Hardware, Processador e Memória
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- Matilde Amorim Fialho
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1 Referências: STALLINGS, ZELENOVSKY, BERENGER Prof. Fabio D. Rocha, UTFPR CAMPO MOURÃO 1
2 Berenger, Stallings Um sistema embarcado computacional, é um conjunto de Hardware ( coponentes físicos) e Software (firmware). Basicamente o HARDWARE é composto de circuitos integrados: 1. Processador 2. Memória 3. Barramentos 4. Interfaces HM, sensores. PROCESSADOR Função: Controlar e executar instruções presentes na memoria principal. As instruções em um sistema embarcado está situado na memória FLASH, e em sistemas mais antigos residia na ROM. 2
3 Berenger, Stallings A execução de uma instrução envolve a execução de uma sequência de sub-passos chamados ciclos ou etapas. Cada passo envolve leitura/ escrita em registradores ou memória externa, bem como acionamento de portas lógicas que resultam na transferência de dados a ULA. 3
4 Berenger, Stallings Basicamente o hardware e software é construído para atender a seguinte máquina Von Newman: FECH DI EXE WRITE Formato da instrução: OPCODE da instrução: Indica que operação será executada. A quantidade de bits do opcode determina a quantide máxima de instruções. OPERANDOS: o que será manipulado: número, caracter, endereço (onde). Uma instruçãopodeter2ou3operandos. 4
5 Berenger, Stallings Exemplo: instrução para referenciar um endereço que possui um dado. 2 operandos: LDR R0, [R1]-> R0 vai receber o conteúdo da memóriaque está na posição indicada por R1 STR R0, [R1]->A posição de memóriaindicada por R1 irá receber o conteúdo de R0 5
6 Resumo breve de uma instrução de processamento de dados no ARM: Obs.: Instrução soma Opcode 0100 Operandos são Referenciados aos registradores ADD R0, R1, R2 6
7 Sequência de operação resumida: FETCH busca de instrução na memória de programa, externa: Flash ou ROM. Copia da instrução para RI (registrador de instruções = possui opcode da instrução que está sendo executada). Incremento de PC(endereço da próxima instrução). DECO Decodificação da Instrução bem como cálculo dos operandos e fetch dos operandos. Tradução para a ULA da instrução a ser realizada e os dados pertinentes. EXE executa a operação indicada (na ULA ou não) e armazena (escrita) dos dados no operando especificado. WRITE: armazena resultado na memória(se for o caso). 7
8 Forma detalhada de operação de um ciclo de instrução: 8
9 Hardware, Processador e Memória Para dar suporte a essa execução temos as unidades do processador: ULA: Unidade lógica e aritmética. Realiza operações logicas (OR, AND, E, OU, XOR, NOT..) e aritméticas (somas, subtrações, produtos se a unidade possuir DSP). Possui o acumulador AC, para dados que estão sendo usados em operações (buffer). UNIDADE DE CONTROLE UC: gerencia o controle de todo barramento e dispositivos ligados à CPU, principalmente memória externa. Busca de instrução, ler/escrever memória externa, ler/escrever registradores. Decodificação instrução. Fetch de instrução, fetch de opcode, cálculo dos operandos... 9
10 REGISTRADORES: banco registradores de uso geral (leitura escrita) para guardar variáveis dinâmicas, constantes; registradores de configuração do processador... -> Memória RAM volátil. OBS.: MAR = ENDEREÇO DE MEMORIA MBR=BUFFERDEMEMÓRIA IBR = PRÓXIMA INSTRUÇÃO A SER EXECUTADA ACeMQ =ACUMULADORES 10
11 11
12 Hardware, Processador e Memória Forma detalhada: RAM+ FLASH 12
