Um sistema microprocessado é composto por: Uma unidade central de processamento (CPU) Um conjunto de periféricos necessários o seu funcionamento

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2 Objetivo Conhecer as arquiteturas dos microcontroladores; Compreender e aplicar a programação em linguagem C nos microcontroladores; Conhecer e saber trabalhar com as entradas e saídas digitais; Conhecer e saber utilizar as interrupções; Compreender o funcionamento da comunicação serial e a utilização de PWM; Aprender a trabalhar com as principais ferramentas de programação e simulação; Conhecer e compreender a aplicação dos microcontroladores na automatização de processos industriais; Compreender o projeto de circuitos com microcontroladores. 2

3 Introdução Sistema Tradicional Microprocessado Um sistema microprocessado é composto por: Uma unidade central de processamento (CPU) Um conjunto de periféricos necessários o seu funcionamento Dentre este periféricos podemos destacar: Memória de dados Memória de programa Circuito de clock(sincronização das operações) Interfaces de entrada e saída 3

4 Introdução Os microcontroladores se diferemdos sistemas tradicionais por já integraremos periféricos dentro do próprio componente. 4

5 O que são Microcontroladores? Microcontroladores são circuitos integradosque possuem em seu interior todos os componentes necessários para o seu funcionamento dependendo unicamenteda fonte de alimentação externa. 5

6 O que são Microcontroladores? Pode-se dizer que microcontroladores são computadores de um único chip. Componentes de um microcontrolador típico 6

7 Quais as vantagens? A integração é a principal vantagem, pois agrega todos os periféricos em um único componente; Facilita a utilização; A construção das placas de circuitos são mais simples; O custo dos componentes e da produção diminui; Atualização do software, o que não e possível com circuitos analógicos ou digitais tradicionais. 7

8 Quais as Aplicações? Existem no mercado diversos tiposde microcontroladores que variam de modelo para modelo e também entre fabricantes. Principais características: Invólucro; Velocidade de processamento; Quantidade de memória; Tipos de periféricos. 8

9 Tipos de Microcontroladores 9

10 Quais as Aplicações? Os microcontroladores são utilizados em praticamente todos os dispositivos eletrônicos, como por exemplo: Central de alarme Teclado do computador Monitor Disco rígido de computador Relógio de pulso Máquina de lavar Forno micro-ondas 10

11 Quais as Aplicações? Os microcontroladores também são muito utilizados na indústria, como por exemplo: Válvula de controle Sensor inteligente Inversor Softstart Interface homem máquina (IHM) Controlador lógico programável (CLP) Balança 11

12 Quais as Aplicações? Aplicações de um Microcontrolador em um automóvel: 12

13 Principais Fabricantes Relação dos principais fabricantes do mercado: AMCC Atmel Cypress MicroSystems Freescale Semiconductor Fujitsu Holtek Intel Microchip Technology National Semiconductor NXP(Philips Semiconductors) NEC Parallax Renesas Tech. Corp. STMicroelectronics Silicon Laboratories Texas Instruments Western Design Center ZiLOG 13

14 Principais Fabricantes É importante salientar que estes são apenas os fabricantes.cada um possui diversas famíliasde microcontroladores e cada família possui dezenas de componentesdiferentes. 14

15 Registradores Os registradores são a base para o funcionamento de qualquer CPU e de alguns tipos de memórias. São formados por um grupo de elementos (flip-flops, por exemplo). O que torna os registradores tão especiais é a capacidade que eles tem de armazenar informações. Por isso tem uma importância muito grande no que diz respeito aos microcontroladores. O tamanho dos registradores é determinado pelo número de bits que podem armazenar. 15

16 Registradores Registrador simples para palavras de quatro bits. Os microcontroladores mais comuns armazenam dados em registradores de 8 bits (microcontroladores de 8 bit). Isso significa que cada registrador de 8 bits pode armazenar valores de 0 a 255 (8 bits 2^8 = 256 números). 16

17 Memórias Já vimos que através de dispositivos eletrônicos como os registradores, podemos armazenar uma palavra de n bits. Memórias são dispositivos utilizados para armazenar palavras binárias na ordem de centenas de milhares. Podem-se utilizar flip-flops para o armazenamento em memórias ou outro dispositivo qualquer que sirva para este fim. 17

