🧩 1. Hochsprache (MicroPython)

print("Hallo Welt")

Das ist ein Benutzerbefehl auf hohem Abstraktionsniveau. print() ist eine vordefinierte Funktion in MicroPython, die auf ein Terminal oder eine serielle Konsole ausgibt.

🔩 2. Bytecode (interne Darstellung in MicroPython)

MicroPython ist ein Interpreter, der Python-Code nicht direkt in Maschinensprache, sondern zuerst in einen kompakten Bytecode übersetzt.

Beispielhafter Bytecode für print("Hallo Welt"):

LOAD_NAME 0 (print)

LOAD_CONST 1 ('Hallo Welt')

CALL_FUNCTION 1

Das bedeutet:

• Lade das Funktionsobjekt print auf den Stack
• Lade den String Hallo Welt
• Rufe print() mit 1 Argument auf

Dieser Bytecode wird nicht kompiliert, sondern vom sogenannten MicroPython VM (Virtual Machine Interpreter) interpretiert.

⚙️ 3. VM-Ausführung (MicroPython Virtual Machine)

Die VM ist in C geschrieben, z. B. auf dem Raspberry Pi Pico. Der Interpreter läuft Schleifen wie diese:

switch(opcode) {

case LOAD_NAME:

// Suche Symbol in Symboltabelle und pushe es auf den Stack

break;

case LOAD_CONST:

// Lade Konstantenwert und pushe ihn

break;

case CALL_FUNCTION:

// Hole Funktion und Argumente vom Stack, rufe C-Funktion auf

break;

}

Das heißt: Der C-Code in der Firmware des Pi Pico "versteht" die Bytecodes und ruft dann je nach Code die passende C-Funktion auf.

🧬 4. Bindings zu nativen Funktionen in C

Die print()-Funktion in MicroPython ist mit der internen C-Funktion mp_builtin_print() verbunden. Der Aufruf landet in etwa hier:

mp_obj_t mp_builtin_print(size_t n_args, const mp_obj_t *args, mp_map_t *kwargs) {

// Konvertiere Argumente zu Zeichenketten

// Führe low-level Ausgabe auf stdout (UART etc.) durch

}

Diese Funktion verwendet typischerweise mp_hal_stdout_tx_str(), um tatsächlich Zeichen an die serielle Schnittstelle zu senden.

📡 5. Hardware-nahe Ausgabe (z. B. UART-Treiber)

Die Ausgabe geht z. B. über UART0 beim Pico. Der Code könnte so aussehen:

void uart_tx_char(char c) {

while (!(UART0->FR & UART_FR_TXFF)) {

// Warte bis TX FIFO voll ist

}

UART0->DR = c;

}

Dieser C-Code schreibt ein einzelnes Zeichen in das Datenregister des UART-Peripherieblocks.

🧮 6. Maschinencode

Der obige C-Code wird beim Kompilieren in ARM-Maschinencode (z. B. Thumb-Befehlssatz auf dem RP2040) übersetzt. Beispiel (vereinfacht):

LDR r1, =UART0_DR

STRB r0, [r1] ; Schreibe Zeichen r0 an Adresse UART0_DR

Dies ist die tatsächliche Maschinensprache – sie läuft auf dem Mikrocontroller-Prozessor.

🧊 7. Physikalische Umsetzung

• Das Schreiben in UART0->DR löst im UART-Peripherieblock des RP2040 eine Übertragung über GPIO0/1 (TX/RX) aus.
• Die Bits werden mit 3.3V-Pegel, asynchron, 9600 bps (z. B.) als serielles Signal ausgegeben.

🔁 Fazit: Vom print() zum Signal

Hier ist das Schaubild im PNG-Format.

Um den Befehl printf("Hallo Welt\n"); bzw. dessen Funktionalität in Assembler direkt auf dem Raspberry Pi Pico (RP2040) auszuführen, muss man den Textausgabeprozess selbst übernehmen, da es kein printf in Assembler gibt.

Ich zeige wie man in ARM Thumb-Assembler eine Zeichenkette per UART0 ausgeben kann – also funktional dasselbe tut wie printf("Hallo Welt\n").

🧰 Voraussetzungen

• Toolchain: arm-none-eabi-as, ld, objcopy, oder Nutzung von pico-sdk mit Inline-Assembler
• UART0 ist bereits initialisiert (Baudrate, GPIO, etc.)
• Zeichen sollen einzeln an das UART Data Register geschickt werden (UART0->DR)

🧮 Beispiel: „Hallo Welt“ in Assembler (RP2040, UART0, Thumb2)

.syntax unified

.cpu cortex-m0plus

.thumb

.global _start

_start:

ldr r0, =hello @ Adresse der Zeichenkette laden

next_char:

ldrb r1, [r0], #1 @ Lade nächstes Zeichen, erhöhe Adresse

cmp r1, #0 @ Nullterminierung erreicht?

beq done

wait_uart:

ldr r2, =0x40034018 @ UART0 FR (Flag Register)

ldr r3, [r2]

tst r3, #0x20 @ TXFF (Transmit FIFO Full)?

