Introdução aos Sistemas de Microprocessadores

Transcrição

1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores 1 GENERALIDADES Um sistema utilizando microprocessadores é um sistema constituído por Microprocessador, memória, dispositivos de entradas e saídas e por barramentos que fazem a interligação das diferentes partes. Memória CPU Entrada/ Saída Figura: Sistema Básico utilizando microprocessador De realçar a existência de 3 barramentos: Endereços - unidireccional (só saída do CPU), Dados bidireccional (saída e entrada no CPU) Controlo - bidireccional, aqui poderão existir linhas de saída, linhas só de entrada só de entrada ou mesmo bidireccionais. Bits, Byte, Words, Address A unidade básica num sistema digital é o bit, que pode ter dois valores 0 ou 1. Um grupo de oito bits é designado um byte. Um grupo de 4 bits é designado nibble. O Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores - 1 -

2 tamanho da palavra num Processador é o numero de bits que esse processador pode processar simultaneamente. Este numero esta relacionado com o numero de linhas no barramento de dados. De um modo geral um barramento de dados de oito linhas indica que se trata de um processador de oito bits, há no entanto casos em que isto não é bem verdade, como o processador 80386SX. No interior dos microprocessadores existem registos que permitem armazenar dados temporariamente, para depois serem efectuadas operações sobre esses dados. Os registos são divididos em diversos grupos consoante a sua função, assim existem registos que são contadores, que podem ser incrementados ou decrementados de 1, conforme a instrução em causa. Um registo denominado PC (Program Counter) ou IC (Instruction Counter) que é utilizado pelo microprocessador para indicar a posição de memória (memória de programa) da próxima instrução a ser executada. O tamanho deste registo dá indicação do espaço de memória de programa que pode ser endereçada. Assim um PC de 16 bits pode endereçar 64K-bytes. Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores - 2 -

3 CPU (Central Processing Unit) O microprocessador contêm no seu interior contadores, registos e circuitos lógicos necessários para fazer o seu trabalho. O CPU é uma máquina de estados sequenciais e como tal requer um relógio para sincronizar as transições internas de um estado para outro. o numero de ciclos máquina necessários pelo CPU para realizar uma operação básica é denominado ciclo máquina. Existe uma entrada de RESET para colocar o CPU num estado inicial, em que se conhece o conteúdo dos seus registos de uma forma bem definida. Este pedido de reset é feito de várias formas. No power-up na ligação da alimentação é gerado um reset. Um equipamento que utilize sistemas deste tipo, pode funcionar ou não com intervenção humana, no caso de funcionar sem intervenção humana é necessário implementar mecanismos que permitam fazer a ele próprio o reset em caso de bloqueio (Crash do sistema). A isso chama-se Watch dog timer, que é um circuito que fica em espera um tempo pré-determinado para receber um sinal do CPU. Quando esse sinal do CPU chega dentro do período de espera o Watch-Dog faz um reset a esse tempo de espera. Se esse tempo de espera expirar então o Watch-Dog emite um sinal que faz o reset ao CPU. Instruções As instruções são comandos, codificados em números binários e guardados em memória que indicam ao CPU o que deve fazer. O principal papel do CPU é fazer o (Fetch), busca da instrução e executá-la. O endereço da próxima instrução é guardado num registo denominado PC (Program Counter). Quando é feito o reset ao Microprocessador, o PC deverá conter valores do endereço da primeira instrução a ser executada, em geral é o endereço 0000H. No decorrer da execução das instruções de programa o conteúdo do PC é automaticamente incrementado ou uma quantidade igual ao tamanho da instrução (em bytes), de modo a apontar para a próxima instrução a ser executada. Algumas instruções, caso de JUMP modificam o conteúdo do PC quando são executadas, outras instruções referem-se a operações de escrita/leitura em memória, operações aritméticas, boleanas,... O formato genérico de uma instrução é o OP-Code seguido de um ou mais operandos. O OP-Code indica ao CPU que tipo de operação se trata e os operandos especificam onde essa operação tem lugar. As instruções podem ser de diversos tamanhos, geralmente são múltiplos do Byte. Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores - 3 -

