Fundamentos de hardware. David Déharbe DIMAp UFRN
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- Aparecida Mangueira Caetano
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1 Fundamentos de hardware David Déharbe DIMAp UFRN
2 Plano da aula Motivação; Terminologia básica; Problemas de potência; Diagramas de temporização; Memórias; Sumário.
3 Motivação Um projetista de sistemas embarcados deve frequentemente entender o hardware para escrever programas corretos, installar os programas no hardware, as vezes entender se uma falha é causada pelo programa ou pelo hardware, pode ser responsável por verificar diagramas esquemáticos do hardware e sugerir correções.
4 Terminologia I pastilhas (chips) empacotamento (packaging) pinos (pins) folhas de dados (data sheets) placa impressa (printed circuit boards) diagramas esquemáticos (schematic diagrams)
5 Terminologia: pastilhas (chips) Circuitos eletrônicos são construídos na forma de pastilhas de plástico ou cerâmica. As pastilhas geralmente podem ser compradas de um produtor. As pastilhas vem em diferentes tipos de empacotamentos.
6 Terminologia: empacotamento (packaging) Pastilhas são empacotadas utilizando diferentes formas:
7 Terminologia: placa (printed circuit board) Pastilhas são interligadas em uma placa de circuitos:
8 Terminologia: diagramas esquemáticos (schematic diagrams) Projetistas de hardware registram seu trabalho através de diagramas esquemáticos; o diagrama informa os componentes e suas interligações; a posição dos componentes e das ligações no diagrama não é necessariamente a mesma que na placa.
9 Terminologia II 1. voltagens; 2. sinais; 3. entradas, saídas; 4. piloto de sinal; 5. sinal flutuante; 6. conflito de barramento.
10 Terminologia: voltagens Circuitos digitais utilizam só duas voltagens para seu funcionamento: 1. alto (high), ou VCC (Voltage Connected to Collector), 2. e baixo (low) ou terra (ground). A voltagem alta geralmente é 5V, ou 3,3V e a baixa é 0V. Na representação de dados e endereços, a voltagem alta geralmente representa 1, e a baixa representa 0.
11 Terminologia: sinais Além de dados e endereços, sinais podem representar condições. Um sinal é setado, ou assinalado, se a condição correspondente é verdadeira. Um sinal é assinalado alto, se a voltagem alta representa que a condição é satisfeita. Um sinal é assinalaado baixo, se a voltagem baixa representa que a condição é satisfeita. Quando um sinal é acenado baixo, seu nome recebe algum tipo de decoração: CLR, RDMEM/, ou INT#.
12 Terminologia: entradas e saídas Pastilhas possuem pinos de saídas que elas alimentam com uma certa voltagem. Pastilhas possuem pinos de entrada onde elas lêem a voltagem. Quando um mesmo sinal é conectado a dois pinos de saída e que as voltagens nessas saídas são diferentes, há um chamado conflito de barramento (bus fight), que pode danificar o sistema. A parte que controla a voltagem de um sinal pilota aquele sinal. Quando nenhum componente pilota um sinal, esse sinal flutua, o que pode criar problemas, ou não.
13 Portas portas lógicas; a bolha; piloto.
14 Problemas de potência potência e decoplagem, capacitores; colectores e tri-states; sinais flutuantes, resistores; sobrecarregamento de sinais;
15 Diagramas de temporização diagramas de temporização; atraso de propagação; transição (subindo/descendo); flip-flop D, ou registro; latch; tempo de setup e de hold; tempo de relógio para Q (clock-to-q); relógio, osciladores e cristais.
16 Memórias memória ROM; variantes da memória ROM; memória RAM; comparação.
17 Memória ROM introdução ROM (Read-Only Memory) é um tipo de memória não volátil, usada para guardar o software em um sistema embutido. O micro-processador pode ler instruções da ROM tão rápido quanto ele pode executá-las. O micro-processador não pode gravar dados na ROM. A ROM guarda seu conteúdo, mesmo quando desligada.
18 Memória ROM estrutura Entradas: sinais de endereço; sinal de controle chip enable (ou chip select); sinal de controle read enable (ou output enable). Saídas: sinais de dados.
