{"id":3164,"date":"2026-01-30T00:02:00","date_gmt":"2026-01-29T23:02:00","guid":{"rendered":"https:\/\/kunden.weissblaumedia.de\/microconsult\/2018\/06\/26\/rs_treiberprogrammierung\/"},"modified":"2026-06-17T13:16:36","modified_gmt":"2026-06-17T11:16:36","slug":"rs_driver_programming","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.microconsult.de\/en\/rs_treiberprogrammierung\/","title":{"rendered":"Modern low-level driver programming"},"content":{"rendered":"

CMSIS, MCAL und Co. \u2013 Low-Level-Treiber von der Stange<\/strong><\/h3>\n

Embedded-Systeme trifft man heute in vielen Bereichen an. Oft sind sie ein entscheidender Faktor f\u00fcr Komfort, Sicherheit, Nachhaltigkeit und Innovation. Der Anteil der Software in Embedded-Systemen steigt weiter an. Und auch die Hardware, ob Mikroprozessor mit externer Peripherie oder Mikrocontroller, wird immer komplexer. Multicore-Systeme sind bereits Realit\u00e4t, und immer mehr Hersteller bringen neue Multicore-Derivate auf den Markt. Diese komplexe Hardware selbst bis in das letzte Bit zu kennen \u2013 und zu programmieren \u2013 ist in der daf\u00fcr zur Verf\u00fcgung stehenden Zeit nicht mehr m\u00f6glich. Das macht eine Abstraktion der Hardware unumg\u00e4nglich.<\/strong><\/p>\n

<\/p>\n

F\u00fcr 8-Bit und 16-Bit Mikrocontroller lieferten f\u00fcr gew\u00f6hnlich die Hersteller von Bauteilen und Tools die Headerfiles, die Symboldefinitionen f\u00fcr alle Steuer-\/Status- und Arbeitsregister der Peripheriemodule enthielten. Nicht selten waren diese Dateien bei 16-Bit Mikrocontrollern schon mehrere tausend Zeilen lang, wie das folgende Beispiel mit insgesamt 12.000 Zeilen zeigt.<\/p>\n

\"Ausschnitt<\/p>\n

Abb. 1 Ausschnitt aus der Datei XE16xREGS.H [1]<\/em><\/p>\n

Komplexe 32-Bit (Singlecore\/Multicore-) Mikrocontroller enthalten Peripheriemodule, bei denen ein einzelnes Modul bereits mehrere hundert Steuer-\/Status- und Arbeitsregister zur Verf\u00fcgung stellt. Dazu gibt es h\u00e4ufig mehrere gleichartige Peripheriemodule in einem Baustein.<\/p>\n

Unterschiedliche Bausteinvarianten enthalten oft eine unterschiedliche Anzahl der jeweiligen Peripheriemodule des gleichen Typs. Die Anzahl der Register und der daf\u00fcr notwendigen Symboldefinitionen wird dadurch immer un\u00fcbersichtlicher.<\/p>\n

Hardware-Abstraktion<\/h4>\n

Anstelle dieser einzelnen Symboldefinitionen f\u00fcr jedes Peripherieregister kann der komplette Satz an Steuer-\/Status- und Arbeitsregistern eines Peripheriemoduls mit Hilfe einer C-Struktur abgebildet werden. Die Register eines Peripheriemoduls liegen hintereinander in einem festgelegten Adressraum \u2013 eventuell mit L\u00fccken dazwischen. Die Struktur bildet diese Register in der richtigen Reihenfolge und mit den L\u00fccken ab.<\/p>\n

\"Struktur<\/p>\n

Abb. 2 Struktur f\u00fcr das I2C-Modul eines STM32-Bausteins<\/em><\/p>\n

Um dieses Abbild der Peripherieregister f\u00fcr mehrere Module des gleichen Typs im Baustein mehrfach wiederverwenden zu k\u00f6nnen, wird zus\u00e4tzlich noch die Startadresse des jeweiligen Registerblocks ben\u00f6tigt.<\/p>\n