4 Acumuladores e Ponteiros O CPU contêm um ou mais acumulador com tamanho igual ao numero de bytes da palavra. Este é o principal registo de trabalho do CPU. O resultado de uma operação é deixado no Acumulador que por sua vez pode-se tornar no operando da próxima instrução. A entrada e saída de dados do CPU é feito por intermédio do Acumulador. ALU - Unidade Aritmética e lógica É nesta unidade que têm lugar as operações nos dados, tais como adição, subtracção, deslocamentos, operações lógicas, comparações... Flags e Program Status Existe um registo especial denominado PSW - Program Status Word- cujos bits denominam-se flags. As flags podem estar no estado de reset ou set respectivamente 0 ou 1, dependendo do resultado das operações no CPU. Há instruções que testam as flags fazendo depender do estado da flag a execução da instrução. Flags típicas são as de sinal, carry, zero e overflow. A flag refere-se em geral ao estado do acumulador pois a maior parte do trabalho do CPU é feito aí. A flag de sinal é bit mais significativo do acumulador depois de uma operação na ALU. Quando se trata de números com sinal o zero indica positivo e um 1 indica negativo. A flag de carry pode ser tratada como um bit extra do acumulador, qualquer operação cujo resultado exceda o conteúdo do acumulador de 1, automaticamente é colocado na flag de carry, de outro modo esta flag permanece a zero. A flag de overflow é colocada a 1, quando o resultado de uma operação aritmética em números com sinal provoca um erro no bit de sinal, esta flag indica a existência de um erro. A flag de zero é colocada a 1, quando o resultado de operação deixa os bits do acumulador a zero. Esta operação deve utilizar a ALU pois se forçarmos os bits do acumulador a zero não implica termos a flag de zero a 1. MEMÓRIA Ao conjunto de instruções que indicam ao CPU o que deve fazer denomina-se programa. O programa, as tabelas e dados são colocados em posições de memória muitas vezes no próprio CPU, e noutros casos são colocados em posições de memória externa (caso mais comum). Os dispositivos são classificados em 2 tipos básicos: ROM (Read Only Memory) e RAM (Random Acess Memory). O 8051 possui ambos os tipos de memória. ROM As memórias ROM para serem escritas (gravadas) necessitam de um programador próprio. Algumas ROM só podem ser escritas uma vez casos das PROM, as EPROM podem ser escritas e apagadas várias vezes (radiação ultravioleta). Os programas armazenados em ROM, denominam-se Firmware, termo derivado dos termos Software e Hardware, é o software permanentemente embebido em hardware. RAM Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores - 4 -

5 Este é o termo indicado para indicar um dispositivo de memória que pode ser lido ou escrito pelo CPU. O termo Read/Write Memory significa o mesmo que RAM. Estas memórias quando se desliga a alimentação externa perdem os dados que estão lá armazenados, para as tornar dispositivos não voláteis pode-se utilizar uma bateria de Backup. A bateria é ligada de modo que durante o funcionamento a memória é alimentada pela alimentação do sistema e na falha de alimentação é pela bateria de Backup. As memória RAM dividem-se fundamentalmente em dois grupos, RAM estática e RAM dinâmica, esta divisão tem a ver com a tecnologia empregue no seu fabrico. RAM estática RAM dinâmica Pilha tempo de acesso Menor maior densidade menor maior refrescamento não sim preço mais cara mais barata Tabela: Mapa comparativo entre RAM estática e dinâmica. A RAM é utilizada para armazenar dados temporários, o CPU requer uma quantidade de memória RAM, a que se vai chamar pilha (Stack) e ter um funcionamento próprio. A pilha tem um modo de funcionamento do tipo LIFO (Last In First Out) o ultimo elemento a entrar é o primeiro a sair. A pilha é acedida sequencialmente pelo CPU utilizando um registo de endereço denominado Stack Pointer (SP), que aponta sempre para o ultimo elemento da pilha. As instruções que trabalham directamente com a pilha são POP- retira elemento da pilha, PUSH- coloca elemento na pilha. Na memória do CPU é necessário reservar uma quantidade de espaço para a pilha e quando se trabalha com a pilha tem se levar em linha de conta o tamanho seleccionado de modo a que o sistema não entre em Crash por overflow da pilha. A instrução CALL, utiliza a pilha indirectamente, esta instrução permite correr rotinas colocadas em diferentes zonas de memória, pela alteração do valor do PC (Program Counter) para o valor do endereço dessa rotina, neste caso o endereço de retorno ( ou seja o endereço da memória de programa a seguir à instrução CALL ) é colocado na pilha, no fim do código da rotina existe uma instrução RET que faz carregar o conteúdo do PC com o valor que está no topo da pilha, logo é preciso ter muito cuidado ao trabalhar com a pilha. Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores - 5 -

