Sistemas Embarcados:

Transcrição

1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Departamento de Engenharia de Computação e Automação Sistemas Embarcados: Microcontroladores DCA0119 Sistemas Digitais Heitor Medeiros Florencio

2 Sistemas Embarcados Um sistema embarcado é um software dedicado embarcado em um hardware/computador. Sistemas embarcados são sistemas eletrônicos que tem um microcontrolador ou um microprocessador embarcados em um sistema. 2

3 Sistemas Embarcados Alternativas de projetos de sistemas embarcados: Sistemas baseados em microprocessadores (MPU): Microprocessadores contêm apenas a unidade de processamento (CPU). Unidades de memória e interfaces de entrada/saída precisam ser conectados à unidade (MPU). Permite maior expansão e seleção de interfaces. Sistemas baseados em microcontroladores (MCU): Microcontroladores contêm CPU, memórias e interfaces de entrada/saída. 3

4 Sistemas Embarcados: Elementos 4

5 Sistemas Embarcados: Elementos 5

6 Automatizando com Sistemas Embarcados Sistema Embarcado Memória Programa Interfaces para Usuário Sensores ADC CPU DAC Atuadores Ambiente 6

7 Microcontroladores 7

8 Microcontroladores Microcontroladores têm agregados vários componentes de um sistema microprocessado: Microprocessador; Memórias: SRAM, EEPROM e FLASH; Temporizadores; Circuitos de clock embutidos. Agregação de outras funcionalidades: Conversores A/D e D/A (mundo analógico!!); Sinais modulados PWM (mundo analógico!!); Temporizadores/contadores; Comparadores; Interfaces de comunicação; 8

9 MCU: Características Gerais 8, 16 e 32 bits. Tecnologia de fabricação CMOS com baixa consumo de potência. Consegue executar várias instruções em um único ciclo de clock. Velocidade é caracterizada pela quantidade de ciclos de máquina necessários para se executar uma instrução: MIPS (milhões de instruções por segundo). 9

10 Calculando Tempo de Execução 1. Dado que um microcontrolador funciona com um oscilador de 4MHz e cada ciclo de instrução gasta um pulso de clock. Qual a duração de cada ciclo de instrução (t)? 2. Dado que um microcontrolador funciona com um oscilador de 4MHz e cada ciclo de instrução gasta quatro pulsos de clock. Qual a duração de cada ciclo de instrução (t)? 10

11 Calculando Tempo de Execução Dado que um microcontrolador funciona com um oscilador de 4MHz e cada ciclo de instrução gasta um pulso de clock. Qual a duração de cada ciclo de instrução (t)? t = 1 f osc f osc = 4 MHz 1 t = 4MHz = 250ns Conclusões: Cada ciclo tem duração de 250 ns. O microcontrolador executa 4 milhões de instruções em um segundo (4 MIPS). 11

12 Calculando Tempo de Execução Dado que um microcontrolador funciona com um oscilador de 4MHz e cada ciclo de instrução gasta quatro pulsos de clock. Qual a duração de cada ciclo de instrução (t)? t = 1 f osc /4 t = f osc = 4 MHz; 1 4 MHz 4 = 1 us Conclusões: Cada ciclo tem duração de 1 us. O microcontrolador executa 1 milhão de instruções em um segundo (1 MIP). 12

13 Sistema de Clock do Microcontrolador O clock dos microcontroladores podem ser gerados por: Circuito de clock interno. Circuito de clock externo. 13

14 Alguns fabricantes Lista de microcontroladores da Microchip: aspx Lista de microcontroladores da Texas Instruments: bit/products.page Lista de microcontroladores da Atmel: aspx?tab=parameters 14

15 Microcontrolador: PIC16F628 15

16 Microcontroladores PIC PIC: Programmable Interface Controllers Controlador Integrado de Periféricos. Principais características dos microcontroladores da família PIC: CPU RISC. Arquitetura Harvard. Estrutura pipeline. Famílias de MCU PIC: Low Range: microcontroladores PIC com palavra de instrução de 12 bits. Mid Range: microcontroladores PIC com palavra de instrução de 14 bits. High Range: microcontroladores PIC com palavra de instrução de 16 bits. 16

17 Microcontroladores PIC 8-bits 17

18 MCU PIC16F628 Frequência máxima: 20 MHz. Memória de programa (Flash): 2048 palavras. Memória RAM: 224 bytes. Memória EEPROM: 128 bytes. Temporizadores: 3 (TMR0, TMR1, TMR2). Comparadores: 2. Módulo PWM: 1. Módulo I/O: 16 pinos (2 portas). Comunicação serial: USART. Tensões: 2.0V ~ 5.5V. 18

