Arduino UNO: Board Anatomie: Unterschied zwischen den Versionen

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'''Autor:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]<br>
'''Autor:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]<br>


Abb. 1 zeigt die Hauptkomponenten des Arduino Uno R3.
Abb. 1 zeigt die Hauptkomponenten des Arduino Uno R3, bestehend aus:
* Anschluss für ein externes Netzgerät
* Spannungswandler
* 16&thinsp;MHz Takt-Quarz
* USB-Anschluss
* Reset-Taster
* USB-UART-Wandler
* Status-LED für <code>Tx</code>, <code>Rx</code> und <code>D13</code>
* SPI/ICSP-Anschlüsse
* 14 Digitale Ein- und Ausgänge
* 6 Analogeingänge
* Spannungsversorgungsanschlüsse
* 5&thinsp;V, 3,3&thinsp;V, GND Referenzpotential
* Atmel ATmega328 Mikrocontroller
 
Die Funktion der I/O-Pins wird in Tabelle 1 beschrieben.
 




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|+ style = "text-align: left"|Tabelle 1: Übersicht der I/O-Pins
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| '''RX, TX''' || Das sind die Sende- und Empfangspins der seriellen Schnittstelle ([https://de.wikipedia.org/wiki/Universal_Asynchronous_Receiver_Transmitter Universal AsynchronousReceiver Transmitter, UART]).
| <code>RX, TX</code> || Das sind die Sende- und Empfangspins der seriellen Schnittstelle ([https://de.wikipedia.org/wiki/Universal_Asynchronous_Receiver_Transmitter Universal AsynchronousReceiver Transmitter, UART]). Die Übertragungsgeschwindigkeit liegt zwischen 1200 und 115200 Baud.  
Bevor der USB-Bus erfunden wurde, waren beispielsweise Mäuse und Modems per serieller Schnittstelle mit dem PC verbunden. Die Übertragungsgeschwindigkeit liegt in der Regel zwischen 1200 und 115200 Baud. Heute spielt der UART nur noch im Entwicklerbereich eine Rolle.
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| '''SCL, SDA''' || Die zwei Pins gehören zum I<sup>2</sup>CBus (Inter IC Communication), über den der Arduino Daten mit Sensoren und anderer Elektronik austauschen kann. Im Unterschied zum UART gibt es nur eine Leitung für die Hin- und Rückrichtung (SDA, Serial Data), dank eines einheitlichen Protokolls und eines Taktsignals (SCL, Serial Clock) gibt es aber keine Konflikte auf dem Bus.
| <code>SCL, SDA</code> || Die zwei Pins gehören zum [https://de.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C I<sup>2</sup>C-Bus] (Inter IC Communication), über den der Arduino Daten mit Sensoren und anderer Elektronik austauschen kann. Im Unterschied zum UART gibt es nur eine Leitung für die Hin- und Rückrichtung (<code>SDA</code>, Serial Data), dank eines einheitlichen Protokolls und eines Taktsignals (<code>SCL</code>, Serial Clock) gibt es aber keine Konflikte auf dem Bus.
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| [[Datei:OpenCV.png]] || [https://opencv.org/ OpenCV] (englische Abk. für Open Computer Vision) ist eine freie Programmbibliothek mit Algorithmen für die Bildverarbeitung und Computer Vision. Sie ist für die Programmiersprachen C, C++, Python und Java geschrieben und steht als freie Software unter den Bedingungen der Apache 2 License.  