\"Basisadressen<\/p>\n

Abb. 3 Basisadressen verschiedener Peripheriemodule eines STM32-Bausteins<\/em><\/p>\n

Ein Zeiger auf den entsprechenden Strukturtyp wird auf die Basisadresse des Registerblocks gesetzt. Gibt es zwei oder mehr Module des gleichen Typs, gibt es auch zwei oder mehr Zeiger von diesem Typ. \u00dcber die Zeiger kann auf alle Elemente der zuvor definierten Struktur (Register des Peripheriemoduls) zugegriffen werden.<\/p>\n

\"Zeigerdefinition<\/p>\n

Abb. 4 Zeigerdefinition und Zugriff auf die Register des Typs I2C_TypeDef<\/em><\/p>\n

In diesem Beispiel wird der Zugriff auf die Peripherieregister direkt in der Applikation durchgef\u00fchrt. Der Nachteil dieser Art der Nutzung liegt auf der Hand: Jede \u00c4nderung und Erweiterung und insbesondere die Wiederverwendbarkeit der Applikation in anderen Systemen ist problematisch, da jede Codezeile in der gesamten Applikation \u00fcberpr\u00fcft und unter Umst\u00e4nden angepasst werden muss. Jede Codezeile kann einen Verweis auf Peripherieregister enthalten und muss deshalb f\u00fcr andere Bausteine oder andere Aufgabenstellungen ver\u00e4ndert oder entfernt werden.<\/p>\n

Der Applikationsprogrammierer muss au\u00dferdem wissen, was er mit den Peripherieregistern machen muss oder darf. Jeder lesende oder schreibende Zugriff auf eines der Register erfordert detaillierte Hardwarekenntnisse. Au\u00dferdem ist der Testaufwand sehr hoch, weil die gesamte Applikation direkt auf Register des Bausteins zugreift. Wer wann was und wie nutzt, muss bei jeder kleinen \u00c4nderung komplett neu getestet werden.<\/p>\n

Software-Schichtenmodell<\/h4>\n

Eine saubere Trennung zwischen Applikationscode und Low-Level-Treibercode dagegen hat viele Vorteile. Es entstehen zun\u00e4chst unabh\u00e4ngige Software-Schichten (Software Layer \u2013 Software-Subsysteme), die \u00fcber Schnittstellen kommunizieren, und die Subsysteme k\u00f6nnen getrennt voneinander entwickelt und getestet werden.<\/p>\n

Die obere Schicht kann auf die darunterliegende Schicht \u00fcber eine vordefinierte Schnittstelle (Interface) zugreifen. Dieses Interface ist in der Programmiersprache C nichts anderes als ein Headerfile. Allerdings darf die untere Schicht nicht auch \u00fcber ein Interface auf die obere Schicht zugreifen, das w\u00fcrde zu bidirektionalen Abh\u00e4ngigkeiten f\u00fchren. Der Zugriff von unten nach oben kann \u00fcber Callback realisiert werden. In der Programmiersprache C werden daf\u00fcr Funktionszeiger verwendet.<\/p>\n

Eine \u00c4nderung in einem der Subsysteme hat keine Auswirkung auf das andere Subsystem, sofern die Schnittstelle nicht ge\u00e4ndert wird.<\/p>\n

\"Software-Schichten-Modell:<\/p>\n

Abb. 5 Software-Schichten-Modell: 2-Schichten-Modell<\/em><\/p>\n

Aus Sicht der Applikation k\u00f6nnte jetzt der Austausch des Headerfiles und der darunterliegenden Low-Level-Treiberschicht gen\u00fcgen, um bei einem Bausteinwechsel ohne viel Aufwand mit der gleichen Applikation weiterarbeiten zu k\u00f6nnen. Aber so einfach ist es leider meist nicht. Denn die Namen und die Parameterschnittstellen der Funktionen der Low-Level-Treiberschicht sind oft komplett unterschiedlich definiert. Der Austausch alleine reicht deshalb in den meisten F\u00e4llen nicht aus. Alte Funktionsnamen m\u00fcssen in der Applikation ersetzt, die \u00dcbergabeparameterliste f\u00fcr jeden Aufruf \u00fcberpr\u00fcft und angepasst werden.<\/p>\n

