Warum ein Arduino Pro Micro aus unserer Sicht besser ist als ein Arduino Nano V3 für SimHub.

1. USB-Controller-Architektur: Native vs. Bridged

Arduino Pro Micro (ATmega32U4):

• Integrierter USB 2.0 Full-Speed Controller im AVR-Core

• Direct Memory Access (DMA)-fähige USB-Endpunkte

• Hardware-Implementierung von USB-Protokollschichten (PHY, SIE - Serial Interface Engine)

• Der Prozessor selbst handelt USB-Transaktionen auf Hardware-Ebene

• Endpoint 0: Control (64 Byte), Endpoints 1-3: Interrupt/ Bulk/ Isochronous (je 64 Byte)

• USB Clock: Aus internem 16MHz RC-Oszillator oder von externem 16MHz Crystal über PLL

Arduino Nano (ATmega328P + CH340G/FT232RL):

• Zwei-Chip-Architektur mit USB-UART-Bridge

• CH340G implementiert USB Device Stack in eigener Hardware (dedizierter RISC-Core)

• Kommunikation zwischen Bridge und MCU über asynchrone serielle Schnittstelle (UART)

• Baudrate-Limit: Praktisch max. 2Mbps (CH340G) bzw. 3Mbps (FT232RL) bei 16MHz AVR

• USB-Latenz: ~1ms pro Bridge + ~1ms pro UART-Übertragung + AVR-Processing

2. USB Device Class Implementation

Pro Micro:

// Hardware-unterstützte USB HID Report Descriptor Implementation
const uint8_t HID_ReportDescriptor[] PROGMEM = {
    0x05, 0x01,        // USAGE_PAGE (Generic Desktop)
    0x09, 0x04,        // USAGE (Joystick)
    0xA1, 0x01,        // COLLECTION (Application)
    // ... Hardware-gesteuerte Report-Übertragung
};

• Native HID (Human Interface Device) Class Support in Hardware

• Polling Interval: Konfigurierbar bis 1ms (1000Hz)

• Report Size: Bis 64 Bytes pro Interrupt Transfer

• Keine Software-Overhead für USB-Protokollhandling

Nano:

• CDC/ACM (Communications Device Class) über Bridge

• Virtual COM Port (VCP) Emulation

• Flow Control: RTS/CTS auf UART-Ebene erforderlich für zuverlässige High-Speed-Übertragung

• Buffer Limitations: CH340G hat 128-Byte FIFO, FT232RL 384-Byte FIFO

3. SimHub-Kommunikationsprotokollanalyse

Pro Micro mit Native HID:

SimHub → USB Stack → HID Driver → Pro Micro (USB Interrupt)
     ↓
[USB Frame: SOF → IN Token → Data Packet → ACK]
     ↓
AVR: USBINT Interrupt → Endpoint Buffer Read → DMA to RAM
     ↓
Processing → HID Report Update → Endpoint ready for next poll

• Latency: < 125μs (1 USB Frame bei 8kHz)

• Jitter: < ±1μs (USB Synchronisierung)

• Throughput: 64 Bytes/ms = 512 kbps (theoretisch)

Nano mit Serial Bridge:

SimHub → USB Stack → COM Port Driver → CH340G USB Core
     ↓
CH340G: USB Bulk Transfer → UART FIFO → Serial Transmission
     ↓
[Start Bit + 8 Data Bits + Stop Bit] × N @ 115200 baud = 868μs pro Byte!
     ↓
AVR: UART RX Complete Interrupt → Buffer in RAM

• Latency: 2-10ms (abhängig von Baudrate und Buffering)

• Jitter: > 100μs (UART asynchron, OS Scheduler)

• Throughput bottleneck: UART-Schnittstelle

4. Timing- und Performance-Metriken

5. SimHub-Spezifische Optimierungen

Pro Micro Vorteile für Dashboards/Shaker:

1. PWM-Generierung ohne CPU-Last:

   cpp

// Hardware-PWM auf Timer1 (16-bit)
TCCR1A = _BV(COM1A1) | _BV(WGM11);
TCCR1B = _BV(WGM13) | _BV(WGM12) | _BV(CS10);
ICR1 = 4096; // 12-bit Resolution
OCR1A = value; // SimHub → HID → Direct PWM Update

1. • Update Rate: Bis 4kHz PWM bei 16MHz

   • Jitter: < 62.5ns (1 CPU Cycle)

2. ADC-Sampling für Analog Inputs:

   • 10-bit ADC mit 15kSPS

   • Free-running Mode mit DMA zu USB Endpoint

3. Encoder-Handling:

   • Pin Change Interrupts + Hardware Debouncing

   • Quadrature Decoding in Hardware (Timer2 Input Capture)

Nano Limitationen:

• Serial Protocol Overhead: 30-40% für Start/Stop/Parity Bits

• Flow Control Issues: RTS/CTS Implementation benötigt extra Pins

• Buffer Overruns: Bei >115200 baud wird UART-FIFO überlaufen

6. Elektrische/Elektronische Unterschiede

Pro Micro:

• USB D± Lines direkt an MCU (Series Resistors onboard)

• ESD Protection: TVS Diodes auf USB Data Lines

• Voltage Regulation: 5V → 3.3V LDO für USB PHY

Nano:

• Galvanic Isolation: Bridge isoliert MCU von USB-Bus (Fehlerschutz)

• Signal Integrity: CH340G hat bessere USB-Eye-Diagram Compliance

• Power Sequencing: Separate Power Domains (MCU kann unabhängig von USB laufen)

7. Debugging & Development

Pro Micro:

• USB DFU (Device Firmware Upgrade) Bootloader

• Caterina Bootloader: 4096 Byte, ermöglicht HID + Serial gleichzeitig

• USB Descriptor Debugging direkt über Endpoint 0

Nano:

• STK500 Protocol über Serial

• Bootloader: Optiboot (512 Byte)

• Keine gleichzeitige Kommunikation während Flash möglich

Technisches Fazit:

Die Überlegenheit des Pro Micro liegt in der Single-Chip-USB-Implementierung mit hardware-integriertem USB 2.0 Stack. Dies eliminiert:

1. Protokoll-Overhead der UART-Bridge

2. Scheduler-Latenzen im OS-COM-Port-Stack

3. Buffer-Copies zwischen Bridge und MCU

Für Echtzeit-Anwendungen wie SimHub, wo deterministische Latenz und hohe Update-Raten kritisch sind, ist die native USB-Architektur des ATmega32U4 systemisch überlegen. Die UART-Bottleneck-Architektur des Nano begrenzt die Performance auf serielle Geschwindigkeiten, während der Pro Micro volle USB 2.0 Bandbreite (12Mbps) mit hardware-unterstützten Protokollen nutzt.

In Zahlen: Der Pro Micro bietet ~10x niedrigere Latenz, ~50x höhere Polling-Rate und ~5x höheren Datendurchsatz für SimHub-Anwendungen gegenüber einem Nano mit typischer 115200 Baud Konfiguration.