6 Velocidade de memória À velocidade de uma memória denomina-se tempo de acesso, e é o tempo que medeia entre o pedido de dados de uma posição de memória até que ele esteja presente na saída da memória, é um tempo máximo. Uma Rom, possui para além das linhas de dados e endereços, as linhas CS (Chip Select) e OE (Output Enable). CS e OE são normalmente activas a nível lógico zero, CS pode ser considerada como linha de endereço extra e OE controla as linhas de dados colocando-a no estado activo ou em alta-impedância. A linha CS é ligada por meio de um descodificador de endereços e OE é ligada à linha RD do CPU. No caso de RAM deverá existir uma linha denominada WE (Write Enable), que permite a escrita na memória, esta linha em geral é ligada à linha WR do CPU. Na utilização de memórias em sistema de Microprocessadores deve-se ter sempre em conta os diagramas temporais, do CPU e memórias de modo a que se possa garantir a leitura e escrita em memória pelo CPU. ENTRADAS E SAÍDAS Para que um sistema possa fazer uma aplicação prática é necessário que ele comunique com o exterior. Esses dispositivos denominam-se Dispositivos de Input/Output, interfaces de teclado, visores, leds, drivers... Portos e Mapeamento de memória O CPU liga com as E/S através de portos, que são ligações que consistem em grupos de linhas paralelas que entram e saem do CPU. A uma única linha denomina-se porto série. Os portos possuem endereços separados dos endereços de memória e instruções próprias para aceder a eles. Há sistemas que usam E/S mapeada por memória, onde neste caso os dispositivos de E/S, são tratados como localizações de memória, principal vantagem é que se pode utilizar todas as instruções que se utilizam para acesso à memória agora para os E/S. Interrupções Relacionado com a ideia de entrada e saída aparece o conceito de interrupção, que permite interromper a normal execução de um programa, por um dispositivo que precisa de trocar dados com o sistema. Pela activação de uma linha apropriada no CPU um dispositivo externo pode interromper o funcionamento do CPU e fazer saltar para a execução da respectiva rotina de serviço à interrupção(isr). VELOCIDADE Quando se compara a velocidade de dois sistemas de microprocessadores diferentes, existe a tendência para olhar para a frequência de relógio aplicada ao CPU, no entanto para a mesma aplicação um sistema com uma velocidade de relógio superior aplicada ao CPU, não é regra que corra essa aplicação mais rápido. Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores - 6 -