bne wait_uart @ Falls voll: warten

send_uart:

ldr r2, =0x40034000 @ UART0 DR (Datenregister)

str r1, [r2] @ Zeichen senden

b next_char

done:

b done @ Endlosschleife

.data

hello:

.asciz "Hallo Welt\n"

📄 Erklärung

🛠️ Kompilieren und Ausführen

• Assemble:

• arm-none-eabi-as -mcpu=cortex-m0 -o hello.o hello.s

• Link (z. B. mit Startcode und Linkerskript):

• arm-none-eabi-ld -T pico.ld -o hello.elf hello.o

• In UF2 konvertieren (für Flash auf Pico):

• elf2uf2 hello.elf hello.uf2
• Auf den Pico kopieren:

Befehle in Microcode

prinzipieller Ablauf eines printf("Hallo Welt")-Befehls in Microcode-artiger Darstellung zeigen, wie sie in einem klassischen Prozessor mit Mikrobefehlseinheit (Microsequencer) vorkommen würde.

⚠️ Der RP2040 (Raspberry Pi Pico) hat einen ARM Cortex-M0+, der kein echtes Microcode-ROM verwendet wie z. B. Intel CISC-CPUs. Stattdessen wird alles direkt im Hardwired Control Logic ausgeführt. Dennoch ist es möglich, das Verhalten auf einer abstrakten Mikrocode-Ebene zu modellieren, wie es in klassischen Lehrwerken gezeigt wird.

🎯 Ziel: "Hallo Welt" über UART0 ausgeben – als Microcode-Modell

Der Maschinencode STRB r1, [r2] ist zur UART-Ausgabe geladen. Die Register sind vorbereitet:

• r1 enthält das aktuelle Zeichen (ASCII)
• r2 ist UART0_DR = 0x40034000 (UART-Datenregister)

🧠 Abstrakter Microcode für STRB r1, [r2]

➡️ In einem echten ARM Cortex-M0+ ist dies in festen Zustandsautomaten verschaltet, aber funktional entspricht das den Mikrooperationen.

🪛 Beispielhafter Mikrocode für eine einfache UART-Zeichenübertragung

T1: IR ← MEM[PC]; PC ← PC+2

T2: DECODE(IR) → [OP=STRB, R1=r1, R2=r2]

T3: MAR ← R2; MDR ← R1

T4: MEM[MAR] ← MDR

T5: GOTO FETCH

Diese Schritte wären auf einem klassischen Mikroprogrammierten Steuerwerk in ROM oder PLA gespeichert und durch einen Mikroadresszähler sequenziert.

📡 UART-Zugriff mikroprogrammiert (vereinfacht)

Wenn z. B. der Befehl uart_send(c) implementierst ist, sähe der Ablauf so aus:

WAIT_TX_READY:

BUS ← UART_FR

IF (BUS & 0x20) ≠ 0 THEN GOTO WAIT_TX_READY

SEND:

BUS ← R1

UART_DR ← BUS

GOTO NEXT

🧾 Zusammenfassung

• Realität auf dem RP2040: keine Mikroprogramme, sondern harte Verdrahtung („hardwired control“).
• Didaktisch: Mikrocode beschreibt, was intern passiert, auf einer Abstraktion zwischen Assembler und Steuerlogik.
• Man kann jedes Assemblerkommando – z. B. LDR, STR, ADD, MOV – in solche Mikrooperationen auflösen.
• Mit einem Simulator wie dem LC-3, SAP-1/SAP-2, oder einem didaktischen ARM-Modell (z. B. ARMv6-M trace) kann man das sogar visuell durchspielen.

🥇 1. Assembler (ARM Thumb-2)

• Schnellstmöglich, da direkt auf Maschinenebene
• Volle Kontrolle über Register, Speicher und Taktzyklen
• Ideal für Mikrobenchmarks, kritische IO oder DMA-Steuerung
• ❗ hoher Entwicklungsaufwand, kaum Portabilität

🥈 2. C / C++ mit -O3 / LTO / -march=armv6-m

• Sehr nah an Assembler – bei guter Optimierung oft 90–95 % so schnell
• Dank pico-sdk + hardware_xxx.h einfach einsetzbar
• Mit Inline-Assembler oder __attribute__((always_inline)) zusätzlich beschleunigbar
• Für fast alles geeignet, auch für strukturierte Projekte

💡 Mit handoptimierten C-Loops + DMA kann man teils Assembler schlagen in Realwelt-Szenarien.

🥉 3. Rust (mit #![no_std])

• Extrem schneller LLVM-Code, ähnlich C
• Null Overhead, gute Optimierung (z. B. Loop-unrolling, aggressive inlining)
• Sicherer als C, aber steile Lernkurve
• z. B. mit rp2040-hal, defmt, embedded-hal möglich

✅ In manchen Fällen sogar schneller als C, aber noch nicht getestet.

Weitere Optionen:

📌 Fazit