| <code>SPI</code> || Das [https://de.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface Serial Peripheral Interface] ist ein synchroner serieller Bus, mit Hin-, Rück- und Taktleitung. Beim Arduino dient er dem Datenaustausch mit Sensoren und Steuermodulen, aber auch der Programmierung seines Flash-Speichers mit einem speziellen Gerät. Standardmäßig arbeitet der SPI auf dem Arduino mit 4&thinsp;MHz.
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| [[Datei:Python_Logo.png]] || Im Gegensatz zu HTML, CSS und Javascript ist [https://www.python.org/ Python] eine Allzwecksprache, so dass es für verschiedene Arten der Programmierung verwendet werden kann, nicht nur für die Webentwicklung. Dies kann die Backend-Entwicklung, das Erstellen von Software und das Schreiben von Skripts umfassen.
| <code>Digital I/O<br> (PWM~)</code>|| Die digitalen Pins lassen sich jeweils als Ein- oder Ausgang programmieren. Arbeiten sie als Eingang, kann man dem Arduino mit einer Spannung von 0&thinsp;V eine logische 0 und mit 5&thinsp;V eine logische 1 von außen signalisieren, auf die er reagieren kann. Ist ein Pin als Ausgang konfiguriert, kann er per Programm seiner Umwelt oder weiterer Elektronik eine logische 1 oder eine logische 0 signalisieren. Daneben kann man die Ausgangsspannung von 5&thinsp;V auch direkt benutzen, um eine Leuchtdiode (LED) zum Leuchten zu bringen oder ein Relais zu schalten, das wiederum ein anderes Gerät mit Batterieversorgung oder gar mit Netzspannung anschaltet. <br>
Zu beachten ist, dass ein Ausgang als Dauerlast nur einen Strom von 20&thinsp;mA liefert, kurzzeitig auch bis zu 40&thinsp;mA. Darüber droht ein '''dauerhafter Schaden''' des Pins. Um das zu verhindern,
muss man den Strom mit einem Widerstand begrenzen. <br>
~: An diesen Pins kann eine [https://de.wikipedia.org/wiki/Pulsdauermodulation Pulsdauermodulation] (PWM) ausgegeben werden. Diese benötigt man bspw. zur Leistungssteuerung von LEDs oder zur Ansteuerung von Servo-Motoren.
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| <code>Analog In<br> (A0–A5)</code> || Da die Welt eben nicht nur schwarz (5&thinsp;V) und weiß (0&thinsp;V) ist, benötigt man noch eine Möglichkeit, Spannungen irgendwo dazwischen zu messen. Ein Analog-Digital-Wander wandelt, wie beim Mikrofon-Eingang am PC, analoge Signale in digitale Werte zwischen 0 und 1023 (10&thinsp;Bit). Der UNO hat eigentlich nur einen einzigen internen Wandler, mit einem eingebauten Umschalter kann er jedoch die einzelnen externen Eingänge auf den Eingang des A/D-Wandlers legen.<br>
Grundsätzlich lassen sich auch alle Analog-und Bus-Pins als I/O-Pins festlegen, sodass der Arduino UNO insgesamt 20 digitale Ein- und Ausgänge befehligen kann.
