Bauteile der Digitaltechnik

In immer mehr Bereichen der Elektrotechnik lösen digitale Bauteile in Schaltungen ihre analogen Vorgänger ab. Die binäre Digitaltechnik arbeitet mit zwei logischen Zuständen. Diese können von den entsprechenden Bauteilen eingelesen, verarbeitet, ausgegeben oder gespeichert werden. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die typischen digitalen Bauelemente: Logikgatter, Mikroprozessoren, Mikrocontroller und Speicherbausteine.

Logikgatter

Logikgatter sind Bauelemente, die aus einem oder mehreren digitalen Eingangssignalen ein Ausgangssignal generieren. Das Signal bilden Spannungswerte. Die Höhe dieser ist abhängig von der verwendeten Technologie. Die Abhängigkeit des Ausgangssignals von den Eingängen wird auch als logische Verknüpfung bezeichnet. Das einfachste Logikgatter ist das NICHT-Gatter (engl. NOT). Es invertiert lediglich das Eingangssignal. Mit anderen Worten, ist das Eingangssignal „0“, so liefert der Ausgang „1“ und umgekehrt. Zwei weitere Logikgatter sind das UND-Gatter und das ODER-Gatter. Das Erstgenannte liefert am Ausgang ein „1“-Signal, wenn an beiden Eingängen ebenfalls ein „1“-Signal anliegt. Beim Zweitgenannten reicht ein „1“-Signal an einem der beiden Eingänge, um auch am Ausgang ein solches zu erhalten. Mit diesen drei logischen Operatoren lassen sich sämtliche Verknüpfungen realisieren. Ausgänge von solchen Bauteilen können auch mit den Eingängen von weiteren Gattern verbunden werden. Dadurch lassen sich vielseitige und komplexe Schaltungen realisieren.

Mikroprozessoren und Mikrocontroller

Ein Prozessor ist ein Rechenwerk, welches übergeordnete Befehle ausführt und dadurch einen Algorithmus abarbeitet. Die Recheneinheit ist meist frei programmierbar, sodass eine individuelle Abfolge von Befehlen einen Prozess, der meist Datenverarbeitung beinhaltet, vorantreibt.  Die Abgrenzung zum Mikrocontroller ist fließend und nicht eindeutig definiert, da auch häufig klassische Prozessoren mit zusätzlichen Bausteinen, wie beispielsweise Speicher und Schnittstellen, ausgestattet sind. Ein Mikrocontroller (auch µController, µC, MCU) ist ein Computersystem auf einem Chip. Auf dem Chip befinden sich neben der Recheneinheit meist auch ein Arbeits- und Programmspeicher sowie verschiedene Schnittstellen. Solche Mikrocontroller findet man in verschiedener Komplexität und Ausführung in den unterschiedlichsten elektronischen Geräten wie beispielsweise bei Waschmaschinen, Smartphones, Fernsehgeräten und Radios, aber auch in Steuergeräten bei Autos.

Um dem Mikrocontroller mitzuteilen, welche Aufgaben er zu erfüllen hat, muss er programmiert werden. Die Erstellung des Programmcodes erfolgt meist auf einem Desktop-Computer. Dieser beinhaltet die Befehlsfolge, welche notwendig ist, um die geforderten Aufgaben abarbeiten zu können. Der Programmcode ist ein Text, der nach bestimmten Regeln und mit bestimmten Schlüsselwörtern geschrieben ist. Die Programmiersprache definiert diese Richtlinien. Typische Programmiersprachen sind beispielsweise Assembler, C und C++. Nachdem der Programmcode in eine für den Mikrocontroller verständliche Sprache  aus Nullen und Einsen übersetzt wurde, kann damit das Bauteil mit einem passenden Programmiergerät programmiert werden.

Speicherelemente

Oftmals reicht der Speicher des Mikrocontrollers nicht aus. Abhilfe schaffen hier externe Speicherbausteine, wie sie beispielsweise von den Arbeitsspeichermodulen von Computern bekannt sind. Man unterscheidet zwischen flüchtigen und nichtflüchtigen Speichern. Erstere verlieren ihren Speicherinhalt nach Abschalten der Versorgungsspannung, während bei den Nichtflüchtigen die gespeicherte Information erhalten bleibt. Solche Bauteile besitzen unter anderem Adress- und Datenleitungen. Vereinfacht gesagt, geben die Adressleitungen den Speicherort an, an dem die auf den Datenleitungen liegenden Daten gespeichert werden sollen. Das Lesen von Daten erfolgt ähnlich: Die Adressleitung haben die Adresse des gewünschten Speicherorts, während die Datenleitungen die dort gespeicherte Information repräsentieren. Da diese Bauteile wesentlich komplexer sind, haben sie noch zusätzliche Steuerleitungen.

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