7 MICROCONTROLADORES Enquanto que os projectistas de microprocessadores procuram cada vez mais maior espaço de endereçamento e velocidades de processamento, um projectista de microcontroladores incide em integrar periféricos necessários para suportar um controlo rápido e eficiente num sistema embebido. De uma forma simplista é um circuito integrado que contem pelo menos os elementos para um funcionamento de sistema completo de computador. CPU, Memória, Oscilador entradas e saídas. Quase sempre os microcontroladores possuem componentes adicionais como: UART s, temporizadores, conversores... Arquitectura Básica CPU Um CPU, consiste em duas partes básicas A unidade de controlo e a unidade de execução. O CPU busca as instruções do programa a ser executado através do barramento de dados e endereços. As instruções são buscadas consecutivamente da memória de programa a menos que encontre instruções de salto ou chamadas de subrotinas. Uma vez lido o op-code da instrução a ser executada, a instrução espera no registo de instrução ou num pipeline até que a lógica de controlo do CPU esteja pronta para descodificar/processar a instrução. Esta é descodificada pela unidade de controlo que vai gerar sinais de controlo transmitidos À unidade de execução que produz as micro-operações necessárias à execução da instrução. A unidade de execução possui um conjunto de registos, unidades funcionais, ALU e barramentos internos que permite a interligação destas unidades. Instruções incluem : Instruções de transferência de dados que permitem mover dados de posições de memória para registos, de registos para posições de memória, entre posições de memória. Instruções que requerem a utilização das unidades funcionais do CPU, tais como deslocamentos, adição, subtracção, rotação e operações lógicas... Instruções que testem condições e saltos que vão fazer alterar o fluxo de execução de um programa. As instruções operam sobre dados que residem na memória ou em registos internos do CPU. Cada instrução tem um ou mais modos de endereçamentos, que especifica como os argumentos da instrução são referenciados. Os modos de endereçamento definem a flexibilidade eficiência e flexibilidade de um conjunto de instruções, Modos de endereçamento possíveis são: directo, indirecto, imediato, estendido, indexado, relativo, por registo... Microcontrolador: Processador central Memória Programa Microprocessador: Processador Central Diferentes integrados: Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores - 7 -

8 Memória Dados Entrada/Saída Grande integração Baixo custo Arquitecturas específicas Processador Central Memória Programa Memória Dados Entrada/Saída Performances elevadas Custo elevado Entender como a comparação entre um microcontrolador e um microprocessador, ajuda a clarificar a sua utilização num sistema embebido. A principal diferença entre um microcontrolador e um microprocessador é que o microprocessador contem só a parte de unidade central de processamento, enquanto que um microcontrolador tem memória dados e de programa, portas de Entrada/Saída e a unidade CPU. Os microprocessadores são utilizados muitas vezes quando é necessário um processamento maior e em que o custo e tamanho não é critério de selecção, pois os microprocessadores são dedicados a funções de CPU, podendo aumentar a velocidade de execução mas necessitam de hardware externo para funções de entrada e saída e memória. Os microprocessadores usados nos PC's, permitem a compatibilidade de software, e em que o mais importante são performances, compatibilidade, e flexíveis. Enquanto que os microcontroladores são projectados para minimizar o numero de integrados utilizados e o custo incluindo memória e dispositivos de entrada e Saída, em alguns casos o microcontrolador, tem os recursos todo necessários num único integrado (single chip application). O interface de hardware para ambos é bastante semelhante, em que o microprocessadores são mais flexíveis e os microcontroladores são mais compactos, podendo ser considerados um subconjunto dos microprocessadores. ARQUITECTURA DE µc/µp Arquitectura Von Neumann Uma só memória para: Programa Dados Flexível Utilizada nos PC s CPU Memória Programa e Dados Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores - 8 -

9 Figura: Arquitectura Van-Neumann Existem diferenças na arquitectura dos CPU s utilizados. Os sistemas que utilizam CPU s com uma arquitectura Van Neumann, que possuem uma única memória para programa e dados, permitem como será lógico uma maior flexibilidade na alocação de memória. A arquitectura Van Neumann, com uma só memória, requerem que todas as instruções e dados ocorram num mesmo interface físico. Este mecanismo é referido como Von Neumann bottleneck. Este tipo de arquitectura é o mais utilizado pelos chamados processadores de uso geral, como são o caso dos processadores utilizados nos PC s. A Arquitectura HARVARD Existe memória separada para: Dados Programa Vantagens Mais rápidos Existem transferencia s de duas maneiras 1. Busca da instrução 2. Transferência de dados Não executa dados Memória Programa CPU Memória Dados Figura: Arquitectura Harvard Os microcontroladores utilizam normalmente a arquitectura Harvard, que possui memórias separadas para dados e Programa. Uma vantagem para as aplicações embebidas é que nestes sistemas são necessários dois tipos de memórias: Memória Não-volátil (ou memória ROM), que não devem perder o seu conteúdo em caso de falha de alimentação. Memória Volátil de leitura /escrita normalmente designadas por RAM, estas perdem o se conteúdo em caso de falha de alimentação. Existem pois duas memória num sistema embebido, com o programa a ser executado a residir numa memória ROM e a memória de trabalho residente numa memória volátil RAM. Um dos potenciais desta arquitectura Harvard é que possibilita a utilização de interfaces distintos, permitindo o acesso em simultâneo às memórias, i.e. a busca da instrução ocorre em simultâneo com transferencias de dados. O problema é que o Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores - 9 -

