Digitaltechnik und Mikrocomputer — Grundlagen

Analoge Elektronik arbeitet mit Signalen, die gleitend zwischen allen Werten wechseln — wie die Lautstärke an einem alten Radio. Digitale Elektronik arbeitet dagegen nur mit zwei Zuständen: hoch und niedrig, oft 1 und 0 genannt. Diese Vereinfachung klingt nach einer Einschränkung, ist aber tatsächlich die große Stärke der Digitaltechnik, denn ein Signal, das nur zwei Dinge sein kann, ist weit schwerer mit Rauschen zu verwechseln als ein Signal, das alles Mögliche sein kann.

Menschen zählen normalerweise im Dezimalsystem, eine digitale Schaltung dagegen im Dualsystem — binär. Jede Ziffer ist entweder 0 oder 1, und eine Gruppe solcher Ziffern heißt Bitfolge. Acht Bit ergeben ein Byte, das 256 verschiedene Werte darstellen kann (2 hoch 8). Alles, womit ein Mikrocomputer rechnet — Zahlen, Text, Bilder, Ton — sind letztlich nur Muster aus Nullen und Einsen, gelesen und gedeutet nach einem vereinbarten Code.

Ein Logikgatter ist eine kleine Schaltung, die ein oder mehrere digitale Signale aufnimmt und nach einer bestimmten Regel ein digitales Signal ausgibt. Die Gatter sind aus Transistoren aufgebaut, aber du kannst sie nutzen, ohne an die Transistoren im Inneren zu denken — interessant ist die Regel selbst.

Setzt man Logikgatter auf bestimmte Weise zusammen, können sie einen Zustand speichern — das nennt man ein Flipflop, und es ist die kleinste Speicherzelle der Digitalelektronik. Reihen von Flipflops bilden Register, die eine Zahl halten können, und Zählerschaltungen, die Impulse zählen können. Dasselbe Grundprinzip liegt allem zugrunde, von einer einfachen digitalen Uhrenanzeige bis zum Speicher eines hochentwickelten Computers.

Statt für jede neue Aufgabe tausende einzelne Logikgatter zusammenzuschalten, fasst man in der Praxis eine fertige Recheneinheit, Speicher und Verbindungen zur Außenwelt auf einem Chip zusammen: einen Mikrocomputer oder Mikrocontroller. Er besteht typischerweise aus einem Prozessorkern (CPU), der Befehle ausführt, aus Speicher, der Programm und Daten ablegt, sowie aus Ein- und Ausgängen (I/O), die den Chip mit Sensoren, Tastern, Leuchtdioden und Motoren verbinden. Das Programm — die Firmware — bestimmt, was der Chip tun soll, und lässt sich aktualisieren, ohne ein einziges Bauteil auf der Platine zu ändern.

• 01CPU — führt die Anweisungen des Programms Schritt für Schritt aus
• 02Speicher — speichert das Programm selbst und die Daten, mit denen es arbeitet
• 03I/O-Pins — verbinden den Chip mit Sensoren, Schaltern, Leuchtdioden und Motoren
• 04Uhr/Clock — gibt den Takt vor, alles im Chip synchronisiert sich danach
• 05Firmware — das Programm, das das Verhalten des Chips bestimmt und das aktualisiert werden kann

Die Wirklichkeit außerhalb des Chips ist analog: Temperatur, Schall und Licht verlaufen gleitend. Deshalb haben Mikrocomputer oft einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) eingebaut, der ein analoges Sensorsignal in eine digitale Zahl übersetzt, mit der der Chip weiterrechnen kann — und umgekehrt einen Digital-Analog-Umsetzer (DAC), wenn das Ergebnis wieder hinaus in die analoge Welt soll, zum Beispiel als Ton oder als Steuerspannung. Diese Übersetzung zu verstehen ist der Schlüssel dazu, digitale Logik mit der physischen Welt zu verbinden — genau das, was das Ausbildungsziel „Analog-, HF-, Digital- und Mikrocomputertechnik“ von dir verlangt: sie in der Praxis zusammenzuschalten und darin Fehler zu suchen.

“Ein Mikrocomputer ist keine Magie — es sind Logikgatter, Speicher und ein Programm, vereint auf einem einzigen kleinen Chip.”

— Fachliche Betrachtung zur Digitaltechnik