Ein kleiner Chip steckt voller Intelligenz

Erlangen - Ohne Computer läuft fast nichts mehr: Auch in vielen noch so kleinen Alltagsgegenständen stecken Rechner im Miniformat, etwa in Auto-Fernbedienungen oder Lichtschaltern. Wie diese Mini-Computer, auch Embedded Systems genannt, arbeiten, können Schüler der 9. bis 11. Klassen bei einem Ein-Tages-Praktikum am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen in Erlangen (IIS) erfahren. Unsere Praktikantin Alena Weigand war dabei.

Nehmen wir eine Mikrowelle. Sie steckt voller technischer Raffinessen: Eine Uhr zählt die Aufwärmzeit herunter, Schaltflächen leuchten, die Mikrowelle piept, wenn das Essen warm ist, und beim Türöffnen geht ein Licht an. Damit all das funktioniert, besitzt das Gerät ein Embedded System (ES). Dazu gehören all die Schalter, Relais und Lämpchen.

Der entscheidende Bestandteil ist ein Microcontroller. Das ist ein Chip, den man programmieren kann. Seminarleiter Oliver Scholz nennt ihn „das Gehirn“ des ES. Der Controller fragt die Infos ab (etwa: Welche Taste wurde wie lang gedrückt?) und fällt die Entscheidungen (etwa: piepen, Licht anschalten), die das ES dann ausführt.

„Embedded Systems sind kleine Helferlein im Alltag. Jeder von uns hat jeden Tag damit zu tun“, sagt Oliver Scholz, zum Beispiel in Handys, Druckern, mp3-Playern. Ihr Vorteil: Sie sind deutlich billiger als PCs und verbrauchen zum Teil weniger Strom als Batterien. Außerdem sind die Microcontroller einfach aufgebaut und deswegen vielseitig anwendbar. Durch eine Software werden sie an ihre Aufgabe im jeweiligen technischen Gerät angepasst.

Genau das probieren wir im Praktikum selbst aus – anhand einer digitalen Uhr. Auch sie funktioniert mit einem Microcontroller. Nach ein paar einfacheren Programmierübungen versuchen wir — mit einer Platine, einem LC-Display und einem Computer zum Programmieren bewaffnet — selbst eine Uhr zu programmieren. Und das ist gar nicht so einfach.

Jeder Sonderfall muss bedacht sein

Zunächst wollen wir Zahlen aufs Display bringen. Jede Ziffer setzt sich aus vielen einzelnen Balken zusammen; jeder Balken wiederum wird durch eine Zahl repräsentiert. Diese Zahlen tragen wir ins Programm ein, damit hinterher eine korrekte 5, 8 oder 3 aufleuchtet.

Nun benötigt unsere Uhr einen Zähler, der Sekunden, Minuten und Stunden mitzählt. Jedes Mal, wenn zum Beispiel 60 Sekunden überschritten werden, erhöht sich die Minutenzahl um eins. Das ist einfach. Es muss aber auch programmiert sein, dass der Zähler um 23:59:99 stoppt und die Zahlen wieder auf 00:00:00 springen.

Solche Besonderheiten werden schnell zu Stolperfallen: Oft ergeben sich Systemfehler, weil auf einmal ein Fall eintritt, für den es im Programm keinen Code gibt. Deswegen ist es entscheidend, dass der Programmierer alle Eventualitäten bedenkt. Und wenn doch etwas schiefgeht? Dann wird ein Software-Update entwickelt und aufgespielt. „So sind Fehler schnell und billig zu beheben, denn man muss die Geräte nicht erst öffnen“, erklärt Oliver Scholz.

An dem Ein-Tages-Praktikum nehmen etwa ebenso viele Mädchen wie Jungs teil – was mich durchaus überrascht. Viele sind durch Lehrer oder Freunde auf das Angebot aufmerksam geworden. Manche von ihnen haben neben Kenntnissen aus dem Informatikunterricht bereits Erfahrungen mit beispielsweise Java gesammelt.

Knopfdruch wird digitalisiert

Das ist zwar keine Voraussetzung fürs Praktikum, kann aber nützen – denn als nächstes programmieren wir für unsere Uhr die Funktion des Zeiteinstellens. Dazu brauchen wir einen Analogeingang. Er wandelt die per Knopfdruck manuell eingegebenen Signale in digitale Signale um. Dank derer aktiviert der Microcontroller einen anderer Teil des Programms. Außerdem ist zu programmieren, wie man den analogen Eingang bedient, damit die Zahlen schneller durchlaufen und die Uhr so gestellt wird.

Natürlich können wir das alles nicht innerhalb von vier Stunden Praktikum selbst schaffen. Das würde unsere Fähigkeiten und den Zeitrahmen überschreiten. Deswegen erhalten wir im Praktikum Programmschablonen, die wir je nach Aufgabenstellung ergänzen.

Schon das ist anspruchsvoll und lehrreich genug! Fazit: Wir alle konnten testen, ob das Berufsfeld Informatik zu uns passt. Und uns ist bewusst geworden, wie unglaublich viel Programmierarbeit hinter einer einfachen technischen Funktion steckt. Ab jetzt blicken wir mit anderen Augen auf Digitaluhr, Mikrowelle und Co.

Das IIS bietet verschiedene Programme für Schüler an. Infos auf: www.iis.fraunhofer.de/de/jobs/schueler.html