18 Memórias Memória RAM (Random Access Memory) A memória RAM é uma memória de leitura e escrita, isto é, que pode ser gravada com um determinado valor e este valor pode ser posteriormente lido. Podemos acessar qualquer registrador desejado aleatoriamente para ler ou escrever uma palavra. A memória RAM comum necessita de alimentação elétrica para manter a integridade de seus dados. É por este motivo, pertencente ao grupo de memórias voláteis. 18

19 Memórias Memória RAM (Random Access Memory) Quanto à sua construção, as memórias RAM podem ser de dois tipos básicos: estática ou dinâmica. Na memória RAM estática (SRAM), os bits são armazenados em flip-flops individuais e permanecem armazenados indefinidamente enquanto o circuito possuir alimentação. A memória RAM dinâmica (DRAM) armazena os bits através de carga em diminutos capacitores. 19

20 Memórias Memória RAM (Random Access Memory) Como um capacitor deste tipo ocupa muito menos espaço que um flip-flop em um CI, a memória dinâmica resultante é bem mais compacta que a estática. Em compensação, o bit em um capacitor permanece integro por apenas uma fração de tempo (aprox. 2 ms), devido as fugas de corrente. Para contornar este problema este tipo de memória deve ter um circuito auxiliarque verifique temporariamente os capacitores e os recarreguese for necessário. Esta operação é denominada refresh. 20

21 Memórias Memórias ROM (Read Only Memory) É um tipo de memória no qual podemos ler, mas não escrever. Os conteúdos são fixos e inalterados, sendo estabelecidos na hora da fabricação. Em uma ROM, os conteúdos não precisam ser alterados. Não necessita de flip-flop s ou dispositivos semelhantes. 21

22 Memórias Memórias ROM (Read Only Memory) Uma ROM na verdade nada mais é do que um conversor de códigoe pode ser construído a partir de dispositivos mais simples e baratos que as portas normalmente utilizadas. Existem algumas variáveis das memórias ROM: - ROM Programáveis (PROM) - ROM Programáveis e Apagáveis (EPROM/EEPROM) 22

23 Memórias Memórias ROM Programáveis (PROM) PROM são circuitos de ROM que permitem que o usuário estabeleça as informações que serão armazenadas, ao invés do fabricante. A gravação só pode ser feita uma única vez e não mais alterada. Normalmente a gravação é feita através da queima de elos fusíveis que determinam se a posição de memória conterá um ou zero. 23

24 Memórias Memórias ROM Programáveis e Apagáveis (EPROM/EEPROM) EPROM (Erasable Programmable ROM) Os dados são armazenados em dispositivos baseados em MOSFET s. Estes dispositivos fazem ou não a conexão (guardam bit um ou zero ) conforme haja ou não carga elétrica na porta do transistor. A programação é feita através de um programador de EPROM s. 24

25 Memórias Memórias ROM Programáveis e Apagáveis (EPROM/EEPROM) EPROM (Erasable Programmable ROM) Uma característica importante é a de que a exposição a luz ultravioleta forte (por aproximadamente 30 min.) permite a fuga das cargas, apagando a memória. O apagamento possibilita uma nova programação (gravação). 25

26 Memórias Memórias ROM Programáveis e Apagáveis (EPROM/EEPROM) EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) O processo para apagar pode ser feito eletricamente, facilitando assim o processo de alteração das informações armazenadas A memória flash é uma memória não-volátilmais moderna, derivada da EEPROM. Quando grandes quantidades de dados estáticos devem ser armazenados a memória flash é mais econômica do que os dispositivos tradicionais de EEPROM. 26

27 Memórias RAM x EEPROM Apesar das memórias EEPROM serem graváveis e apagáveis elas não são iguais as memórias RAM, pois as informações não são perdidas quando a energia é desligada. O tempo gasto para armazenar a informação nas memórias EEPROM é muito maior comparado a memória RAM. O número de gravações que se pode fazer na EEPROM é limitado. 27

28 O microprocessador é o coração de um microcontrolador. Para compreender o funcionamento de um microcontrolador é necessário primeiro compreender o funcionamento de um microprocessador. Embora todos os microprocessadores tenham suas peculiaridades, a maioria deles possui grande semelhança quanto a seu modo geral de funcionamento. A seguir é apresentado um diagrama de blocos que mostra a arquitetura básica do microprocessador. 28

