Was ist der Unterschied zwischen Mikroprozessor und Mikrocontroller??

Der Kern der Elektronik: Mikroprozessoren, Mikrocontroller und integrierte Schaltungen

Mikroprozessoren, Mikrocontroller und integrierte Schaltungen (ICs) sind die grundlegenden Bausteine aller elektronischen Geräte. Sie werden oft als Herz und Seele der Elektronikindustrie bezeichnet. Obwohl diese Komponenten ähnlich erscheinen mögen, weisen sie deutliche Unterschiede in ihren Eigenschaften und Funktionen auf. Insbesondere der Unterschied zwischen Mikroprozessor und Mikrocontroller ist vielen nicht klar. Auch die Abgrenzung zwischen Mikroprozessor und CPU führt oft zu Verwirrung. Dieser Artikel beleuchtet die Gemeinsamkeiten und Unterschiede dieser drei zentralen Begriffe und vergleicht sie im Detail. Außerdem wird der Unterschied zwischen einem IC und einem Mikroprozessor genauer betrachtet, um ein umfassendes Verständnis dieser Schlüsselkomponenten zu gewährleisten.

Der Unterschied zwischen Mikroprozessor und Mikrocontroller

Im Folgenden wird detailliert auf den Vergleich und die Unterschiede zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern eingegangen.

Was ist ein Mikroprozessor?

Bevor wir die Unterschiede zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern untersuchen, werfen wir einen Blick auf die Mikroprozessoren selbst. Ein Mikroprozessor ist ein Chip, der oft als das Gehirn eines Computers bezeichnet wird. Er wird auch als Zentraleinheit (CPU) bezeichnet. Dieser einzelne Chip ist in der Lage, logische und rechnerische Operationen auszuführen, wie z.B. Addition und Subtraktion, E/A-Management und vieles mehr. Er steuert alle Systemkomponenten wie USB, E/A-Geräte, Monitore, Speicher etc. Um vom Benutzer eingegebene Anweisungen auszuführen, ruft der Mikroprozessor Daten ab, dekodiert sie von der Hochsprache in Maschinensprache und führt die Anweisungen schließlich aus.

Bestandteile eines Mikroprozessors

Ein Mikroprozessor setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen, die zur Ausführung der vorgegebenen Anweisungen dienen:

• Register: Dies sind temporäre Speicherorte, die zur Ausführung von Anweisungen verwendet werden. Nach der Ausführung werden die Daten an die Quelle zurückgesandt und aus den Registern gelöscht.
• Arithmetisch-logische Einheit (ALU): Diese Einheit führt arithmetische und logische Operationen, wie z.B. mathematische Berechnungen, aus.
• Takt- und Steuereinheit: Diese Einheit sorgt dafür, dass alle internen und externen Komponenten zeitlich koordiniert und in der richtigen Reihenfolge zusammenarbeiten.

Funktionsweise eines Mikroprozessors

Ein Mikroprozessor ist ein eigenständiger Chip, der mit externen Peripheriegeräten, wie z.B. E/A-Geräten und Speichereinheiten verbunden ist, um einen bestimmten Satz von Anweisungen auszuführen.

• Das Eingabegerät leitet Informationen vom Benutzer an die Speichereinheit weiter.
• Die Speichereinheit speichert die Informationen und führt die erforderlichen Funktionen aus.
• Ausgabegeräte zeigen die Ergebnisse an.

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Arten von Mikroprozessoren

Mikroprozessoren werden anhand verschiedener Kriterien in drei Haupttypen eingeteilt:

1. Datenbusbreite

Abhängig von der Breite des Datenbusses werden Mikroprozessoren in die folgenden Typen unterteilt:

• 4-Bit: Diese Prozessoren haben eine Datenbusbreite von 4 Bit und wurden in den frühen 1970er Jahren eingesetzt. Beispiele hierfür sind INTEL 4004 und 4040.
• 8-Bit: Diese Prozessoren können 8-Bit-Daten gleichzeitig übertragen. Ein Beispiel ist der INTEL 8085.
• 16-Bit: Diese Prozessoren können 16-Bit-Daten gleichzeitig übertragen. Beispiele sind INTEL 8088 und 80286.
• 32-Bit: Diese Prozessoren können 32-Bit-Daten pro Taktzyklus übertragen. Beispiele sind INTEL 80386, 80486 und Pentium.

