MODELAGEM DO PIC16F84 PARA PROJETO DE SISTEMAS EMBUTIDOS BASEADOS EM MICROCONTROLADOR

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA E ESTATÍSTICA Gabriel Renaldo Laureano MODELAGEM DO PIC16F84 PARA PROJETO DE SISTEMAS EMBUTIDOS BASEADOS EM MICROCONTROLADOR Florianópolis, 2004

2 Gabriel Renaldo Laureano MODELAGEM DO PIC16F84 PARA PROJETO DE SISTEMAS EMBUTIDOS BASEADOS EM MICROCONTROLADOR Rascunho de relatório submetido à Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção da nota final da disciplina de Projetos I. Luiz Cláudio Villar dos Santos Florianópolis, 2004

3 SUMÁRIO 2 Sumário 1 Introdução 3 2 O Micro-controlador PIC Conjunto de Instruções do PIC O Registrador de estado Endereçamento Indireto Modelagem Funcional A Linguagem de Descrição de Arquiteturas ArchC Modelando o PIC com ArchC Validação Experimental do Modelo 10 5 Conclusões e Trabalhos Futuros 11

4 1 INTRODUÇÃO 3 1 Introdução Os microprocessadores fazem parte de nossas vidas já há algum tempo. No entanto, eles se tornaram poderosos o suficiente para realizar funções verdadeiramente sofisticadas, somente nos últimos anos. O resultado desta explosão no poder dos microprocessadores, dirigida pela lei de Moore 1, é o surgimento da computação embutida como disciplina. A evolução da tecnologia de circuitos integrados, resulta em milhões de portas lógicas em uma única pastilha de silício. Essa enorme oferta de hardware, combinada com a crescente demanda de aplicações na indústria de sistemas embarcados resultou no aparecimento de sistemas integrados de hardware e software sob a forma de Systems-on-Chip (SoCs)[1]. Devido a esse crescimento em progressão geométrica, os projetos de sistemas embarcados se tornam viáveis apenas se utilizadas ferramentas de Projeto Auxiliado por Computador (CAD) e Automação de Projeto Eletrônico (EDA). Para reduzir o custo de desenvolvimento e acomodar o time-to-market, o projeto de SoCs tende a adotar uma plataforma-alvo [15], ou seja, uma arquitetura de referência concebida para viabilizar o reuso de seus componentes, chamados de blocos de propriedade intelectual (IPs). Tal plataforma pode então ser personalizada para uma aplicação específica, através da remoção de IPs desnecessários e/ou inclusão de novos IPs. Embora motivada sobretudo pelas necessidades do projeto de SoCs, a noção de plataforma também norteia o projeto de sistemas implementados em lógica reconfigurável[4, 6]. O processo de personalização de uma plataforma requer a exploração de arquiteturas alternativas resultantes da seleção de diferentes conjuntos de IPs. Tal exploração envolve a verificação do comportamento do sistema em face dos requisitos funcionais, a estimativa de desempenho em face de restrições de tempo real e a estimativa de potência em face da necessidade de baixo consumo de energia. Isso requer a disponibilidade de modelos eficientes para cada um dos IPs. Este trabalho aborda a modelagem e o encapsulamento eficientes de um IP. Apresentase um modelo funcional eficiente para um microcontrolador de uso bastante difundido na indústria, o PIC16F84. A primeira etapa deste projeto consistiu da descrição formal da arquitetura do microcontrolador e validação experimental deste mesmo modelo através de um conjunto de casos de teste. O trabalho desenvolvido está previsto na etapa metodológica do projeto DESERT - Desenvolvimento de Software para Sistemas Embutidos sob Restrições de Tempo Real do Laboratório de Automação e Projeto de Sistemas - LAPS e foi parcialmente suportado pelo Programa de Educação Tutorial - PET. Grande parte deste trabalho foi desenvolvido em parceria com Leonardo Taglieti, mes- 1 A Lei de Moore prevê que a cada 18 meses dobra-se o número de transistores existentes em um circuito integrado (CI).

5 1 INTRODUÇÃO 4 trando do Programa de Pós Graduação em Ciências da Computação - PPGCC desta mesma universidade[18]. O restante deste trabalho está organizado como segue: a arquitetura alvo escolhida será brevemente descrita na próxima seção (Seção 2), a linguagem e as estratégias utilizadas na modelagem deste micro-controlador na seção seguinte (Seção 3), o processo de validação do modelo bem como os resultados obtidos durante esta validação serão relatados na Seção 4 e finalmente na Seção 5 serão apresentadas as conclusões e os trabalhos futuros relacionados a este projeto.

