ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E SISTEMAS DIGITAIS PCS LABORATÓRIO DE PROCESSADORES I

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1 ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E SISTEMAS DIGITAIS PCS LABORATÓRIO DE PROCESSADORES I PROGRAMAÇÃO DE MICROPROCESSADORES Autor: Prof. Dr. Carlos Eduardo Cugnasca Revisor: Prof. Dr. André Riyuiti Hirakawa 2006

2 \ Laboratório de Processadores I 2 LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO PARA MICROPROCESSADORES A constante evolução dos sistemas digitais e microprocessados tem proporcionado um decréscimo no custo do hardware e transferindo ao desenvolvimento de software a parcela mais significativa dos custos. Desta forma, o desenvolvimento de programas deve ser realizado de forma rápida, confiável, modular e portável. O desenvolvimento de programas para microprocessadores pode ser realizado utilizando-se basicamente dois tipos de linguagem. Os denominados Linguagem de Baixo Nível e Linguagem de Alto Nível. Para exemplificar os vários níveis de linguagem, é apresentada a seguir a implementação de um comando em várias linguagens: Linguagem Natural: Se X for maior que Y, faça Z igual a X; se não for, faça Z igual a Y. Linguagem de Alto Nível ( C ): If (X > Y) Then Z=X; Else Z=Y; Linguagem Assembly (8080): LDA Y LXI H,X CMP M JC CONT MOV A,M CONT:STA Z Linguagem de Máquina (8080): Código Hexadecimal 3A FF D3 00 BE DA E Como mostra o exemplo, a implementação do comando em Linguagem de Alto Nível é bastante próxima da Linguagem Natural, com notação compacta. Já a implementação em Linguagem Assembly requer o uso de uma série de instruções do microprocessador, exigindo maiores conhecimentos da sua estrutura e da linguagem. A Linguagem de Baixo Nível foi largamente empregada no início do desenvolvimento de projetos commicroprocessadores e, atualmente, é utilizada especificamente no desenvolvimento de sistemas de pequeno porte ou sistemas dedicados. Dentre as características que a tornam inadequada para o desenvolvimento de sistemas atuais, estão:

3 Laboratório de Processadores I 3 Instruções elementares, sendo necessária uma considerável quantidade delas para constituir um pequeno programa; Obriga o conhecimento pelo programador de detalhes de funcionamento do microprocessador, uma vez que, as instruções estão intimamente relacionadas com a estrutura interna do processador (conhecimento do comportamento dos flags, registradores, etc); Cada processador possui o seu próprio conjunto de instruções, não sendo possível o transporte de programas de um para outro (não portabilidade); Maior dificuldade associada à realização de testes e alterações. Complementando, as Linguagens de Alto Nível apresentam vantagens ao programador, e que são: facilidade de aprendizagem; forma mais eficiente e rápida de escrita de programas, descrevendo as tarefas com maior conveniência; sintaxe padronizada; independência da particular estrutura de cada microprocessador; portabilidade; rapidez de programação e depuração; facilidade de documentação e manutenção. Entretanto, as linguagens de Alto Nível também apresentam alguns inconvenientes com apresentado a seguir: necessidade de ferramentas de suporte; orientação das linguagens para a resolução de problemas específicos; tendência à geração de programas mais ineficientes, consumindo espaço de memória e tempo de execução. Normalmente, um programa elaborado em linguagem de Alto Nível, após sua compilação, gera instruções de máquina que podem ser reduzidas em torno de 20%. De uma forma geral, as maiores desvantagens das Linguagens de Alto Nível são a dimensão do código gerado e um conseqüente tempo maior para a execução dos programas. Entretanto, essas desvantagens se tornam diminutas devido à constante evolução e barateamento do hardware: memória em maior quantidade e menores custos, e processadores mais rápidos. Torna-se de muita importância a redução do custo do desenvolvimento do software, que envolve, dentre outros aspectos, a geração de programas em menos tempo, de manutenção mais fácil, reaproveitáveis, e principalmente requerendo menos tempo para a sua elaboração e depuração.

4 Laboratório de Processadores I 4 PROJETO DE PROGRAMAS O projeto de algoritmo ou programa deve ser elaborado inspirado em alguma metodologia adequadamente escolhida, evitando-se gasto de tempo, com estruturas confusas e inflexíveis. Alguns princípios básicos devem ser observados em cada projeto, tais como: divisão das tarefas em subtarefas menores, logicamente divididas, e de mais simples solução; elaboração de estruturas de programas simples e de fácil controle; utilizar representação gráfica quando possível; iniciar a codificação apenas após todo o programa ter sido projetado. Os principais métodos de programação utilizam representações gráficas para auxiliar e organizar as atividades envolvidas. A seguir são apresentados alguns destes métodos, com as vantagens e desvantagens. 1. Fluxograma Trata-se de um dos mais conhecidos e utilizados métodos. Utiliza-se de alguns símbolos que permite uma representação gráfica da estrutura do programa. Os símbolos utilizados são: Início de Programa Operações Seqüenciais Fim de Programa Fim de Subrotina Entrada/Saída Decisão lógica Subrotinas - Chamada Subrotinas Início Ponto de Conexão Continua em Ponto de Conexão Continuação de