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| [[Datei:TensorRT_Logo.png]] || [https://developer.nvidia.com/tensorrt TensorRT] ist ein Framework für maschinelles Lernen. Es wurde von NVIDIA herausgegeben, um auf deren Hardware KI Algorithmen zu verwenden. TensorRT wurde optimiert um auf NVIDIA GPUs ausgeführt zu werden. Dies ist vermutlich der schnellste Weg Algorithmen auszuführen.
| <code>5&thinsp;V<br> 3,3&thinsp;V</code>|| Die beiden Pins dienen der Spannungsversorgung von Erweiterungsshields oder anderen elektronischen Komponenten.
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| [[Datei:Keras_Logo.png]] || [https://keras.io/ Keras] ermöglicht die schnelle Implementierung neuronaler Netzwerke für Anwendungen des Deep Learnings. Es handelt sich um eine Open-Source-Bibliothek, die in Python geschrieben ist und zusammen mit Frameworks wie TensorFlow oder Theano verwendet werden kann.
| <code>VIn</code> || Hier liegt die Spannung an, mit der der Arduino bei Verwendung eines externen Netzteils versorgt wird. Shields mit Motoren und anderen Verbrauchern mit höherem Spannungsbedarf benötigen diesen Pin.
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| [[Datei:PyTorch_Logo.png]] || [https://pytorch.org/ PyTorch] ist zur Zeit eines der populärsten Frameworks zur Entwicklung und zum Trainieren von neuronalen Netzwerken. Es zeichnet sich vor allem durch seine hohe Flexibilität und die Möglichkeit aus, Standard-Python-Debugger einzusetzen. Dabei müssen keinerlei Abstriche bezüglich der Trainingsperformance gemacht werden.
| <code>GND</code>||Das ist der gemeinsame Bezugspunkt beim Zusammenschalten von Komponenten mit dem Arduino. Man kann ihn sich vereinfacht wie den Minuspol einer Batterie vorstellen.
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| [[Datei:ROS2.png|80px]]||Das Robot Operatong System 2 (ROS2) ist der Nachfolger von ROS1, einem Open-Source-Software-Framework, das sich in den letzten Jahren zu einem der beliebtesten Prototyping-Plattformen für die Entwicklung von Robotern entwickelt hat.
| <code>AREF</code>||Die analogen Eingänge nehmen die Digitalisierung in Bezug auf eine bestimmte Spannung vor, standardmäßig 5&thinsp;V. Man kann aber auch durch eine externe Spannungsreferenz einen anderen Wert vorgeben. Liefert beispielsweise ein Sensor nur eine maximale Spannung von 1&thinsp;V, würde man bei <code>AREF = 5&thinsp;V</code> nur ein Fünftel des Wertebereichs (0–205) nutzen. Sinnvoller wäre, <code>AREF</code> mit einer Referenzspannung von 1&thinsp;V zu speisen.
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| <code>IOREF</code>||Damit signalisiert der Arduino einem Shield, mit welchem Spannungspegel er arbeitet. In der Regel spielt dieser Pin keine Rolle.
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| <code>Reset</code>||Neben dem manuellen Druck auf den Resetkopf kann auch eine externe Schaltung einen Neustart des Arduino auslösen.
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== Spezifikation ==
 