6 2 O MICRO-CONTROLADOR PIC 5 2 O Micro-controlador PIC Esta seção descreve sucintamente a arquitetura e a organização do micro-controlador PIC, cuja descrição funcional será abordada na seção seguinte (seção 3). Mais informações sobre este micro-controlador podem ser obtidas na página oficial do fabricante [7] e no manual de referência [8]. Para detalhes sobre programação e utilização do PIC [3] e [12] podem ser consultados. O PIC é um micro-controlador RISC que adota a arquitetura de Harvard baseada em acumulador [11]. Permitindo desta forma que palavra de dados e de instrução possuam tamanhos diferentes, 8 e 14 bits respectivamente. Com exceção das instruções de desvios, que gastam 2 ciclos de relógio, todas as demais instruções consomem apenas 1 ciclo de relógio. O acumulador do PIC é comumente referenciado por W e será assim doravante tratado neste texto. 2.1 Conjunto de Instruções do PIC O PIC possui 35 instruções que podem ser separadas em 3 diferentes formatos: Orientadas a byte: 18 instruções podem ser mapeadas para este formato, elas possuem no máximo dois operandos, e operam sobre dados em memória. Orientadas a bit: Apenas 4 instruções são mapeadas para este formato, que agrupa instruções para verificação e alteração de bits em um dado registrador. É neste formato que se encontram as instruções de desvios condicionais Bit Test f, Skip if Clear - BTFSC e Bit Test f, Skip if Set - BTFSS. Literal e Controle: As instruções mapeadas para este formato são responsáveis, dentre outras operações de controle, pelas operações sobre literais e desvio absoluto GOTO, chamada e retorno de procedimento CALL, RETURN, RETLW e ainda retorno de interrupção RETFIE. O conjunto de instruções do PIC pode ser observado na tabela 1 extraída de [8]. 2.2 O Registrador de estado O registrador STATUS é um registrador de uso especial que armazena, em seus 3 bits menos significativos, informações sobre resultados das últimas operações aritméticas. A coluna Status Affected presente na figura 1 representa os bits do registrador STATUS afetados após a execução da instrução especificada. Os bits que registram informações sobre a última operação executada são: bit 2: Z: Zero bit É 1 se o resultado de uma operação aritmética ou lógica foi zero. Caso contrário é 0.

7 2 O MICRO-CONTROLADOR PIC 6 bit 1 DC: Digit Carry/borrow bit É 1 se ocorreu um vai um do terceiro para o quarto bit nas instruções de adição e 0 caso contrário. Nas instruções de subtração este bit será 0 se ocorreu um vem um, do terceiro para o quarto bit e 1 caso contrário. bit 0 C: Carry/borrow bit É 1 se ocorreu um carry-out no sétimo bit durante uma instrução de adição e zero caso contrário. Nas instruções de subtração este bit será 0 se ocorreu um vem um no bit mais significativo e 1 caso contrário. Nas instruções de rotação ele será carregado com o bit mais significativo ou menos significativo respectivamente para RRF e RLF. Os bits C e Z em conjunto com as operações de subtração de de verificação de bits são suficientes para executar qualquer operação de comparação (=,! =, <, <=, >, >=). Já que um vem um em uma operação de subtração só ocorrerá quando o primeiro operando for menor que o segundo. Assim essas operações e os bits C e Z são equivalentes por exemplo, as operações sll, beq, bnq do MIPS [10]. 2.3 Endereçamento Indireto O PIC não pussui uma instrução de desvio indireto, como a instrução jr do MIPS, no entanto possui uma outra característica denominada endereçamento indireto. O endereçamento indireto no PIC se baseia em dois registradores de uso especifico, que são: 0x00 - INDF: O registrador INDF não é um registrador físico, uma leitura no registrador INDF retornará o valor contido no registrador cujo endereço está armazenado no registrador FSR. 0x04 - FSR: O registrador FSR é um ponteiro que recebe o endereço do registrador que sofrerá as leituras e escritas executadas no registrador INDF. Estes registradores são utilizados para a execução dos ponteiros das linguagens de alto nível, bem como blocos switch e o polimorfismo das linguagens orientadas a objeto. Isto porque é permitido escrever no byte menos significativo do contador de programa, e assim o endereçamento indireto pode ser usado tanto para dados quanto para instruções.