2. Anwendungsbereich

Basierend auf dem Anwendungsbereich werden Prozessoren in folgende Typen unterteilt:

• Universalprozessoren (GPPs): GPPs sind für allgemeine tägliche Anwendungen konzipiert, z.B. in Desktop-Computern und Mobiltelefonen. Beispiele sind der INTEL 8085 und Pentium.
• Mikrocontroller (MCUs): MCUs sind Prozessoren mit eingebauten Speichereinheiten und E/A-Peripheriegeräten, die zur Ausführung spezifischer Funktionen entwickelt wurden. Beispiele sind der INTEL 8051 sowie Steuerungen in Waschmaschinen und Druckern.
• Spezial-Mikroprozessoren (SPMs): SPMs sind für die Ausführung spezifischer Aufgaben in bestimmten Anwendungsbereichen konzipiert, wie z.B. digitale Signalverarbeitung, Radar und Flugsteuerung.

Lesen Sie weiter, um mehr über den Vergleich zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern zu erfahren.

3. Architektur

• Complex Instruction Set Computer (CISC): CISC-Prozessoren verwenden eine relativ kleine Anzahl komplexer Anweisungen, wobei jede Anweisung mehrere Operationen, wie z.B. Laden, Auswerten und Speichern, ausführt. Der Schwerpunkt liegt hier auf der direkten Erstellung komplexer Befehle in der Hardware. INTEL- und AMD-CPUs basieren auf der CISC-Architektur.
• Reduced Instruction Set Computer (RISC): RISC-Prozessoren wurden als Reaktion auf CISC entwickelt, um die Ausführungszeit durch die Reduzierung der Anzahl der Befehle zu minimieren. Jeder Befehl benötigt nur einen Taktzyklus zur Ausführung. RISC-Architekturen erfordern einen größeren Arbeitsspeicher und einen effizienteren Compiler zur Umsetzung von Hochsprachenbefehlen. Beispiele hierfür sind MIPS, PowerPC und ARM-Prozessoren.

Vorteile von Mikroprozessoren

Hier ist eine Liste der Vorteile von Mikroprozessoren:

• Kosteneffizienz
• Integrierte künstliche Intelligenz (KI) und grafische Benutzeroberfläche (GUI)
• Tragbar und hohe Geschwindigkeit
• Kompakte Baugröße
• Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit
• Geringer Stromverbrauch und geringe Wärmeentwicklung

Nachteile von Mikroprozessoren

Die Nachteile von Mikroprozessoren sind:

• Erfordert Binärcode
• Unterstützt keine Fließkommaoperationen
• Begrenzte Datengröße
• Nicht funktionsfähig ohne externe unterstützende Geräte
• Anfällig für Schäden durch unsachgemäße Stromversorgung
• Langsame Single-Core-Prozessoren

Vor- und Nachteile von Mikroprozessoren

Hier sind einige Vor- und Nachteile von Mikroprozessoren:

Vorteile:

• Schnelle Datenübertragung
• Geeignet für allgemeine Anwendungen
• Multitaskingfähig

Nachteile:

• Hohe Kosten
• Relativ groß
• Kein integrierter RAM, ROM oder E/A

Lesen Sie weiter, um mehr über die Unterschiede zwischen ICs und Mikroprozessoren zu erfahren.

Was ist ein Mikrocontroller und wie funktioniert er?

Um den Unterschied zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern zu verstehen, betrachten wir nun die Mikrocontroller. Ein Mikrocontroller ist ein integriertes elektronisches Gerät, das entwickelt wurde, um spezifische Funktionen in einem eingebetteten System zu übernehmen. Er wird auch als Mikrocontrollereinheit (MCU) bezeichnet. Ein Mikrocontroller enthält drei Hauptkomponenten auf einem einzigen Chip: einen Mikroprozessor, eine Speichereinheit und E/A-Peripheriegeräte. Diese Komponenten interagieren mit Unterstützung von Timern, Analog-Digital-Wandlern, seriellen Ein- und Ausgängen und einem gemeinsamen Systembus.