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30 Registradores de propósito geral São registradores nomeados de Registrador A até Registrador D. O número destes registradores varia de um microprocessador para outro. Por exemplo, no AVR são 32 registradores de 8 bits, no Z80 são 16 de 8 bits, no 8051 são 8 registradores de 8 bits. A função destes registradores é armazenar os dados que estão sendo processados pelo microprocessador. 30

31 Registradores de propósito geral São registradores nomeados de Registrador A até Registrador D. O número destes registradores varia de um microprocessador para outro. Por exemplo, no AVR são 32 registradores de 8 bits, no Z80 são 16 de 8 bits, no 8051 são 8 registradores de 8 bits. A função destes registradores é armazenar os dados que estão sendo processados pelo microprocessador. 31

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33 Unidade Lógica Aritmética (ULA ou ALU) Essa unidade e o centrodo microprocessador. Ela possui somador, subtrator, multiplicador e divisor; operadores AND, OR e XOR bit a bit; incrementadore decrementador. Tudo integradoem uma única unidade. Portanto, todas as operações lógicas e aritméticas passam obrigatoriamentepor esta unidade. Em resumo, a ULA é uma "grande calculadora eletrônica. 33

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35 Unidade de Deslocamento Faz o deslocamento por um número específico de bits para esquerda ou para direita (bit shift). Deslocamentos podem ser interpretados como multiplicações ou divisões por potências de

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37 Registrador temporário Serve apenas para armazenar temporariamente um dos operadores da ULA. 37

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39 Acumulador É um registrador especial dedicado às operações envolvendo a ULA. Ele é um dos operandosenvolvidos nas operações da ULA e também é o registrador que recebe o resultado das operações. Assim como os registradores de propósito geral, admite transferência bidirecional. 39

40 Instruções de programação 40

41 Instruções de programação 41

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43 Program Counter(PC) É nesse registrador que o microprocessador guarda o endereço de memóriaque aponta para a instrução do programaque esta sendo executada. O microprocessador usa esse conteúdo para informar à memóriao endereço onde está a instrução, faz a leituradesta instrução e guardaa instrução lida no registrador de instrução. Logo após ter lidoa instrução o conteúdodo registrador PC é automaticamente incrementadopara que o microprocessador possa ler a próxima instrução. 43

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45 Registrador de Instrução É nesse registrador que o microprocessador guarda a instrução lida da memória para que possa ser decodificada e executada. 45

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47 Decodificador de Instrução e Unidade de Controle Quando uma instrução é lida da memória ela não passa de um byte qualquer. A instrução então passa por uma unidade com um número imenso de portas lógicas (decodificador) que geram os sinais de controle. Sinais de controle comandam não só os registradores, mas também todo o sistema. Pode-se dizer que esta unidade de controle é o cérebro de todo o sistema. 47

48 Arquitetura C.I.S.C. e R.I.S.C. C.I.S.C. Sigla para ComplexInstructionSet Computer, ou, em uma tradução literal, "Computador com um Conjunto Complexo de Instruções" É uma linha de arquitetura de processadores capaz de executar centenas de instruções (mais de 1500) complexas sendo extremamente versátil. Utilizada em processadores Intel e AMD. 48

49 Arquitetura C.I.S.C. e R.I.S.C. C.I.S.C. A vantagem da arquitetura CISC é que existe muitas instruções guardadas no próprio processador, o que facilita o trabalho dos programadores de linguagem de máquina. O fato de existirem muitas instruções reduz também o tamanho do código executável. Porém, do ponto de vista de velocidade de processamento, os CISCs têm algumas desvantagens em relação aos RISCs. 49

50 Arquitetura C.I.S.C. e R.I.S.C. R.I.S.C. Sigla para ReducedInstructionSet Computer; em português, "Computador com um conjunto reduzido de instruções. É uma linha de arquitetura de processadores que favorece um conjunto simples e pequeno de instruções(menos de 250). Utiliza em processadores PowerPC (da Apple, Motorola e IBM) e SPARC (SUN) 50

51 Arquitetura C.I.S.C. e R.I.S.C. R.I.S.C. Apesar do número reduzido de instruções, a grande vantagem da arquitetura RISC é a alta velocidade de processamento. A desvantagem é que os programas dos microprocessadores RISC são maiores. Atualmente vemos processadores híbridos, que são essencialmente processadores CISC, mas incorporam muitos recursos encontrados nos processadores RISC. 51