8 2 O MICRO-CONTROLADOR PIC 7 Mnemonic Description Cycles 14-Bit Opcode Status Affected Operands MSb LSb BYTE-ORIENTED FILE REGISTER OPERATIONS ADDWF f,d Add W and f dfff ffff C,DC,Z ANDWF f,d AND W with f dfff ffff Z CLRF f Clear f fff ffff Z CLRW - Clear W xxx xxxx Z COMF f,d Complement f dfff ffff Z DECF f,d Decrement f dfff ffff Z DECFSZ f,d Decrement f, Skip if 0 1(2) dfff ffff INCF f,d Increment f dfff ffff Z INCFSZ f,d Increment f, Skip if 0 1(2) dfff ffff IORWF f,d Inclusive OR W with f dfff ffff Z MOVF f,d Move f dfff ffff Z MOVWF f Move W to f fff ffff NOP - No Operation xx RLF f,d Rotate Left f through Carry dfff ffff C RRF f,d Rotate Right f through Carry dfff ffff C SUBWF f,d Subtract W from f dfff ffff C,DC,Z SWAPF f,d Swap nibbles in f dfff ffff XORWF f,d Exclusive OR W with f dfff ffff Z BIT-ORIENTED FILE REGISTER OPERATIONS BCF f,b Bit Clear f bb bfff ffff BSF f,b Bit Set f bb bfff ffff BTFSC f,b Bit Test f, Skip if Clear 1(2) 01 10bb bfff ffff BTFSS f,b Bit Test f, Skip if Set 1(2) 01 11bb bfff ffff LITERAL AND CONTROL OPERATIONS ADDWF f,d Add W and f dfff ffff C,DC,Z ANDWF f,d AND W with f dfff ffff Z CLRF f Clear f fff ffff Z CLRW - Clear W xxx xxxx Z COMF f,d Complement f dfff ffff Z DECF f,d Decrement f dfff ffff Z DECFSZ f,d Decrement f, Skip if 0 1(2) dfff ffff INCF f,d Increment f dfff ffff Z INCFSZ f,d Increment f, Skip if 0 1(2) dfff ffff IORWF f,d Inclusive OR W with f dfff ffff Z MOVF f,d Move f dfff ffff Z MOVWF f Move W to f fff ffff NOP - No Operation xx RLF f,d Rotate Left f through Carry dfff ffff C RRF f,d Rotate Right f through Carry dfff ffff C SUBWF f,d Subtract W from f dfff ffff C,DC,Z SWAPF f,d Swap nibbles in f dfff ffff XORWF f,d Exclusive OR W with f dfff ffff Z Tabela 1: Conjunto de Instruções do PIC

9 3 MODELAGEM FUNCIONAL 8 3 Modelagem Funcional A modelagem funcional de um sistema não considera como este sistema será implementado. Somente a interface do sistema, as entradas e saídas, são relevante neste nível de abstração. Para descrever o micro-controlador PIC, foi utilizada uma linguagem de descrição de arquitetura (ADL) que será brevemente descrita na seção seguinte (Seção 3.1). 3.1 A Linguagem de Descrição de Arquiteturas ArchC ArchC é uma linguagem de descrição de arquitetura que foi projetada no Laboratório de Sistemas Computacionais - LSC do Instituto da Computação da Universidade de Campinas (IC-UNICAMP) [19]. ArchC é baseado em SystemC [16, 9] e esta foi a principal razão de sua escolha no âmbito deste projeto. Uma descrição ArchC é composta de duas partes principais. A primeira é a descrição do conjunto de instruções da arquitetura (AC ISA) onde o projetista disponibiliza todos os detalhes sobre o conjunto de instruções tal como: nome das instruções, formatos, tamanhos e outras informações necessárias para decodifica-las. A segunda parte é a descrição dos elementos da arquitetura (AC ARCH), onde o projetista descreve a lista de recursos da arquitetura tal como módulos de armazenamento, estrutura do pipeline, etc. A partir destas duas descrições o pré processador ArchC (acpp) gera o esqueleto do simulador da arquitetura, que contêm as assinaturas dos métodos que especificam o comportamento de cada instrução, o comportamento comum a cada formato de instrução e o comportamento comum a todas as instruções[19, 14]. 3.2 Modelando o PIC com ArchC ArchC é uma linguagem adequada tanto para a modelagem funcional quanto para a modelagem comportamental que está contida na segunda etapa deste projeto. No entanto devido ao comportamento bastante diferenciado do banco de registradores do PIC, foi necessário um pequeno desvio na metodologia seguida pelas demais modelagens, para que o endereçamento indireto pudesse ser suportado. A única diferença entre o banco de registradores do PIC, e os demais bancos já descritos em outros modelos, é o endereçamento indireto (vide Seção 2.3), e para isso nos utilizamos do padrão de projeto decorador como pode ser visto na figura 1. Desta forma antes de repassar um comando de leitura ou escrita, o banco de registradores do PIC primeiro irá verificar se o registrador acessado é INDF, e se for, o conteúdo de FSR será passado ao método de ac regbank.

10 3 MODELAGEM FUNCIONAL 9 Figura 1: Banco de Registradores do PIC Outras operações podem ser executadas no decorador antes que o comando seja encaminhado a superclasse, a classe ac regbank, operações como a seleção do banco de registradores e a proteção contra escrita nos registradores de uso especial.