Hat ein anderer Baustein ein spezielles Peripheriemodul vielleicht gar nicht direkt zur Verf\u00fcgung (z.B. I2C-Modul), muss es durch ein anderes Modul (z.B. SPI-Modul) emuliert werden. Dann m\u00fcssen ganz andere Funktionen f\u00fcr die Initialisierung und Nutzung dieses Moduls in die Applikation eingebaut werden, und das bedeutet wieder zus\u00e4tzlichen Zeitaufwand f\u00fcr die Implementierung und den Test.<\/p>\n

3-Schichten-Modell mit Low-Level-Treiberabstraktion<\/h4>\n

Und hier kommt das 3-Schichten-Modell ins Spiel. Zwischen die Low-Level-Treiberschicht und die Applikationsschicht wird noch eine Low-Level-Treiberabstraktionsschicht geschoben. Diese Schicht verbirgt f\u00fcr den Nutzer nach oben (die Applikation) die tats\u00e4chlich vorhandene Hardware – also ob zum Beispiel eine echte I2C-Schnittstelle in der Hardware zur Verf\u00fcgung steht oder ob diese \u00fcber eine andere serielle Schnittstelle emuliert werden muss.<\/p>\n

Die Applikation liefert die Parameter f\u00fcr die richtige Einstellung, die Abstraktionsschicht darunter gibt diese an die passende Low-Level-Treiberkomponente weiter. Nat\u00fcrlich muss bei einem Bausteinwechsel die Abstraktionsschicht entsprechend angepasst werden.<\/p>\n

\"Software-Schichten-Modell:<\/p>\n

Abb. 6 Software-Schichten-Modell: 3-Schichten-Modell<\/em><\/p>\n

Selbst schreiben oder fertigen Treiber nutzen?<\/h4>\n

Aber unabh\u00e4ngig davon ob 2- oder 3-Schichten-Modell, der Low-Level-Treiber wird in jedem Fall ben\u00f6tigt. Und die entscheidende Frage ist jetzt: selbst schreiben oder fertigen Treiber des Bausteinherstellers nutzen?<\/p>\n

Selbst schreiben bedeutet, dass es einen \u201eHardware-Experten\u201c geben muss, der die Funktionsweise der Peripheriemodule, die Register, die Bitfelder und Bits in den Registern genau kennt und die Initialisierung und Nutzung in die Programmiersprache umsetzt.<\/p>\n

Da es keine allgemein g\u00fcltigen Regeln (Namensregeln, Aufbau der Parameterschnittstelle etc.) gibt, kann die Umsetzung f\u00fcr jeden Baustein oder sogar f\u00fcr jedes Peripheriemodul vollkommen unterschiedlich aussehen, und die Abstraktionsschicht muss jeweils angepasst werden.<\/p>\n

\"Low-Level-Treiberfunktion<\/p>\n

Abb. 7 Low-Level-Treiberfunktion mit beliebigem Namen, keine Parameter<\/em><\/p>\n

Vorteile der \u201eTreiber von der Stange\u201c nutzen<\/h4>\n

Werden keine \u00dcbergabeparameter an Low-Level-Treiberinitialisierungsfunktionen geliefert, m\u00fcssen in der Funktion vorgegebene Werte f\u00fcr die Konfiguration verwendet werden. Das schr\u00e4nkt die Wiederverwendbarkeit sehr stark ein, weil f\u00fcr jede Art der Nutzung unterschiedliche Funktionen existieren m\u00fcssen.<\/p>\n

