Ziel dieser Arbeit ist es, Funktion und Nutzen von Hardware-Abstraction-Layern zu erläutern und die Begrifflichkeit zu definieren.
In der Informatik ist die Interaktion zwischen Soft- und Hardware ein wichtiger Aspekt. Die Realisierung vieler Anwendungen und Dienste wäre ohne Zugriff auf die Funktionalität der Hardware unmöglich. Durch ihre spezifischen Details stellt die Implementierung der Hardware jedoch eine Hürde dar, die es zu überwinden gilt.
Aus Gründen der Effizienz und der Kostenminimierung ist es von Vorteil eine Trennung zwischen anwendungs- und hardwarenahem Code vorzunehmen, sodass Softwareentwickelnde sich strikt um den anwendungsnahen Teil kümmern können. Diese müssen die spezifischen Details der Hardware dabei nicht kennen. Zudem sollte sichergestellt werden, dass ein einmal funktionierender Code bei Portierung auf andere Systeme wiederverwendet werden kann, ohne diesen anpassen zu müssen.
Eine Lösung für dieses Problem bietet der Hardware-Abstraction-Layer (HAL), zu Deutsch Hardwareabstraktionsschicht, welche in diesem Assignment unter Anwendung in einem spezifischen Projekt erläutert wird.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung
- 1.1 Problemstellung
- 1.2 Ziel und Aufbau der Arbeit
- 2 Grundlagen und Definitionen
- 2.1 Arduino UNO
- 2.2 Register
- 2.3 Zeiger
- 2.4 Mikrocontroller und Mikroprozessoren
- 2.5 Aufbau einer Softwarearchitektur
- 2.6 Hardware-Abstraction-Layer
- 2.7 Hochsprache C
- 2.8 Pulsweitenmodulation
- 3 Mikrocontroller Atmega 328P
- 3.1 GPIO (General-Purpose Input/Output)
- 3.2 Timer
- 3.3 Interrupt
- 3.4 Oszillator
- 3.5 Analog Digital Converter (ADC)
- 3.6 Two Wire Interface (TWI)
- 3.7 Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter (USART)
- 3.8 Serial Pheripheral Interface (SPI)
- 4 Hardwaredesign des Kleinprojekts
- 5 Softwaredesign des Kleinprojekts
- 5.1 HAL 1 GPIO.h
- 5.2 HAL 3 Segment.h
- 5.3 HAL 2 FastPWM_8Bit.h
- 5.4 Zahlenstellenrechner.h/Zahlenstellenrechner.c
- 5.5 Main.c
- 6 Kompilieren und Übertragen (flashen) des Programmcodes
- 7 Funktionstest
- 8 Dokumentationstool der Software
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Arbeit erläutert die Funktion und den Nutzen von Hardware-Abstraction-Layern (HALs) und deren praktische Anwendung in einem Kleinprojekt auf dem Arduino UNO. Das Projekt steuert zwei LEDs mittels Pulsweitenmodulation (PWM) an und visualisiert die Helligkeitsstufen über Segmentanzeigen. Der Zugriff auf die Hardware erfolgt über HALs, um anwendungsnahen Code von hardwarenahem Code zu trennen.
- Funktionsweise und Nutzen von Hardware-Abstraction-Layern
- Implementierung eines Kleinprojekts mit HALs auf dem Arduino UNO
- Architektur und Komponenten des Mikrocontrollers Atmega328P
- PWM-Steuerung von LEDs
- Visualisierung von Daten über Segmentanzeigen
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1 beschreibt die Problemstellung (PWM-Steuerung von LEDs mit Visualisierung der Helligkeitsstufen) und die Ziele der Arbeit (Erläuterung von HALs und deren praktische Umsetzung). Kapitel 2 führt in die relevanten Grundlagen ein, darunter Arduino UNO, Register, Zeiger, Mikrocontrollerarchitekturen, Softwarearchitekturen und PWM. Kapitel 3 beschreibt den Mikrocontroller Atmega328P und dessen Peripheriemodule. Kapitel 4 detailliert das Hardwaredesign des Projekts, inklusive der verwendeten Komponenten und deren Verschaltung. Kapitel 5 beschreibt das Softwaredesign, die Strukturierung in Schichten und Module, und die Implementierung der HALs für GPIO, Segmentanzeige und PWM. Kapitel 6 erläutert den Kompilier- und Übertragungsprozess des Programmcodes.
Schlüsselwörter
Arduino UNO, Atmega328P, Hardware-Abstraction-Layer (HAL), Pulsweitenmodulation (PWM), Segmentanzeige, GPIO, Timer, Interrupt, C-Programmierung, Mikrocontroller, Embedded Systems.
- Quote paper
- David Protzmann (Author), 2023, Hardware Abstraction Layer auf dem Arduino. Dimmbare LEDs mit Segmentanzeigen-Visualisierung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1502719