 
== Interner Aufbau ==
[[Datei:ATmega328P Blockdiagramm.jpg|thumb|rigth|500px|Abb. 2: Blockdiagramm des ATmega328P]]
Der Kern des Arduino ist der Mikrocontroller ATmega328 des Herstellers Atmel.
Seine Hauptmerkmale sind
{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
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| PC  || [https://www.arducam.com/nvidia-jetson-nano-b01-update-dual-camera/ NVIDIA® Jetson Nano™], PN: 3450 B01, 4&thinsp;GB 64-bit LPDDR4 @ 25.6 GB, 64-bit Quad-Core ARM A57, 472&thinsp;GFLOPS @5&thinsp;W, 128 NVIDIA CUDA® GPU
| Digitale I/O Pins || 14 (6 davon können eine PWM ausgeben)
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| Analog Input Pins || 6 (DIP) or 8 (SMD)
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| Gleichstrom pro I/O Pin || 40&thinsp;mA
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| Flash Memory || 32&thinsp;KB
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| SRAM || 2&thinsp;KB
|-  
| EEPROM || 1&thinsp;KB
|}
|}
Das Blockschaltbild des ATmega328 in Abb. 2 ist recht umfangreich, denn in dem kleinen IC sind viele Funktionen untergebracht, die früher
beispielsweise – abgesehen von der Videoausgabe – als einzelne Komponenten auf den Platinen der Heimcomputer oder auf den Mainboards der ersten PCs verbaut waren. Wenn man sich die einzelnen Blöcke in Ruhe anschaut, ergeben sich aber recht einfach die Zusammenhänge.
Zentrales System ist der 8-Bit-Prozessor ('''CPU'''), dem ein Arbeitsspeicher ('''SRAM''') für das
Ablegen von temporären Daten und ein Programmspeicher ('''Flash''') zur Seite gestellt sind. Aus dem 32&thinsp;KByte Flash liest die CPU die einzelnen Befehle des Programms (Sketch) nacheinander ein und führt sie aus. Ein sogenannter Programm Counter hilft ihr, sich die Speicheradresse zu merken, ab der der nächste Befehl dran ist. Wenn die CPU sich zwischendurch mal bestimmte Werte merken muss, legt sie diese in ihren internen Registern oder im 2&thinsp;KByte großen [https://de.wikipedia.org/wiki/Static_random-access_memory SRAM] ab – der Flash kann nämlich während des Betriebs nicht so ohne Weiteres Daten speichern.
Während das RAM beim Abschalten alle Daten verliert, behält der Flash jedoch sein Programm fest gespeichert wie ein USB-Stick. Um trotzdem auch mal während eines Programmlaufs
erzeugte Daten über das Abschalten hinwegzuretten, dient der [https://de.wikipedia.org/wiki/Electrically_Erasable_Programmable_Read-Only_Memory '''EEPROM''']. Das laufende Programm übergibt ihm Daten für die feste Speicherung, auf die es später nach jedem Anschalten
wieder zugreifen kann.
Dem aufmerksamen Lesenden wird an dieser Stelle der fundamentale Unterschied zum PC aufgefallen sein: Der PC kopiert seine Programme vor der Ausführung immer in seinen Arbeitsspeicher, um anschließend von dort die Befehle einzulesen. Dieses Konzept nennt sich Von-Neumann-Architektur, benannt nach dem Mathematiker John von Neumann. Das Konzept der getrennten Speicher wie beim ATmega nennt sich hingegen Harvard-Architektur.
Durch die Zuschaltung von Port-Bausteinen ('''PORT B, C, D''') wird der Mikroprozessor zum Mikrocontroller – weil er über die Ports nun seine Umwelt kontrollieren kann. Neben den bereits erwähnten Schnittstellen '''USART''', '''SPI''' und '''I<sup>2</sup>C''' (der heißt aus lizenzrechtlichen Gründen bei Atmel allerdings Two Wire Interface, kurz '''TWI''') gibt es noch mehrere Timer und Counter ('''T/C 0, 1, 2''') im ATmega. Sie helfen der CPU, Zeitspannen zu messen, etwa um Ausgänge mikrosekundengenau ein- beziehungsweise auszuschalten oder die Dauer extern anliegender Signale zu messen.<br>
Um die CPU gruppieren sich noch weitere Bausteine, die die zuverlässige Arbeit gewährleisten sollen. Bleibt ein Programm bei seinem Ablauf aus irgendeinem Grund hängen – viele kennen das bereits vom PC – kann der '''Watchdog''' den Controller neu starten und somitwieder auf die Spur bringen.
Einen ähnlichen Zweck hat die eingebaute Überwachung der Spannungsversorgung '''Power Supervision''': Sinkt die Spannung unter 4&thinsp;V, so kann dies die Logik des Controllers durcheinanderbringen, die anschließend unter Umständen mit falschen Daten weiterrechnet. Sicherheitshalber resetted die Überwachung den Controller – und zwar so lange, bis die Versorgungsspannung wieder auf einen für den zuverlässigen Betrieb geeigneten Wert gestiegen ist.
== Datenblätter ==
*[[Medium: ATmega328P Datasheet.pdf|ATmega328 (PDF)]]
*[[medium:A000066-datasheet.pdf|Arduino<sup>®</sup> UNO R3]]
== Weiterführende Links ==
* [https://docs.arduino.cc/tutorials/uno-rev3/board-anatomy Board-Anatomy]
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Aktuelle Version vom 27. Dezember 2022, 11:28 Uhr