5 Laboratório de Processadores I 5 As principais vantagens dos fluxogramas são: uso de símbolos padronizados e bem conhecidos; fácil entendimento por não especialistas; facilidade de divisão das tarefas em subtarefas; facilitam a localização de erros por apresentarem a seqüência das operações; muito conhecido em diversas áreas de atividade. Como desvantagens, pode-se citar: apresentam dificuldades no desenho e alterações; depuração e testes são problemáticos, em geral; dificuldade na decisão do nível de detalhe a ser colocado; não apresenta a organização de dados e estrutura de entrada e saída. Diversos programas podem ser encontrados para o desenho de fluxogramas, sendo alguns gratuitos, como o "A Structured Flow Chart Editor", disponível em Exemplo 1: Quando uma chave for ligada, uma lâmpada deverá permanecer acesa por um segundo (Figura 1). Figura 1 Fluxograma de exemplo

6 Laboratório de Processadores I 6 2. PROGRAMAÇÃO COM DIAGRAMAS ESTRUTURADOS Programação estruturada é um conjunto de convenções e regras que permitem que programas sejam escritos de forma modular, testados, modificados e lidos com facilidade. Tais regras levam a uma disciplina de programação, introduzindo normalizações e orientações para a elaboração de documentos. O desenvolvimento dos algoritmos na programação estruturada pode obedecer à metodologia top-down, a qual prescreve um gradual detalhamento e refinamento das soluções. Desta maneira, um programa é elaborado a partir de uma definição abstrata, em termos de entidades e operações apropriadas ao problema a ser solucionado, sendo tal definição refinada em seus passos seguintes, até se obter o programa escrito na linguagem desejada. Numa primeira etapa, o programa deve ser escrito como se existisse um computador que obedecesse às instruções utilizadas para resolver o problema em questão. As entradas e saídas do programa são consideradas sem a preocupação com a forma de representação dos dados e com a construção. As etapas seguintes prevêem a divisão do programa em módulos ou passos, até que o nível de detalhamento desejado seja atingido. Desta forma, o refinamento alcançado pode ser transcrito facilmente para a linguagem de programação. A realização desta tarefa pode ser auxiliada pela utilização de diagramas que permitem a representação gráfica do programa ou algoritmo desenvolvido. Um destes diagramas é o Diagrama Estruturado de Nassi-Schneirderman (ou Carta de Nassi- Schneirderman). a. Bloco A seguir serão apresentadas as estruturas básicas desse diagrama: Cada Bloco possui uma única entrada e saída, e sua representação é um retângulo, dentro do qual é colocada uma instrução ou seqüência de instruções (Figura 2). Dentro do Bloco podem ser colocados sub-blocos. Quando um sub-bloco não couber no Bloco, este pode ser referenciado externamente, dando origem a um novo diagrama. P1 P2 P3 Figura 2 - Bloco Não se deve colocar comando dependente de linguagem, tais como comandos de controle do compilador e declarações. Exemplos de comando que pode ser colocado no Bloco são apresentados a seguir: Atribuição: A <- B; Expressões aritméticas: VOLUME <- AREA * ALTURA, A <- B + X;

7 Laboratório de Processadores I 7 Entrada e saída: lê conversor A/D, imprime resultado; Controle: apresentados nos próximos itens. b. Bloco Condicional Este bloco (Figura 3) é conhecido como IF-THEN-ELSE. Da mesma forma que os demais blocos, apresenta uma única entrada e saída. Baseia-se em uma condição que é avaliada do ponto de vista lógico para gerar um resultado verdadeiro ou falso. Em cada situação, apenas o bloco associado é executado. c. Estruturas em Malhas Figura 3 - Bloco Condicional O terceiro tipo de estrutura fundamental é a estrutura em malha que permite representar fundamentalmente a repetição de blocos de programa, de acordo com condições pré-definidas. Este tipo de estrutura pode ser encontrado com diversas representações: DO-WHILE Enquanto determinada condição for respeitada, o bloco é executado repetidamente (Figura 4). A condição é testada antes de cada execução de tal estrutura. DO ITERATIVO Figura 4 - DO WHILE Repete um determinado bloco, alterando uma variável de controle a cada iteração, segundo um determinado passo (BY), até que esta variável ultrapasse um valor pré-estabelecido (Figura 5). Ao final de cada execução do bloco é efetuada a atualização da variável comparando-se o resultado com o limite. DO-UNTIL Figura 5 - DO ITERATIVO O bloco é executado até que uma determinada condição seja verdadeira (Figura 6). Ao final de cada execução do bloco a condição é testada.

8 Laboratório de Processadores I 8 DO-CASE Figura 6 - DO-UNTIL Apenas um bloco, dentre os vários pré-declarados, é executado, de acordo com o valor assumido pela variável de controle (Figura 7). Figura 7 - DO-CASE Para o desenho da implementação dos diagramas de Nassi-Schneirderman da estrutura de algoritmos ou programas, existem ferramentas computacionais disponíveis, algumas gratuitas, como o EasyCODE, desenvolvido pela Siemens, e que pode ser obtido em ou