10 barramento que a memórias são ligadas ao CPU com um único barramento o que limita o paralelismo a um único barramento. Como mencionado anteriormente os microprocessadores possuem somente a unidade central de processamento, enquanto os microcontroladores incluem memória e alguns periféricos( dispositivos de entrada/saída, UART s, memória...) Os periféricos tipicamente incluídos num microcontrolador são geralmente : Temporizadores Contadores Portas serie e paralelas Conversores Analógico/Digitais Estes periféricos incluídos em microcontroladores tem de uma forma geral menores performances que os dispositivos directamente dedicados para esse fim: Vantagens dos microcontroladores Menos dispositivos são necessários Menor custo e tamanho Baixo consumo Menos ligações (hardware simplificado) Mais portos de entrada / saída Principio K.I.S.S. Desvantagens dos microcontroladores Flexibilidade reduzida Expansão limitada Performances limitadas Limitação de portas de Entrada/saída Compromisso do projecto do hardware num único integrado. A existência do CPU, memória, funções de entrada e saída num único integrado. Tem varias vantagens: poucos integrados são necessários uma vez que todas as funções estão presentes num único dispositivos. Baixo custo e tamanho pequeno que resulta num projecto simples de hardware Baixo consumo pois o consumo para um único dispositivo é inferior à de várias cargas externas. Poucas ligações externas, pois maior parte dos periféricos são integrados a maior parte das linhas pode ser usada para entrada/saídas Mais pinos são disponíveis para o utilizador Menos possibilidades de avarias pois menos componentes são utilizados Principio K.I.S.S. - Keep It Simple Stupid. Claro que não são só vantagens, também existem desvantagens: Reduzida flexibilidade, pois não se pode alterar o que está construído dentro de um integrado. Expansão é limitada ou mesmo impossível Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores

11 Velocidade limitada inerente à utilização de um único dispositivo com vários periféricos integrados. Um outro modo de olhar para um sistema de computador é analisar as diversas translações que ocorrem desde o código de alto nível até aos sinais eléctricos, que são realmente o único modo de comunicação utilizado pelo hardware. Um computador podes ser dividido em várias camadas para permitir visualizar a sequência que acontece desde a instrução em alto-nível até à sua execução pelo Hardware. Figura: Conversão das instruções até aos sinais eléctricos. Os Conversores de linguagem, tais como compiladores e assemblers, permitem a conversão de linguagens de alto-nivel em código máquina de modo a que possa ser executado pelo processador. Figura: Diagrama de blocos de um sistema de microcontrolador Existem três grupos de sinais/barramentos que ligam o CPU aos outros componentes. São os Barramentos de Dados, de endereços e de controlo. A ligação entre o CPU, memória e dispositivos de entrada/saída e os barramentos de dados e endereços é geralmente uma ligação ponto a ponto. A parte mais complicada num projecto deste tipo é adaptar os diferentes sinais de controlo de modo a permitir a compatibilidade existente entre todos os dispositivos.. De uma forma geral os sinais de controlo são gerados pelo CPU, permitindo assim o controlo das transferencias de dados entre o CPU e memória, e entre o CPU e os diversos dispositivos de entrada/saída. Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores

12 O descodificador de endereços é responsável pela reconhecimento dos endereços de modo a seleccionar individualmente cada dispositivo ligado no barramento. As quatro principais transferencias de dados controlados pelo CPU são: 1. Leitura de memória- o cpu lê dados a partir de memória de dados 2. Escrita na memória de dados cpu escreve na memória de dados 3. Leitura de porto de I/O- o cpu lê de um porto de I/O 4. Escrita num porto I/O- o cpu escreve num porto I/O Figura: Ciclo de leitura/escrita em memória O descodificador de endereços e a lógica de controlo é a chave de todo este processo, que requer atenção especial à análise dos tempos de modo a garantir compatibilidade lógica e temporal entre os diferentes blocos. O diagrama temporal para um ciclo de leitura e de escrita é mostrado na figura 4. São mostrado dois ciclos, um de leitura de memória e de escrita em memória. Na leitura de memória, o processador coloca o endereço no barramento de endereços e activa a linha de controlo para leitura de memória, colocando-a a zero (Memory Read), o que permite seleccionar a posição de memória pretendida e colocar o seu conteúdo no barramento de dados de modo a poder ser lido pelo processador. Para o ciclo de escrita de memória, o processador coloca o endereço no barramento de endereços, o dado a ser escrito no barramento de dados e activa a linha de escrita na memória (Memory Write), o que faz com a posição de memória pretendida seja seleccionada e escrita com o valor anteriormente disponibilizado pelo cpu no bus de dados. Famílias de MCU Famílias de microcontroladores são grupos de MCU que partilham as mesmas facilidades básicas, tais como CPU, características eléctricas, temporizadores,..., mas que diferem na funcionalidade dos periféricos. Uma família partilha o mesmo software, ferramentas de desenvolvimento, mas diferem nas funcionalidades individuais como memória de I/O, numero de temporizadores, formato de embalagem. Os fabricantes oferecem um mapas comparativos das facilidades de cada modelo. Ferramentas de desenvolvimento Na maioria de sistemas de desenvolvimento para aplicações utilizando MCU, as ferramentas de desenvolvimento de hardware e software são de um modo geral Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores

13 diferentes, o desenvolvimento de uma aplicação é feito regra geral em paralelo como mostra a figura, embora como seja perceptível é necessário muitas vezes uma prévia definição do hardware para desenvolvimento de software. Os processos de desenvolvimento implicam o uso de várias ferramentas, estas facilitam a depuração do hardware e software. O mais básico conjunto de desenvolvimento consiste num placa de desenvolvimento que incorpora um CPU em que existe um interface com o mundo externo (por exemplo, portas de entrada/saída, conversores), um assembler e um simulador. Estes permitem ao projectista escrever o código e verificar como funciona. Existem ICE (In Circuit Emulator) são ferramentas que apoiam no desenvolvimento do software e Hardware. Vários fabricantes produzem ICE (In Circuit Emulator), que podem emular o funcionamento de MCU, estes normalmente são constituídos por uma placa que se coloca num PC, e depois tem um cabo com ficha própria que liga em vez do CPU no circuito, existem também emuladores de EPROM que substituem as eprom s e que facilitam num desenvolvimento do software de uma forma mais simples pois basta construir o programa e emulara a EPROM, sem necessidade de estar a gravar o código numa EPROM ou CPU, com ferramentas próprias. Para o desenvolvimento de pequenos projectos podemos utilizar versões evaluation das ferramentas de software que estão disponíveis nos web-site dos principais fabricantes destas ferramentas, sendo possível efectuar o seu download. Similarmente ferramentas de desenvolvimento tais como assemblers, debuggers e simuladores são quase sempre freeware estando disponíveis nos web-site dos fabricantes de microcontroladores. Estas versões permitem o desenvolvimento de pequenos projectos Documento preparado por: Rui Marcelino (rmarcel@ualg.pt) Junho de 2002 Referências: Capítulo 1 Introdução aos Sistemas de Microprocessadores