52 Arquitetura HARVARD e VON NEUMANN As arquiteturas Harvard e Von Neumann dizem respeito à forma como a memória é conectada ao microprocessador. 52

53 Arquitetura HARVARD e VON NEUMANN HARVARD Na arquitetura Harvard, há dois barramentos de endereços independentes e dois de dados também independentes. Memória de Programa Endereços Instruções CPU Memória de Dados Endereços Dados 53

54 Arquitetura HARVARD e VON NEUMANN HARVARD Enquanto um desses barramentos serve para a leitura de instruções de um programa, o outro serve para a leitura e escrita de dados. Com isso, é possível operar simultaneamente uma instrução e um byte de dados. Isso garante maior velocidade de processamento. 54

55 Arquitetura HARVARD e VON NEUMANN HARVARD Atualmente, os processadores de sinais digitais (DSP Digital Signal Processor) utilizam a arquitetura Harvard. DSPs são processadores especializados no processamento dos sinais em tempo real. 55

56 Arquitetura HARVARD e VON NEUMANN VON NEUMANN Na arquitetura Von Neumann, há apenas um barramento de dados e endereços. Memória de Programa Memória de Dados Endereços Dados Instruções CPU 56

57 Arquitetura HARVARD e VON NEUMANN VON NEUMANN Na arquitetura Von Neumann, há apenas um barramento de dados e endereços. Memória de Programa Memória de Dados Endereços Dados Instruções CPU 57

58 Arquitetura HARVARD e VON NEUMANN VON NEUMANN Neste caso, as instruçõesestão em uma faixa de endereços que ativa a memória que possui as instruções Já os dadosestão em outra faixa de endereços que ativa outra memória onde se pode ler e escrever os dados. 58

59 Arquitetura HARVARD e VON NEUMANN Comparando ambas, conclui-se que Harvard é mais veloz, mas exige mais um barramento. Pelo fato da Harvard possuir um barramento a mais, o custo de produção das placas é maior. Von Neumann utiliza apenas um barramento, mas não pode efetuar acessos simultâneos às memórias. O custo de produção é menor, porém o desempenho da Von Neumann também é menor. 59

60 Arquitetura HARVARD e VON NEUMANN Como exemplos podemos citar o computador pessoal que utiliza a arquitetura Von Neumann e os microcontroladores AVR que utilizam a arquitetura Harward. A arquitetura Harwardé bastante utilizada nos microcontroladores pelo fato das memórias estarem integradasno próprio componente, o que não acarreta em placas de circuito complexas com várias trilhas de endereçamento e dados. 60

61 Von Neumann (Serial) CISC Harward(Paralela) RISC Faz-se esta associação mas nem sempre ela é verdadeira. Para o processador com núcleo ARM7 a arquitetura é Von Neumann e RISC. 61

62 Microprocessadores x Microcontroladores Até agora foram estudados microcontroladores e microprocessadores, mas não foi discutida muito bem, qual a diferença entre eles. Microprocessadores são circuitos integrados que reúnem todos os componentes necessários para a execução dos comandos de um programa, mas não possuem memórias, nem dispositivos de entrada e saídaou circuito de clock. Microcontroladores por sua vez são circuitos integrados que possuem, além de um microprocessador, todos os requisitos para que o sistema possa funcionar sem a necessidade de componentes externos. 62

63 Microprocessadores x Microcontroladores Até agora foram estudados microcontroladores e microprocessadores, mas não foi discutida muito bem, qual a diferença entre eles. Microprocessadores são circuitos integrados que reúnem todos os componentes necessários para a execução dos comandos de um programa, mas não possuem memórias, nem dispositivos de entrada e saídaou circuito de clock. Microcontroladores por sua vez são circuitos integrados que possuem, além de um microprocessador, todos os requisitos para que o sistema possa funcionar sem a necessidade de componentes externos. 63

64 Microprocessadores x Microcontroladores Os microcontroladores possuem em seu interior: - Microprocessador (chamado de CPU) -As memórias de dados e programa - Circuito de clock - Temporizadores - Contadores - Geradores de pulso - Interfaces de entrada e saída -etc. 64