ${Nam}.$1 Unlinks all methods.;;
help) echo ${Nam}.$1 Gives short help for all methods.;;
man) echo ${Nam}.$1 Gives help for named method.;;
*) Met=$Fun; ${Nam}.$1;;
esac;;
help)
echo Usage: ${Nam}
echo Usage: ${Nam}.deinstall
echo Usage: ${Nam}.help
echo Usage: ${Nam}.man METHODNAME
for n in $(echo $Lom|tr " " "\n"|sort|uniq); do

ANHANG D. PROGRAMM PCB 242
Met=help; ${Nam}.$n; done # calls function
;;
deinstall)
for n in help man deinstall $(echo $Lom); do Deinstall ${Nam}.$n; done
for n in ${Dir}/${Nam}*; do
if [ "$n" != "${Dir}/${Nam}" ] &&\
[ "$n" != "${Dir}/${Nam}.include" ]; then
echo Ambiguous file $n found, please remove by hand:
ls -l $n
fi
done;;
*)
for n in $Lom; do
if test $n = $Fun
then Met=doit; ${Nam}.$Fun "$@"; Quit 0; fi
done
echo $Dir/$Nam.$Fun is a unlisted method. Please remove it.
Quit -1;;
esac
fi
Quit 0

Anhang E
Skalieren des Systems
Abbildung E.1: Kleine Variante des Experimentiersystems
243

ANHANG E. SKALIEREN DES SYSTEMS 244
Die im Buch beschriebene Variante mit LCD-Display, Lochrasterfeld
und Netzteil ist aufwändiger als ein für viele Experimente
ausreichendes Minimum.
Wird die ISP-Hardware der Centronics-Schnittstelle und ein
teurerer MAX 3232 verwendet, so kann ohne zusätzliche
Stromversorgung gearbeitet werden. Das System wird vom
PC über die Programmierschnittstelle mitversorgt.
Gegebenenfalls kann die Hardware so reduziert werden, dass
für große Gruppen eine finanzielle Entlastung spürbar wird.
Das in Abbildung E.1 gezeigte Experimentiersystem dürfte
im Verhältnis Preis zu Leistung schwer zu unterbieten sein.
Drei komplette Systeme können mit einer einseitigen Europaplatine
aufgebaut werden. Die Kosten der Bauteile liegen im
Bereich einer Audio-CD.
Abbildung E.2: Layout des kleinen Experimentiersystems
Nach der Durchführung der Experimente kann die MCU mit
der ISP-Software von Matthias Weisser [matwei] geladen wer-

ANHANG E. SKALIEREN DES SYSTEMS 245
den. Durch dieses Programm verwandelt sich das Experimentierboard
in ein Programmiergerät, das auch an der USB-
Schnittstelle noch gut funktionert.
Drei kleine Änderungen werden notwendig:
Die Verbindung zwischen Pin1 (Reset) der MCU und der ISP-
Schnittstelle wird am besten durch einen Jumper aufgetrennt.
Stattdessen wird eine Brücke nach Pin16 (PB2/SS) gelegt, um
einen Reset der externen MCU zu ermöglichen. Nach Setzen
des BOOTRST-Flags benötigt unsere MCU einen 33 nF Kondensator
zwischen Pin1 (Reset) und Masse, damit der Boot-
Loader nach dem Power-On aktiv wird.
Der in der Firmware enthaltene, zum STK500 kompatible,
Boot-Loader ermöglicht sogar den Verzicht auf das
Programmierschnittstellen-Platinchen. Das 1 kByte große Ladeprogramm
läd die Programme direkt von der seriellen
Schnittstelle mit dem STK500 Protokoll in den Flash-Speicher
der MCU. Allerdings muss in diesem Fall an eine externe
Stromversorgung gedacht werden.