Abb. 1: Arduino Uno R3

Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider

Abb. 1 zeigt die Hauptkomponenten des Arduino Uno R3, bestehend aus:

  • Anschluss für ein externes Netzgerät
  • Spannungswandler
  • 16 MHz Takt-Quarz
  • USB-Anschluss
  • Reset-Taster
  • USB-UART-Wandler
  • Status-LED für Tx, Rx und D13
  • SPI/ICSP-Anschlüsse
  • 14 Digitale Ein- und Ausgänge
  • 6 Analogeingänge
  • Spannungsversorgungsanschlüsse
  • 5 V, 3,3 V, GND Referenzpotential
  • Atmel ATmega328 Mikrocontroller

Die Funktion der I/O-Pins wird in Tabelle 1 beschrieben.


Tabelle 1: Übersicht der I/O-Pins
RX, TX Das sind die Sende- und Empfangspins der seriellen Schnittstelle (Universal AsynchronousReceiver Transmitter, UART). Die Übertragungsgeschwindigkeit liegt zwischen 1200 und 115200 Baud.
SCL, SDA Die zwei Pins gehören zum I2C-Bus (Inter IC Communication), über den der Arduino Daten mit Sensoren und anderer Elektronik austauschen kann. Im Unterschied zum UART gibt es nur eine Leitung für die Hin- und Rückrichtung (SDA, Serial Data), dank eines einheitlichen Protokolls und eines Taktsignals (SCL, Serial Clock) gibt es aber keine Konflikte auf dem Bus.
SPI Das Serial Peripheral Interface ist ein synchroner serieller Bus, mit Hin-, Rück- und Taktleitung. Beim Arduino dient er dem Datenaustausch mit Sensoren und Steuermodulen, aber auch der Programmierung seines Flash-Speichers mit einem speziellen Gerät. Standardmäßig arbeitet der SPI auf dem Arduino mit 4 MHz.
Digital I/O
(PWM~)
Die digitalen Pins lassen sich jeweils als Ein- oder Ausgang programmieren. Arbeiten sie als Eingang, kann man dem Arduino mit einer Spannung von 0 V eine logische 0 und mit 5 V eine logische 1 von außen signalisieren, auf die er reagieren kann. Ist ein Pin als Ausgang konfiguriert, kann er per Programm seiner Umwelt oder weiterer Elektronik eine logische 1 oder eine logische 0 signalisieren. Daneben kann man die Ausgangsspannung von 5 V auch direkt benutzen, um eine Leuchtdiode (LED) zum Leuchten zu bringen oder ein Relais zu schalten, das wiederum ein anderes Gerät mit Batterieversorgung oder gar mit Netzspannung anschaltet.

Zu beachten ist, dass ein Ausgang als Dauerlast nur einen Strom von 20 mA liefert, kurzzeitig auch bis zu 40 mA. Darüber droht ein dauerhafter Schaden des Pins. Um das zu verhindern, muss man den Strom mit einem Widerstand begrenzen.
~: An diesen Pins kann eine Pulsdauermodulation (PWM) ausgegeben werden. Diese benötigt man bspw. zur Leistungssteuerung von LEDs oder zur Ansteuerung von Servo-Motoren.

Analog In
(A0–A5)
Da die Welt eben nicht nur schwarz (5 V) und weiß (0 V) ist, benötigt man noch eine Möglichkeit, Spannungen irgendwo dazwischen zu messen. Ein Analog-Digital-Wander wandelt, wie beim Mikrofon-Eingang am PC, analoge Signale in digitale Werte zwischen 0 und 1023 (10 Bit). Der UNO hat eigentlich nur einen einzigen internen Wandler, mit einem eingebauten Umschalter kann er jedoch die einzelnen externen Eingänge auf den Eingang des A/D-Wandlers legen.

Grundsätzlich lassen sich auch alle Analog-und Bus-Pins als I/O-Pins festlegen, sodass der Arduino UNO insgesamt 20 digitale Ein- und Ausgänge befehligen kann.

5 V
3,3 V
Die beiden Pins dienen der Spannungsversorgung von Erweiterungsshields oder anderen elektronischen Komponenten.
VIn Hier liegt die Spannung an, mit der der Arduino bei Verwendung eines externen Netzteils versorgt wird. Shields mit Motoren und anderen Verbrauchern mit höherem Spannungsbedarf benötigen diesen Pin.
GND Das ist der gemeinsame Bezugspunkt beim Zusammenschalten von Komponenten mit dem Arduino. Man kann ihn sich vereinfacht wie den Minuspol einer Batterie vorstellen.
AREF Die analogen Eingänge nehmen die Digitalisierung in Bezug auf eine bestimmte Spannung vor, standardmäßig 5 V. Man kann aber auch durch eine externe Spannungsreferenz einen anderen Wert vorgeben. Liefert beispielsweise ein Sensor nur eine maximale Spannung von 1 V, würde man bei AREF = 5 V nur ein Fünftel des Wertebereichs (0–205) nutzen. Sinnvoller wäre, AREF mit einer Referenzspannung von 1 V zu speisen.
IOREF Damit signalisiert der Arduino einem Shield, mit welchem Spannungspegel er arbeitet. In der Regel spielt dieser Pin keine Rolle.
Reset Neben dem manuellen Druck auf den Resetkopf kann auch eine externe Schaltung einen Neustart des Arduino auslösen.