Funktionsweise:

Ein einzelner Mikrocontroller-Chip, der in ein System integriert ist, stellt die Funktion eines Geräts sicher. Dieser Prozess umfasst das Empfangen und Verarbeiten von Daten von Eingabe- und Ausgabegeräten unter Verwendung des Mikroprozessors. Der Mikrocontroller speichert temporäre Informationen im Datenspeicher, auf die der Prozessor zugreift und die gegebenen Anweisungen aus dem Programmspeicher zur Ausführung einer Operation verwendet. Schließlich werden Ausgabegeräte verwendet, um die notwendigen Aktionen umzusetzen.

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Grundlegende Komponenten eines Mikrocontrollersystems

Die Hauptkomponenten eines Mikrocontrollers sind:

• Mikroprozessor: Dieser Chip ist das Gehirn des Geräts und führt arithmetische und logische Operationen wie Addition/Subtraktion, Datenübertragungen, E/A-Operationen und vieles mehr aus. Er ermöglicht auch die Kommunikation mit anderen Komponenten in einem größeren integrierten System.
• Speicher: Hier werden die Daten gespeichert, die der Prozessor zur Ausführung der vorgegebenen Anweisungen verwendet.
• E/A-Peripheriegeräte: Eingangsports empfangen Daten und senden sie in Form von Maschinensprache an den Prozessor. Der Prozessor führt die notwendigen Operationen aus und weist das Ausgabegerät zur Aufgabenausführung an.

Arten von Mikrocontrollern

Mikrocontroller werden nach verschiedenen Kriterien eingeteilt:

1. Busbreite

Die Busbreite bezieht sich auf die parallelen Leitungen, die interne Komponenten des Mikrocontrollers verbinden. Sie dient zur Datenübertragung zwischen dem Prozessor, der Speichereinheit und den E/A-Peripheriegeräten. Es gibt drei Arten von Bussen: Datenbus, Adressbus und Steuerbus. Mikrocontroller werden nach der Busbreite in 8-Bit-, 16-Bit- und 32-Bit-Varianten eingeteilt:

• 8-Bit-Mikrocontroller: Diese verfügen über eine Busbreite von 8 Bit, d.h., sie können Operationen nur mit 8-Bit-Daten gleichzeitig ausführen. Wenn z.B. eine 16-Bit-Operation durchgeführt wird, benötigt es die doppelte Zeit zur Ausführung. Beispiele sind INTEL 8031/8051.
• 16-Bit-Mikrocontroller: Mit einer Busbreite von 16 Bit sind sie effizienter und schneller als 8-Bit-Mikrocontroller, da sie 16-Bit-Daten in einem einzigen Zyklus übertragen können. Sie bieten genauere Operationen für Anwendungen, die Timer-Funktionen benötigen. Beispiele sind INTEL 8051XA, PIC2X und INTEL 8096.
• 32-Bit-Mikrocontroller: Mit einer Busbreite von 32 Bit bieten sie die höchste Leistung. Sie unterstützen verschiedene Peripheriegeräte wie USB, Ethernet und Control Area Network Bus. Beispiele sind die INTEL/ATMEL 251-Familie.

Lesen Sie weiter, um mehr über den Vergleich zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern zu erfahren.

2. Speicher

Abhängig vom Speichertyp werden Mikrocontroller in zwei Kategorien eingeteilt:

• Mikrocontroller mit eingebettetem Speicher: Diese enthalten alle Komponenten, wie z.B. Daten- und Programmspeicher, Interrupts, Timer und Zähler, auf einem einzigen Chip. Speicherblöcke in Mikrocontrollern sind in der Regel nicht erweiterbar, ein ROM kann aber zur Erweiterung des Speichers verwendet werden.
• Mikrocontroller mit externem Speicher: Diese besitzen keine eingebetteten Speicherblöcke und benötigen zur Funktion einen externen Speicher. Zum Beispiel hat der INTEL 8031 keinen Speicherchip integriert.