Anhang F
Die Datei
Mikrocontroller.tgz
246

ANHANG F. DIE DATEI MIKROCONTROLLER.TGZ247
autorun.bat Startdatei für Windows
autorun.inf Startdatei für Windows
Mikrocontroller.ico Icon für Windows
index.html Startdatei für Internet-Browser
Readme diese Datei
hardware Verzeichnis mit Schaltplänen etc.
software Verzeichnis mit Software zum Üben
book Verzeichnis des Buches
dokus Verzeichnis mit Datenblättern
packets Verzeichnis mit Softwarepaketen
bin Verzeichnis mit ausführbaren Programmen

Anhang G
Rechtliches
Dieses Buch mit den Beispielprogrammen ist Open Source.
Es gelten sinngemäß die Bestimmungen der GPL [gnu] mit
folgender Einschränkung:
Der Autor wünscht für das Anlegen jeder Kopie, die außerhalb
seines Einflußbereiches erstellt wird, eine Spende von
10,10 Euro an eine der folgenden Institutionen:
• FSF — Free Software Foundation
FSF Europe -Chapter Germany e.V.
National-Bank Essen, BLZ 360 200 30, Konto 300 4724
• Greenpeace e. V., Hamburg
Postbank, BLZ 200 100 20, Konto 20 61-206
248

ANHANG G. RECHTLICHES 249
• UNICEF — United Nations Children’s Fund
Stadtsparkasse Köln, BLZ 370 502 98, Konto 999 2959

Anhang H
Helfer
Ein Moment der Besinnung: Allein die Vorkehrungen für
Strom aus der Steckdose sind unüberschaubar. — Daneben
sind andere Hilfen natürlich besonders auffällig:
Ohne Internet und Suchmaschinen wie www.google.de hätte
der Autor weder die gesuchten Informationen noch Programme
erhalten. Besonders hilfreich waren:
• www.atmel.com — Datenblätter, Datenbücher und Applikationen
zu den AVR-Mikrocontrollern gibt es direkt
vom Hersteller.
• www.avrfreaks.net — Ein Pool von Informationen zu
den AVRs aus der Sicht der Praktiker.
• www.debian.de — Hier fanden sich die aktuellen Versionen
von avr-gcc, avr-binutils, avr-lib und uisp.
250

ANHANG H. HELFER 251
Dieses Buch wurde mit Programmen erstellt, die frei erhältlich
sind. Ich möchte sie deshalb nicht unerwähnt lassen:
Distribution Debian
Betriebssystem Linux
Shell bash
Tools GNU
Fenstersystem X11
Editor vim
Scannerprogramm sane
Bildbearbeitungsprogramm gimp
CAD-Programm qcad
Schaltpläne electric
Textsatzsystem pdfL ATEX
Postscript-Emulation Ghostscript
Auf dem Weg vom Manuskript zum Buch braucht man Lektoren.
Der Mühe des Korrekturlesens haben sich unterzogen:
• Frau Ruth Unger
• Frau Helga Bruns
• Herr Andreas Mull
Einen herzlichen Dank an die Helfer.

Abbildungsverzeichnis
2.1 Direkter Nachfahre des Abakus. . . . . . . . . 23
4.1 DB9-Stecker des IBM-AT . . . . . . . . . . . 35
8.1 Gute und schlechte Lötverbindungen. . . . . . 70
8.2 Schaltung einer Spannungsmessung. . . . . . 73
8.3 Schaltung einer Strommessung. . . . . . . . . 74
8.4 Schaltung einer Widerstandsmessung. . . . . 75
9.1 Stecker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
9.2 Amerikanisches und europäisches Widerstandssymbol
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.3 Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
9.4 Kondensator und Elektrolytkondensator . . . 83
252