Interner Aufbau

Abb. 2: Blockdiagramm des ATmega328P

Der Kern des Arduino ist der Mikrocontroller ATmega328 des Herstellers Atmel. Seine Hauptmerkmale sind

Digitale I/O Pins 14 (6 davon können eine PWM ausgeben)
Analog Input Pins 6 (DIP) or 8 (SMD)
Gleichstrom pro I/O Pin 40 mA
Flash Memory 32 KB
SRAM 2 KB
EEPROM 1 KB

Das Blockschaltbild des ATmega328 in Abb. 2 ist recht umfangreich, denn in dem kleinen IC sind viele Funktionen untergebracht, die früher beispielsweise – abgesehen von der Videoausgabe – als einzelne Komponenten auf den Platinen der Heimcomputer oder auf den Mainboards der ersten PCs verbaut waren. Wenn man sich die einzelnen Blöcke in Ruhe anschaut, ergeben sich aber recht einfach die Zusammenhänge.

Zentrales System ist der 8-Bit-Prozessor (CPU), dem ein Arbeitsspeicher (SRAM) für das Ablegen von temporären Daten und ein Programmspeicher (Flash) zur Seite gestellt sind. Aus dem 32 KByte Flash liest die CPU die einzelnen Befehle des Programms (Sketch) nacheinander ein und führt sie aus. Ein sogenannter Programm Counter hilft ihr, sich die Speicheradresse zu merken, ab der der nächste Befehl dran ist. Wenn die CPU sich zwischendurch mal bestimmte Werte merken muss, legt sie diese in ihren internen Registern oder im 2 KByte großen SRAM ab – der Flash kann nämlich während des Betriebs nicht so ohne Weiteres Daten speichern.

Während das RAM beim Abschalten alle Daten verliert, behält der Flash jedoch sein Programm fest gespeichert wie ein USB-Stick. Um trotzdem auch mal während eines Programmlaufs erzeugte Daten über das Abschalten hinwegzuretten, dient der EEPROM. Das laufende Programm übergibt ihm Daten für die feste Speicherung, auf die es später nach jedem Anschalten wieder zugreifen kann.

Dem aufmerksamen Lesenden wird an dieser Stelle der fundamentale Unterschied zum PC aufgefallen sein: Der PC kopiert seine Programme vor der Ausführung immer in seinen Arbeitsspeicher, um anschließend von dort die Befehle einzulesen. Dieses Konzept nennt sich Von-Neumann-Architektur, benannt nach dem Mathematiker John von Neumann. Das Konzept der getrennten Speicher wie beim ATmega nennt sich hingegen Harvard-Architektur.

Durch die Zuschaltung von Port-Bausteinen (PORT B, C, D) wird der Mikroprozessor zum Mikrocontroller – weil er über die Ports nun seine Umwelt kontrollieren kann. Neben den bereits erwähnten Schnittstellen USART, SPI und I2C (der heißt aus lizenzrechtlichen Gründen bei Atmel allerdings Two Wire Interface, kurz TWI) gibt es noch mehrere Timer und Counter (T/C 0, 1, 2) im ATmega. Sie helfen der CPU, Zeitspannen zu messen, etwa um Ausgänge mikrosekundengenau ein- beziehungsweise auszuschalten oder die Dauer extern anliegender Signale zu messen.
Um die CPU gruppieren sich noch weitere Bausteine, die die zuverlässige Arbeit gewährleisten sollen. Bleibt ein Programm bei seinem Ablauf aus irgendeinem Grund hängen – viele kennen das bereits vom PC – kann der Watchdog den Controller neu starten und somitwieder auf die Spur bringen.

Einen ähnlichen Zweck hat die eingebaute Überwachung der Spannungsversorgung Power Supervision: Sinkt die Spannung unter 4 V, so kann dies die Logik des Controllers durcheinanderbringen, die anschließend unter Umständen mit falschen Daten weiterrechnet. Sicherheitshalber resetted die Überwachung den Controller – und zwar so lange, bis die Versorgungsspannung wieder auf einen für den zuverlässigen Betrieb geeigneten Wert gestiegen ist.

Datenblätter

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