3. Befehlssatzarchitektur

Abhängig von der Befehlssatzarchitektur gibt es zwei Typen von Mikrocontrollern:

• Complex Instruction Set Computer (CISC): CISC-Mikrocontroller folgen komplexen Anweisungen und führen verschiedene Aktionen mit nur einem Befehl aus. Sie arbeiten mit umfangreichen Anweisungen und Adressmodi, was die Ausführung zeitaufwendiger macht.
• Reduced Instruction Set Computer (RISC): RISC-Mikrocontroller wurden als Reaktion auf CISC entwickelt. Sie verarbeiten einfache Anweisungen und führen jeweils einen Befehl aus.

Lesen Sie weiter, um den Vergleich oder Unterschied zwischen Mikroprozessor und Mikrocontroller zu verstehen.

4. Mikrocontroller-Architektur

Abhängig von der Architektur werden Mikrocontroller in zwei Kategorien eingeteilt:

• Harvard-Architektur Mikrocontroller: Sie verwenden separate Speicherschnittstellen für Daten/Variablen und für Programme/Anweisungen. Die Parallelität der Befehlsschnittstelle ist ihr Hauptvorteil. Sie sind aufgrund des aufwendigen Designs teurer.
• Von-Neumann/Princeton-Architektur Mikrocontroller: Sie verwenden eine einzige Schnittstelle zum Speichern von Daten und Anweisungen. Sie sind kostengünstig und praktisch, benötigen aber mehr Zeit zur Ausführung.

Vorteile und Nachteile von Mikrocontrollern

Hier ist eine Liste der Vorteile von Mikrocontrollern:

• Fungiert als Mikrocomputer ohne digitale Teile
• Einfach zu bedienen und zu warten
• Kostengünstig und kompakt
• Führt Anweisungen schneller aus
• Befehlszyklus-Timer
• Unterstützt die Erweiterung mit RAM, ROM und E/A-Peripheriegeräten

Hier ist eine Liste der Nachteile von Mikrocontrollern:

• Komplexe Architektur
• Nicht geeignet für High-Performance-Geräte aufgrund langsamer Geschwindigkeit
• Führt nur eine begrenzte Anzahl von Funktionen gleichzeitig aus
• Wird in Mikrogeräten verwendet, die schwer zu handhaben sind
• Nicht alle Mikrocontroller haben E/A-Peripheriegeräte
• Bestehen aus komplementärem Metalloxid-Halbleiter und sind anfällig für Schäden durch statische Aufladung

Vor- und Nachteile von Mikrocontrollern

Hier sind einige Vor- und Nachteile von Mikrocontrollern:

Vorteile:

• Funktioniert mit Batteriespeichern
• Geringer Stromverbrauch
• Häufig in Alltagsgeräten zu finden

Nachteile:

• Erfordert Schulung des Bedienpersonals, da sie für einen spezifischen Zweck entwickelt wurden
• Kein Zugriff auf den Programmspeicher

Nun werden wir die Unterschiede zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern sowie zwischen ICs und Mikroprozessoren erörtern.

Der Vergleich: Mikroprozessor vs. Mikrocontroller

Nachdem wir Mikroprozessoren und Mikrocontroller und ihre Eigenschaften kennengelernt haben, betrachten wir nun ihren Vergleich:

Mikroprozessor	Mikrocontroller
Hauptbestandteil des Computersystems	Bestandteil eines eingebetteten Systems
Besteht nur aus der Speichereinheit, daher werden zusätzlicher Speicher und E/A-Ports benötigt	Besteht aus einem Prozessor, sowie internem Speicher und E/A-Komponenten
Die Schaltung ist aufgrund der externen Komponenten groß	Die Schaltung ist aufgrund der internen Bauteile kleiner
Ist aufgrund seiner Ineffizienz nicht für kompakte Systeme geeignet	Kann effizient in kompakten Systemen verwendet werden
Die Gesamtsystemkosten sind hoch	Die Gesamtsystemkosten sind niedrig
Hoher Stromverbrauch, nicht geeignet für batteriebetriebene Geräte	Geringer Stromverbrauch, geeignet für batteriebetriebene Geräte
Kein Energiesparmodus	Verfügt über Energiesparmodi, wie z.B. Leerlauf- oder Energiesparmodus
Wird nur in Personalcomputern verwendet	Wird in Waschmaschinen, MP3-Playern, Taschenrechnern und Autos verwendet
Basiert auf der Von-Neumann-Architektur	Basiert auf der Harvard-Architektur
Arbeitet langsam, da jede Operation die Kommunikation mit externen Komponenten erfordert	Arbeitet schneller, da die Kommunikation aufgrund der internen Komponenten schnell ist
Komplex mit einer großen Anzahl von Anweisungen	Einfach mit wenigen Anweisungen
Wird für allgemeine Anwendungen verwendet	Wird für anwendungsspezifische Systeme verwendet
Kein RAM, ROM und andere E/A-Peripheriegeräte	Verfügt über einen Prozessor, RAM, ROM und andere Peripheriegeräte, die in einem Chip integriert sind
Systeme laufen mit sehr hoher Geschwindigkeit	Systeme laufen je nach Schaltung mit bis zu 200 MHz oder mehr
Geringere Anzahl von Registern, Operationen sind speicherbasiert	Mehr Register, erleichtern die Programmierung
Beispiele: INTEL 8085 und 8086	Beispiele: Altera, INTEL, NEC, Panasonic usw.

Dieser Vergleich verdeutlicht, dass der Mikroprozessor ein Teil des Mikrocontrollers ist, der zusätzlichen Speicher, einen E/A-Port und andere Peripheriegeräte wie Timer, Zähler, Analog-Digital-Wandler usw. umfasst. Der Mikroprozessor wird auch als Zentraleinheit (CPU) bezeichnet. Die CPU ist jedoch nicht die einzige Funktion des Mikroprozessors. Im Folgenden werden wir uns den Unterschied zwischen einem IC und einem Mikroprozessor ansehen.

Was ist eine Zentraleinheit (CPU)?

Die Zentraleinheit (CPU) gilt als das Gehirn des Computers und besteht aus Millionen von Transistoren. Der Mikroprozessor ist der Schaltkreis, der die CPU umgibt. Lassen Sie uns genauer untersuchen, was eine CPU ist.

Die Zentraleinheit (CPU) ist der wichtigste Teil eines Computersystems. Sie führt die Eingabe, Verarbeitung und Speicherung von Daten durch. Sie führt die Anweisungen aus, indem sie arithmetische, logische und Eingabe/Ausgabe-Operationen des Systems ausführt. Eine CPU wird oft fälschlicherweise mit der Hardware verwechselt, ist aber in Wirklichkeit ein einzelner Chip, der als Mikroprozessor bezeichnet wird. Die CPU führt ihre Operationen in vier Schritten aus:

• Abrufen
• Dekodieren
• Ausführen
• Zurückschreiben

Die CPU besteht aus einer Arithmetisch-logischen Einheit (ALU) und einer Steuereinheit (CU). Die ALU führt arithmetische und logische Operationen aus, während die CU Befehle aus dem Speicher abruft, dekodiert und ausführt.

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Der Unterschied zwischen Mikroprozessor und CPU

Nachdem wir nun den Unterschied zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern betrachtet haben, wollen wir uns den Unterschied zwischen Mikroprozessoren und CPUs ansehen. Ein Mikroprozessor integriert alle Funktionen einer CPU auf einem einzigen Chip, der als integrierte Schaltung (IC) bezeichnet wird. Darüber hinaus besteht er auch aus E/A- und Speicherzugriffsschaltungen. Dieser Chip empfängt Informationen, verarbeitet sie gemäß den Anweisungen und führt die Ausgabe in Binärsprache aus.