ABBILDUNGSVERZEICHNIS 253
9.5 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
9.6 Schaltsymbol für einen Quarz . . . . . . . . . 85
9.7 Quarze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
9.8 Schaltsymbole verschiedener Dioden . . . . . . 87
9.9 Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
9.10 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.11 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.12 Integrierte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . 91
10.1 Ätzmaske für 15 Platinen. . . . . . . . . . . . 101
11.1 IC SN7400 mit 4 NAND-Gattern . . . . . . . 113
11.2 Prellfreie Taste . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
12.1 KIM-1 Mikrocomputer der Firma MOS aus
dem Jahr 1975. . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
12.2 Architektur des ATmega8 . . . . . . . . . . . 127
13.1 Schaltplan der Centronics Variante des ISP-
Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
13.2 Layout der Centronics Variante des ISP-Interface134
13.3 ISP-Interface in der Centronics Variante. . . . 135

ABBILDUNGSVERZEICHNIS 254
13.4 Schaltplan der RS232 Variante des ISP-Interface137
13.5 Layout der RS232 Variante des ISP-Interface . 138
13.6 ISP-Interface in der RS232 Variante. . . . . . 138
13.7 Schaltplan der USB Variante des ISP-Interface 140
13.8 Layout der USB Variante des ISP-Interface . . 142
13.9 ISP-Interface in der USB Variante. . . . . . . 143
13.10Schaltplan der ersten sechs Baustufen . . . . . 147
13.11Layout der Hauptplatine . . . . . . . . . . . . 148
13.12Erste Baustufe . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
13.13Schnell blinkende Leuchtdiode . . . . . . . . . 159
13.14Adapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
E.1 Kleine Variante des Experimentiersystems . . 243
E.2 Layout des kleinen Experimentiersystems . . . 244

Literaturverzeichnis
[Formeln] Bartsch, Hans-Jochen:
Mathematische Formeln
(1977, VEB Fachbuchverlag Leipzig)
[Kernighan] Brian W. Kernighan/Dennis M. Ritchie:
Programmieren in C.
(1990, Carl Hanser Verlag, München Wien)
[C] Kernighan/Ritchie:
The C Programming Language.
(1978, Printice-Hall Inc. Englewood Cliffs,
New Jersey)
[C++] Stroustrup, Bjarne:
The C++ Programming Language.
(1987, Addison-Wesley Publishing Company)
[Linux] Hetze, Hohndel, Müller, Kirch:
Linux Anwenderhandbuch
(1993..., LunetIX Softfair)
255

LITERATURVERZEICHNIS 256
[Torvalds] Linus Torvalds und David Diamond:
Just for Fun.
(2002, DTV Deutscher Taschenbuch Verlag)
[Elektor] Michael Möge:
Tipps zur Platinenherstellung
Elektor 2002-09p36
[adobe] http://www.adobe.com
Homepage der Postscript-Entwickler.
[atmel] http://www.atmel.com
Homepage des IC-Herstellers.
[avrdude] http://www.savannah.nongnu.org/projects/avrdude
CVS-Verzeichnis eines Programmes zur
In-System-Programmierung von AVR-
Mikrocontrollern unter Linux
[debian] http://www.debian.de
Debian ist eine umfassende freie GNU/Linux
Distribution.
[fischl] http://www.fischl.de
Homepage eines ISP für den USB, der usbasp
genannt wird.
[gnu] http://www.gnu.org/licences
GNU General Public Licence.

LITERATURVERZEICHNIS 257
[knoppix] http://www.knoppix.de
Debian basiertes Linux, läuft ohne Installation.
[obdev] http://www.obdev.at
Entwickeln USB-Lösungen mit Mikrocontrollern.
[unger] http://www.hanns-konrad.de
Homepage des Autors.
[usb] http://www.usb.org
Die Homepage des Universal Serial Bus.
[matwei] http://www.matwei.de
Homepage eines ISP für den USB, der usbisp
genannt wird.
[winavr] http://winavr.sourceforge.net
Frei Entwicklungssoftware für AVRs.
[wikipedia] http://de.wikipedia.org
Eine Enzyklopädie im Internet, die Begriffe
aus der Computertechnik gut abdeckt. Sie ist
in verschiedenen Sprachen verfügbar.