19 PIC16F628: Pinagem 19

20 MCU PIC16F628 Diagrama de blocos: 20

21 PIC16F628: Diagrama Endereçamento da próxima instrução: 21

22 PIC16F628: Diagrama Unidade de processamento lógico e aritmético: 22

23 PIC16F628: Diagrama Temporizadores, comparadores, módulo de comunicação serial: 23

24 PIC16F628: Memória de Dados A memória de dados (RAM) é subdividida em banco de registradores: 24

25 PIC16F628: Memória de Dados A memória de dados (RAM) é subdividida em banco de registradores: É obrigatório conhecer os registradores do MCU para conseguir programá-lo. 25

26 PIC16F628: Ciclo de instrução 26

27 MCU PIC16F628: Formato das Instruções As instruções do PIC16F628 são formadas por 14 bits e divididas em quatro grupos: 27

28 Fontes de Clock do PIC16F628 Existem 4 grupos de circuitos fonte de clock: Circuito RC. Circuito com osciladores de cristal. Circuito com ressonadores. Circuitos híbridos. PIC16F628 permite 6 formas de conexão: 28

29 Fontes externas de clock: Circuito com cristal (ou ressonador) Circuitos com osciladores de cristal são mais precisos e mais caros que circuitos com ressonadores e circuitos RC. Circuito formador por 1 oscilador de cristal e dois capacitores. 29

30 Fontes externas de clock: Circuito com cristal (ou ressonador) Ressonador 30

31 Fontes externas de clock: Circuito RC Os osciladores RC são mais simples e mais baratos, porém menos precisos. 31

32 Fontes externas de clock: Outros 32

33 Microcontrolador: ATMega328 33

34 Microcontroladores AVR Principais características dos microcontroladores da família AVR: CPU RISC. Arquitetura Harvard. Estrutura pipeline de 1 nível. Conjunto de 133 instruções, a maioria sendo executada em um ciclo de clock. Famílias de MCU AVR: 32-bits AVR: MCU de 32 bits projetados para maiores processamentos. AVR XMega. megaavr. tinyavr: até 8Kbytes de Flash. BatteryManagement: características especiais de consumo baixo. 34

35 ATMega328: Características Frequência máxima: 20 MHz. Memória de programa (Flash): 32 KB. Memória SRAM: 2048 B. Memória EEPROM: 1024 B. Registradores de 8 bits de uso geral. Temporizadores: 3. Comparador: 1. Módulo PWM com 6 canais. Módulo ADC: 6 conversores de 10bits. Interfaces de Comunicação: USART, SPI. Tensões: 1.8V ~ 5.5V. 35

36 ATMega328: Pinagem 36

37 ATMega328: Diagrama de Blocos 37

38 ATMega328: Memória de Dados A memória de dados (SRAM) é subdividida em blocos de registradores: 38

39 ATMega328: Memória de Dados A memória de dados (SRAM) é subdividida em blocos de registradores: É obrigatório conhecer os registradores do MCU para conseguir programá-lo. 39

40 ATMega328: Diagrama AVR CPU 40

41 Fontes de Clock do ATMega328 41

42 Fontes de Clock do ATMega328 Sinais de clock derivados da fonte primária. 42

43 Fontes de Clock do ATMega328 Existem 5 possibilidades de fontes de clock: Oscilador de cristal/ressonador de baixa potência. Oscilador de cristal de baixa frequência. Clock externo. Fonte externa Oscilador RC interno de 128 KHz. Oscilador RC interno calibrado (7.6 a 8.4 MHz). Fonte interna 43

44 Fontes externas de clock Oscilador de cristal ou ressonador: Um oscilador de cristal e dois capacitores. Ou um ressonador. Clock externo: EXTCLK: XTAL1. 44

45 Gravação/Programação de Microcontroladores 45

46 Gravação de Microcontroladores A programação de microcontroladores, normalmente, é realizada na linguagem C. Um compilador da linguagem C para microcontroladores deve ser utilizado para gerar o arquivo hexadecimal (extensão.hex) que será gravado na memória Flash do MCU. Programa em C Compilador C Arquivo.hex Programas (firmwares) podem ser gravados nos microcontroladores por duas formas: Circuito de gravação especifico do microcontrolador. Transferência via comunicação serial. 46