Mikroprozessor	Zentralprozessor (CPU)
Ist nur die zentrale Verarbeitungseinheit	Speicher und E/A sind zusammen integriert
Wird in Personalcomputern verwendet	Wird in eingebetteten Systemen verwendet
Besteht nicht aus RAM, ROM, E/A und anderen Peripheriegeräten	Verfügt über RAM, ROM und andere Peripheriegeräte, die in einem Chip integriert sind
Ein externes Medium wird verwendet, um RAM-, ROM- und E/A-Peripheriegeräte anzuschließen	Die CPU verwendet einen eingebauten Steuerbus
Komplexe Architektur, die eine große Anzahl von Anweisungen verarbeitet	Einfaches Design und erfordert die Verarbeitung einiger Anweisungen

Obwohl eine CPU als Mikroprozessor fungiert, sind nicht alle Mikroprozessoren CPUs. Ein Mikroprozessor umfasst neben der CPU noch andere Prozessoren, wie z.B. eine Grafikprozessoreinheit (GPU), eine Netzwerkverarbeitungseinheit (NPU) und eine Audioverarbeitungseinheit (APU). Soundkarten und Netzwerkkarten sind ebenfalls in Mikroprozessoren integriert. Bevor wir den Unterschied zwischen IC und Mikroprozessor verstehen, betrachten wir den IC im Detail.

Was ist ein integrierter Schaltkreis (IC)?

Ein integrierter Schaltkreis (IC) ist ein kleiner elektronischer Schaltkreis, der auf einem Halbleiterchip hergestellt wird. Einer der ersten ICs wurde in den 1970er Jahren entwickelt. Zu den Bestandteilen eines ICs gehören Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und Dioden. Darüber hinaus kann er als Verstärker, Mikroprozessor, Mikrocontroller, Oszillator, Timer, Zähler, Logikgatter und Computerspeicher dienen.

Hier sind einige Funktionen von ICs:

• Konstruktion und Verpackung: Sie bestehen aus Silizium und sind klein und zerbrechlich. Die Bestandteile werden mit Gold- und Aluminiumdrähten verbunden und in ein flaches Gehäuse aus Kunststoff oder Keramik gegossen.
• Größe eines ICs: Sie sind in Größen zwischen 1 mm² und 200 mm² erhältlich.
• IC-Integration: Integrierte Schaltungen werden so genannt, da sich verschiedene Komponenten in einem einzigen Chip zusammenfinden. So ist ein Mikrocontroller beispielsweise ein IC, der Speicher, Mikroprozessor, E/A-Ports und andere Peripheriegeräte in einem einzigen Bauteil vereint.

Im folgenden Abschnitt wird der Unterschied zwischen IC und Mikroprozessor erklärt.

Der Unterschied zwischen Mikroprozessor und IC

Nachdem wir die Unterschiede zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern beleuchtet haben, wird es Zeit, uns den Unterschied zwischen einem IC und einem Mikroprozessor anzusehen. Mikroprozessoren sind eine Art von IC. Sie sind komplex aufgebaut. Ein Mikroprozessor überträgt die Funktionen einer zentralen Verarbeitungseinheit auf einen einzelnen Chip. Er ist für Computeranwendungen konzipiert, während ICs Allzweckgeräte sind, die für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden können.

Mikroprozessoren bestehen aus allen Komponenten, die auch in einer integrierten Schaltung zu finden sind, einschließlich Speicher, CPU, E/A-Anschlüssen und ihren nichtflüchtigen Speichern RAM und ROM. Sie sind in der Lage, Software auf einem Computer auszuführen, ohne dass unterstützende Geräte erforderlich sind. Ein IC hingegen kann nicht autark funktionieren, da er die notwendigen Anweisungen nicht selbst speichert. Das ist der wesentliche Unterschied zwischen IC und Mikroprozessor.

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Wir hoffen, dass dieser Artikel die Unterschiede zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern sowie den Unterschied zwischen ICs und Mikroprozessoren ausreichend erklärt hat. Wir freuen uns über Fragen oder Anregungen zu Themen, über die wir weitere Artikel veröffentlichen sollen. Bitte teilen Sie uns Ihre Wünsche im Kommentarbereich mit.