Bit-Banging

Unter Bit-Banging versteht man eine Technik, die mittels Software und I/O-Leitungen eine Hardware-Schnittstelle emuliert, die gewöhnlich mit einem spezifischen Peripherie-Baustein realisiert wird. Auf einem PC können sowohl die serielle als auch die parallele Schnittstelle genutzt werden. Bei Mikrocontrollern nutzt man die I/O-Pins.

Das Bit-Banging-Verfahren kann dann sinnvoll sein, wenn eine bestimmte Schnittstelle nicht in Hardware vorhanden ist, z. B. hat kein Standard-PC ein SPI, oder wenn bei Mikrocontrollern eine Ressource bereits belegt ist. Besonders häufig dient Bit-Banging der Kosteneinsparung durch Ersetzen relativ teurer Peripheriebausteine.

Eine Vielzahl von Schnittstellen kann durch Bit-Banging emuliert werden. Hier einige Beispiele:

SPI, synchrone serielle Schnittstelle
UART, asynchrone serielle Schnittstelle – wird dann auch als „Software-UART“ bezeichnet
1-Wire, Eindraht-Schnittstelle
LC-Display (z. B. HD44780)
I²C, synchrone serielle Schnittstelle
Decodierung der Leitungscodes für TV-Fernbedienungen
Digital-Analog-Umsetzer, mittels PWM und RC-Siebglied

Entsprechend der Komplexität des Schnittstellen-Protokolls kommen unterschiedliche Methoden zum Einsatz. Die einfachste Art ist das Polling. Der Prozessor fragt, so oft er kann, Änderungen an den I/O-Leitungen ab. Ist ein bestimmtes Zeitverhalten einzuhalten, benutzt man Warteschleifen oder Timer-Funktionen. Die Nutzung der Interrupt-Leitungen reduziert weiter die Prozessorauslastung. Speziell zur Erzeugung eines PWM-Signals dienen häufig die direkten Timer-Ausgänge. Trickreich ist die Aufwertung einer einfacheren Schnittstelle zu einem komplexen Protokoll.

Nachteile des Bit-Bangings sind die hohe Prozessorauslastung, der erhöhte Softwareaufwand und meist starkes Jitter beim Zeitverhalten. Einige Schnittstellen, etwa SPI, sind dagegen immun, andere, etwa UART, haben strikte Zeitforderungen.

Programmbeispiel in C

Im folgenden Fragment in der Programmiersprache C ist der Sendeteil einer synchronen seriellen Schnittstelle (SPI) mittels Bit-Banging dargestellt. Die I/O-Pins sind als SD_CS (Chip Select), SD_DI (Data) und als SD_CLK (Clock) bezeichnet.

<syntaxhighlight lang="C"> // transmit byte serially, MSB first void send_8bit_serial_data(unsigned char data) {

  int i;

  // select device
  output_high(SD_CS);

  // send bits 7..0
  for (i = 0; i < 8; i++)
  {
      // consider leftmost bit
      // set line high if bit is 1, low if bit is 0
      if (data & 0x80)
          output_high(SD_DI);
      else
          output_low(SD_DI);

      // pulse clock to indicate that bit value should be read
      output_low(SD_CLK);
      delay();
      output_high(SD_CLK);

      // shift byte left so next bit will be leftmost
      data <<= 1;
  }

  // deselect device
  output_low(SD_CS);

} </syntaxhighlight>

Weblinks

Definition im elektronik.net-Lexikon
Herbert Valerio Riedel: <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />UART: A Software Implementation Approach. (Memento vom 22. Juli 2012 im Internet Archive) Diplomarbeit zum Thema, TU Wien.
mikrocontroller.net – DCF77-Funkuhr