47 Gravação de Microcontroladores Formas de gravação do firmware no MCU: Programa em C Compilador C Arquivo.hex Gravador A forma de gravação do gravador vai depende do MCU. Microcontroladores PIC: Gravador PIC + ICSP. Microcontroladores AVR: Gravador AVR + ICSP (SPI). 47

48 ICSP (In-circuit Serial Programming) Gravação PIC Gravação AVR 48

49 Gravação do PIC via ICSP + PICKIT3 Exemplo: Gravação do PIC16F628 utilizando o gravador PICKIT3. USB ICSP 49

50 Gravação do PIC via ICSP + PICKIT3 Exemplo: Gravação do PIC16F628 utilizando o gravador PICKIT3. USB ICSP 50

51 Gravação AVR via ICSP + Arduino Gravador AVR 51

52 Gravação de Microcontroladores Outra alternativa de gravação é utilizando o bootloader. Programa em C Compilador C Arquivo.hex Gravador Permite uma gravação sem o uso de gravadores específicos. Realiza uma comunicação serial direto com o MCU. 52

53 Bootloader Bootloader é um programa simples e robusto que será armazenado na memória Flash do MCU com o intuito de receber um novo programa principal e regravar na memória flash. 53

54 Bootloader Bootloader permite a transferência do programa principal (.hex) pela porta serial, utilizando a interface RS232 do MCU, sem a necessidade de remover o MCU do sistema (on-chip). Bootloader deve ser programado previamente na memória do MCU. Programa em C Compilador C Arquivo.hex RS

55 Bootloader Programa em C Compilador C Arquivo.hex RS

56 Bootloader O bootloader deve perguntar ao computador (via serial) se existir algum programa principal para ser regravar na memória (condição). Se sim, o bootloader deve reprogramar a memória para alocar o novo programa principal e depois deve executar o novo programa. Se não, o bootloader deve executar o programa contido na memória. 56

57 Arduino + Bootloader A placa Arduino utiliza a estratégia de gravação do programa principal utilizando bootloader. 1º solução: Transferência do programa através de um conversor USB-TTL (FTDI232). USB TTL TX FTDI232: Conversor USB-TTL Arduino RX ATMega328 57

58 Arduino + Bootloader 2º solução: O conversor FTDI foi substituído pelo MCU ATMega8u2 ou ATMega16u2 (capaz de realizar conversão USB-TTL) para transferência do programa. USB TTL TX ATMega8u2 ou ATMega16u2 Arduino RX ATMega328 58

59 Arduino + Bootloader 2º solução: 59

60 Alternativas para programação (PIC; AVR) 60

61 Exemplo de Programação do PIC16F628 IDE de programação/gravação: MPLAB X. Compiladores: XC8, XC16, XC32. Gravador: PICKIT3. 61

62 Exemplo de Programação do ATMega328 IDE de programação/compilação/gravação: Atmel Studio. Gravador/Bootloader: Placa Arduino UNO. Atmel Studio avrdude ATMega328 62

63 AVRDUDE AVRDUDE é um programa aberto que serve para gravar programas na(s) memória(s) (flash, EEPROM) de microcontroladores AVR. Utilizado pela IDE do Arduino para gravar os sketches. Comunica-se com os gravadores externos através da porta serial do PC. Precisa da definição de argumentos e de um arquivo de configuração para gravar o arquivo principal. 63

64 AVRDUDE: Argumentos Alguns comandos do argumento do avrdude: -p: modelo do microcontrolador. Ex.: atmega328p,atmega168 e attiny c: modelo de programador. Ex.: bsd, stk200, avrisp. -P: porta do PC (com1, lpt1, usb, etc) onde o programador está conectado. -e: apagar a memória do dispositivo.. -U :w: efetua a gravação da área (flash, eeprom,) com conteúdo de um arquivo. Após a gravação é feita uma verificação. Exemplo: -C C:\arduino-1.0\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf -p m328p -c arduino -P \\.\com3 -U flash:w:"$(projectdir)debug\$(itemfilename).hex":i 64

65 Integrar AtmelStudio7 com AVRDUDE Arguments: -C C:\arduino-1.0\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf -p m328p -c arduino -P \\.\com3 - U flash:w:"$(projectdir)debug\$(itemfilename).hex":i 65

66 Referências Principais referências: Datasheet PIC16F628. Datasheet ATMega

67 Dúvidas? Dúvidas por 67