19 Memória ROM comportamento 1. O microprocessador seta os sinais de endereços; 2. Simultaneamente, o microprocessador seta o sinal de efetivação da pastilha (chip enable); 3. Um pouco mais tarde, o microprocessador seta o sinal de efetivação da leitura (read enable); 4. Depois de um atraso de propagação, a ROM pilota os sinais de dados para o microprocessador; 5. Quando o microprocessador termina de ler os dados, ele pode desativar os diferentes sinais de ativação. A ordem de asserção dos sinais pode ser invertida, aumentando
20 tempo de resposta.
21 Variantes da ROM PROM A ROM (mascarada) é vendida pré-programada e seu conteúdo não pode ser alterado; a PROM (Programmable ROM) é vendida virgem e pode ser gravada uma única vez através de um gravador de PROM (custo: cerca de US$100); se o programa gravado tiver um erro, a PROM é inutilizável; novas versões devem ser gravadas em novas PROMs.
22 Variantes da ROM EPROM A EPROM (Erasable Programable ROM) pode ser gravada múltiplas vezes; aplicando-se raios ultra-violetos durante 10 a 20 minutos, o conteúdo de uma EPROM pode ser apagado; o apagador/gravador de EPROM utiliza portanto luz ultra-violeta.
23 Variantes da ROM flash A memória FLASH pode ser apagada e gravada utilizando sinais em alguns de seus pinos; geralmente, há um limite do número de regravações que podem ser feita; as características de memórias flash estão evoluindo rapidamente.
24 Variantes da ROM EEROM A memória EEROM (Electrically Erasable ROM) é parecida com memória flash; a leitura e a escrita são mais lentas; a capacidade de estocagem é limitada; o número de vezes que a memória pode ser reescrita é extremamente elevado (milhões de vezes).
25 Comparação tecnologia leitura escrita num. escrita ROM rápido N/A 0 PROM rápido N/A 1 EPROM rápido N/A vários Flash rápido lento EEROM lento lento RAM muito rápido muito rápido infinito
26 Memória RAM RAM (Random Access Memory) é um tipo de memória volátil. é usada para armazenar os dados; a leitura e escrita é mais rápida que em ROM; SRAM (Static RAM) lembra de seus dados sem assistência de outras partes do circuito; DRAM (Dynamic RAM) deve ser acessada em leitura regularmente ou perde seus dados; circuitos de dynamic RAM refresh evitam esse problema; a interface da RAM inclui também um sinal de efetivação de escrita (write enable).
27 Sumário Semiconductores são manufaturados em pastilhas e conectados através de placas de circuitos; engenheiros elétricos desenham diagramas esquemáticos para especificar os componentes e as conexões de um circuito; um sinal digital é alto ou baixo, ele é setado quando a condição representada por este sinal é verdadeira; pastilhas possuem pinos de entrada e de saída; geralmente sinais devem ser pilotados por uma única saída, mas podem ser conectadas a múltiplas entradas; um número limitado de entradas podem ser alimentadas por uma
28 saída; as portas padrões implementam funções lógicas; além das entradas e saídas, pastilhas possuem pinos de alimentação para VCC e para terra; capacitores de decoplamento evitam faltas de energias temporárias nos circuitos; um sinal que não é pilotado por uma saída é flutuante; um colector aberto pode pilotar um sinal para baixo ou o deixar flutuar, várias colectores abertos podem ser conectados ao mesmo sinal, que ficará baixo se um dos colectores for baixo; um tri-state pode pilotar um sinal alto, baixo ou o deixar flutuar, vários tri-state podem ser conectados para um mesmo sinal, mas só um pode pilotá-lo a cada momento;
29 pontos nos esquemas indicam sinais que devem ser conectados; diagramas de temporização mostram relações temporais entre eventos de um circuito; as principais informações temporais de uma pastilha são os tempos de setup, de hold e de relógio para Q; flip-flops D são memórias de 1 bit; os tipos comuns de memória são RAM, ROM, PROM, EPROM, EEROM e flash.
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