Um den Aufwand an dieser Stelle m\u00f6glichst klein zu halten, muss es Regeln geben, wie viele und welche Parameter in welcher Reihenfolge an diese Funktionen \u00fcbergeben werden. Au\u00dferdem ist es sinnvoll, die Funktionsnamen immer nach einem fest vorgegebenen Schema aufzubauen. Und das wiederum ist einer der Vorteile bei der Nutzung der \u201eTreiber von der Stange\u201c.<\/p>\n

Spezifikationen und Standards erleichtern Portierbarkeit und Wiederverwendbarkeit<\/h4>\n

Bausteinhersteller und Softwareanbieter schlie\u00dfen sich zusammen und definieren Schnittstellen f\u00fcr den Zugriff auf Peripheriemodule, Echtzeitbetriebssysteme und Middleware-Komponenten. Wird dann ein anderer Bausteintyp der Serie (zum Beispiel ein Cortex-Derivat) eingesetzt, kann die Applikation unver\u00e4ndert bleiben, und die Abstraktion muss nur mit kleineren bausteinspezifischen Anpassungen versehen werden.<\/p>\n

\"CMSIS-Schichtenmodell\"<\/p>\n

Abb. 8 \u00a0CMSIS-Schichtenmodell<\/em><\/p>\n

Die Standardisierung erleichtert also die Portierbarkeit und Wiederverwendbarkeit.<\/p>\n

Low-Level-Treiber vereinfachen Nutzung von Ressourcen<\/h4>\n

Die fertig implementierten Low-Level-Treiber der Bausteinhersteller vereinfachen die Nutzung der Bausteinressourcen. Nat\u00fcrlich muss der Nutzer immer noch wissen, was er mit welchem Baustein realisieren kann. Aber die Details dieser Realisierung, welches Register, Bitfeld oder Bit mit welchem Wert beschrieben werden muss, sind im fertig implementierten Treiber verborgen.<\/p>\n

\u00dcber eine Initialisierungsstruktur werden einzustellende Parameter an die Initialisierungsfunktion geliefert.<\/p>\n

\"Initialisierungsstruktur<\/p>\n

Abb. 9 Initialisierungsstruktur f\u00fcr ein I2C-Modul<\/em><\/p>\n

Die Applikation f\u00fcllt die Initialisierungsstruktur mit den einzustellenden Werten und gibt die Basisadresse des zu initialisierenden Moduls und die Adresse der Initialisierungsstruktur an die untere Schicht weiter. Der Aufruf der Low-Level-Treiberfunktion steht im folgenden Beispiel wieder direkt im Applikationscode.<\/p>\n

\"Initialisierungsstruktur<\/p>\n

Abb. 10 Initialisierungsstruktur und Aufruf der Initialisierungsfunktion<\/em><\/p>\n

Hardware Abstraction Layer hilft bei Initialisierung und Nutzung von Peripheriemodul<\/h4>\n

Die n\u00e4chste Abstraktionsebene w\u00e4re wieder die Trennung von Applikationscode und Low-Level-Treiberzugriffen. Der Applikationsschicht wird vom Hardware Abstraction Layer HAL eine Struktur zur Verf\u00fcgung gestellt, die alles enth\u00e4lt, was f\u00fcr die Initialisierung und Nutzung eines Peripheriemoduls ben\u00f6tigt wird. Das hei\u00dft, neben der Initialisierungsstruktur werden weitere Strukturen, von denen eine beispielsweise Funktionszeiger enth\u00e4lt, in die in der unteren Schicht die tats\u00e4chlich ben\u00f6tigten Funktionen des Low-Level-Treiber eingetragen. Die Applikation ruft man \u00fcber den Funktionszeiger auf und muss nicht mehr wissen, wer sich dahinter verbirgt.<\/p>\n