11 4 VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DO MODELO 10 4 Validação Experimental do Modelo Para validação do nosso modelo utilizamos 8 de 9 benchmarks disponíveis na página oficial do projeto Dalton [13], estes benckmarks foram utilizados também para validar o modelo do 8051 construído na UFPE e disponível em [19]. O único benckmark não utilizado foi o xram.c por não ser aplicável ao nosso modelo cuja memória é bastante limitada. Esses 8 benckmarks foram compilados com o compilador C da CCS r, e montados com um montador gerado automaticamente através de uma ferramente construída no mesmo grupo de pesquisa [17]. Esses programas exploraram muitas das situações reais de um programa embutido. Tal como as operações básicas sobre inteiros, emulação de ponto flutuante, coerção de tipo, atribuição e operações sobre ponteiros, etc. Na tabela 2 podemos ver para todos os programas, as saídas que coincidem com as esperadas e o número de instruções executadas. Tamanho de Número de Instruções C Código (em Palavras) Executadas cast.c divmul.c fib.c gcd.c int2bin negcnt.c sort.c sqroot.c Tabela 2: Resultados da bateria de testes

12 5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS 11 5 Conclusões e Trabalhos Futuros Os resultados do trabalho até agora são o modelo do PIC que até o fim do ano deve estar disponível num repositório público de IPs, como o BrasilIP [2], ou na página oficial do projeto ArchC [19] tão logo passe pelo processo de certificação. E um artigo escrito em parceria com colegas do mesmo grupo de pesquisa submetido ao XI Taller IBERCHIP [5]. Com o modelo funcional validado, restam ainda duas etapas do projeto. A primeira será a descrição no nível comportamental, que ainda continuará independente da futura implementação, mas os meios de entrada do circuito e a temporização dos eventos na interface possuirão precisão de ciclos. Isto será possível através da descrição do pipeline do PIC. E por fim, a construção de um cross-compiler baseado no GNU Compiler Collection - GCC [20], com o objetivo de vislumbrar, durante a implementação manual deste backend para o PIC, estratégias para a geração automática de backends a partir de descrições ArchC.

13 REFERÊNCIAS 12 Referências [1] Reinaldo Bergamaschi. A to z of socs. In Tutorial apresentado na Escola de Microeletrônica da SBC Sul (EMICRO 2002), Florianópolis - Brazil, [2] Brazil-ip network. the fênix platform, Disponível em [3] David José de Souza. Desbravando o PIC. Érica, São Paulo, [4] J. Kempa, S. Y. Lim, C. Robinson, and J. A. Seely. SOPC Builder: Performance by Design. Winning the SoC revolution: experiences in real design, chapter 8. Kluwer Academic Publishers, [5] Gabriel R. Laureano, Carlos R. T. Fernandes, Leonardo Taglietti, and Luiz C. V. dos Santos. Modelagem do microcontrolador pic16f84 para projeto baseado no reuso de ips. In Submetido ao XI Taller IBERCHIP, IWS-2005, Salvador - Bahía, Brasil, de Março [6] P. Lysaght. Platform FPGAs. Winning the SoC revolution: experiences in real design, chapter 7. Kluwer Academic Publishers, [7] Microchip. [8] Microchip. PIC16F8X: 18-pin Flash/EEPROM 8 Bit Microcontrollers. [9] OSCI. Systemc version 2.0 user s guide, [10] David A. Patterson and John L. Hennessy. Organização e Projeto de Computadores. Campus, 2 edition, [11] David A. Patterson and John L. Hennessy. Arquitetura de Computadores: Uma Abordagem Quantitativa. Campus, 3 edition, [12] Fábio Pereira. Microcontroladores PIC: Programação em C. Érica, [13] Dalton Project. Synthesizable vhdl model of dalton/i8051/i8051syn/. [14] Sandro Rigo. ArchC: Uma linguagem de descrição de Arquiteturas. Instituto de Computação. Universidade Estadual de Campinas - Brasil, Julho [15] A. Sangiovanni-Vincentelli and G. Martin. Platform-based design and software design methodology for embedded systems. IEEE Design I& Test of Computers, 18(6):23 33, November-December [16] Systemc homepage,

14 REFERÊNCIAS 13 [17] Leonardo Taglietti, José O. Carlomagno Filho, Daniel Casarotto, Olinto J. V. Furtado, and Luiz C. V. dos Santos. Adl-based automatic toolkit generation for asips. In Submetido ao XI Taller IBERCHIP, IWS-2005, Salvador - Bahía, Brasil, de Março [18] Leonardo Taglietti, Olinto J. V. Furtado, and Luiz C. V. dos Santos. Geração Automática de Ferramentas de Desenvolvimento de Software Embarcado para ASIPs. Departamento de Informática e Estatística - UFSC - Brasil, Trabalho Individual. [19] The archc architecture description language. [20] The gnu compiler collection.

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