\"Applikation<\/p>\n

Abb. 11 Applikation mit Hardware Abstraction Layer \/HAL-Aufrufen<\/em><\/p>\n

Im HAL sind drei verschiedene Strukturen definiert. Sie stehen f\u00fcr die Initialisierung (Configuration \u2013 cfg), die Steuerung zur Laufzeit (Control \u2013 ctrl) und die verschiedenen Funktionsaufrufe (Application Programmers Interface \u2013 API) zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n

\"HAL-Struktur<\/p>\n

Abb. 12 HAL-Struktur mit Funktionszeigern<\/em><\/p>\n

Die verschiedenen Strukturen, die f\u00fcr die Nutzung eines Moduls zust\u00e4ndig sind, werden in einer umgebenden Struktur zusammengefasst.<\/p>\n

\"HAL-Struktur<\/p>\n

Abb. 13 HAL-Struktur mit Elementen vom Typ Struktur<\/em><\/p>\n

In kurzer Zeit zum lauff\u00e4higen System<\/h4>\n

Das detaillierte Knowhow steckt also im Low-Level-Treiber. Der Hardware Abstraction Layer verbirgt die Zugriffe auf diese untere Softwareschicht in Strukturen, und die Applikation muss nur noch die Art der Nutzung der Peripheriemodule festlegen.<\/p>\n

Darunter wird zwar die Effizienz (Laufzeit, Speicherplatzbedarf) leiden, aber die Wiederverwendbarkeit, \u00c4nderbarkeit und Portierbarkeit werden deutlich verbessert. Vor allem bei komplexen Systemen spielt das keine so gro\u00dfe Rolle mehr. Vielmehr gilt es, in m\u00f6glichst kurzer Zeit ein lauff\u00e4higes System zu entwickeln. Und dazu tragen fertige Low-Level-Treiber sicherlich bei.<\/p>\n

Zusammenfassung<\/h4>\n

Durch die saubere Trennung der Software in Subsysteme oder Schichten wird die Wiederverwendbarkeit und Austauschbarkeit der Hardware oder der Applikation deutlich verbessert. Die Nutzung fertig implementierter Low-Level-Treiber vereinfacht das Handling komplexer Bausteine. Es spart Zeit sowohl in der Entwicklungsphase als auch in der Vorbereitung bei der Einarbeitung in die Funktionalit\u00e4t des genutzten Bausteins.<\/p>\n

Ein Nachteil kann die Komplexit\u00e4t des entstandenen Softwaresystems sein. Speicherbedarf und Laufzeiten ver\u00e4ndern sich, deshalb muss in der Analysephase gekl\u00e4rt werden, was f\u00fcr das System wichtiger ist \u2013 Effizienz oder Wiederverwendbarkeit, Austauschbarkeit, Anpassbarkeit.<\/p>\n

Mehr Information<\/h4>\n

MicroConsult Training & Coaching zu Embedded- und Echtzeitprogrammierung<\/strong><\/a><\/p>\n

MicroConsult Fachwissen Embedded- und Echtzeit-Softwareentwicklung<\/strong><\/a><\/p>\n

Abk\u00fcrzungsverzeichnis<\/h4>\n

API \u2013 Application Programmers Interface
\nCMSIS \u2013 Cortex Microcontroller System Interface Standard
\nCMSIS-SVD \u2013 CMSIS System View Description
\nDAP \u2013 Debug Access Port
\nDSP \u2013 Digital Signal Processing
\nHAL \u2013 Hardware Abstraction Layer
\nLLD \u2013 Low Level Driver
\nMCAL \u2013 Microcontroller Abstraction Layer
\nRTOS \u2013 Real-Time Operating System<\/p>\n

Literatur- und Quellenverzeichnis<\/h4>\n

[1] Infineon XE16x Register Definition File, 28.07.2008
\n[2] ARM Embedded Software Development (CMSIS)<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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