13 MEMÓRIA PRINCIPAL: RAM OU ROM/ FLASH Usada para guardar o programa que está sendo rodado. Alocado na FLASH ou memória ROM.(não volátil). Também pode ser usado para guardar dados(ns). O tamanho da memória depende do numero de linhas do barramento de endereços. Célulasde2x8bits=2 1 ç=64 32bits=2 1 ç=4 Memória Cache: este tipo de memoria RAM, tem por finalidade otimizar o acesso a dados na memoria externa da CPU que são mais frequentemente acessados. Com isso o processador copia o conteúdo do endereço mais acessado na memoria cache e o verifica sempre antes de acessar a memoria principal. Caso positivo, cache hit, elecopiaodadodamemoriacashdiretamente,casocontrárioocorrecachemisseo acesso a memoria principal é obrigatória. Níveisdecache:L1,L2,L3->dependedotamanhoetempodeacesso. 13
14 MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS Usada para guardar programas e dados não voláteis. Discos magnéticos e ópticos. Capacidade maior, mais lentos(ms). 14
15 MEMÓRIA RAM: Hardware, Processador e Memória 15
16 Hierarquia de memória: SRAM DRAM FLASH 16
17 DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA: São as interfaces HM. Mouse, teclados, dispositivos de acionamento via sensores, leitores ópticos, sensores de forma geral. Estes dispositivos na maioria das vezes são controlados por interrupção, utilizando um periférico específico do processador: SERIAL (SPI, I2C, CONVERSOR AD/DA, PWM, UART, etc) O tipo de interrupção e forma de operação depende dos requisitos dos dispositivo de E/S. Para otimizar as tarefas do processador, e desocupa-lo de monitorar os dispositivos via interrupção, pode-se fazer uso do recurso DMA. DMA: direct memory access. É capaz de imitar o processador e assumir o controle de tráfedo de dados no barramento do processador para ter acesso a memória. O processador delega uma tarefa automatizada ao NUCLEO DMA, que é um hardware. Existe função DMA para quase todos os periféricos. Ex. SPI, I2C... 17
18 Operação Básica DMA: Hardware, Processador e Memória 18
19 No ARM: Os periféricos podem usar canais específicos para TXRX, cada canal possui prioridade de atendimento sobre os outros canais. 19
20 STM32F102 ARM 7canaisDMA1e5canaisDMA2: 20
21 STM32F102 ARM Quadro de canais DMA1 Hardware, Processador e Memória 21
22 STM32F102 ARM REQUEST PEDIDO AO NÚCLEO DMA DE OCUPAÇÃO DO BARRAMENTO: 22
23 Sugestão leitura DMA: Berenger: págs. 45,46 Stallings: págs Hardware, Processador e Memória 23
24 BARRAMENTO: Barramento permite a comunicação da CPU com memoria externa, DMA ou periféricos. Os barramentos podem ser de dados, endereço ou controle. Tipos: barramento processado-memória, barramento de E/S, barramento backplane (integra barramentos ou recursos) Barramentos processador-memória são curtos e de maior velocidade que os barramentos de E/S e Backplane. Barramento processador-memória geralmente é de arquitetura proprietária. Ex. barramento: PCI Express (Intel, Dell, HP, IBM), USB (consórcio Microsoft, Intel, IBM...),I2C(philips),SPI(motorola)... 24
25 Tipos de Sistemas Operacionais Os tipos de de sistemas operacionais estão apresentados abaixo: Sistemas Operacionais Monotarefa: Sistemas embarcados dedicados a executar apenas um programa ou uma única tarefa, ou atendimento de um usuário por vez. Não há preocupação em compartilhamento de memória, processador ou dispositivos de E/S. Ex.: computadores da década de 60,70. O processador geralmente fica ocioso entre comutação de tarefa. 25
26 Tipos de Sistemas Operacionais Sistemas operacionais Multitarefa: São sistemas capazes de atender a várias tarefas ao mesmo tempo, ou atender vários usuários concorrentemente. Os recursos de processamento, acesso a memória por exemplo são compartilhados entre os diversos usuários ou programas que requerem seu uso. Execução concorrente. Podem ser Monousuário ou multiusuário. Características: - Complexidade na implementação. - Uso mais eficiente das aplicações. - Redução dos custos em termos do compartilhamento de recursos. Quanto ao gerenciamento das aplicações: Sistemas Batch (em lote): não necessitam da interação com o usuário Sistema de tempo compartilhado: diversas tarefas são executadas dentro de uma fatia de tempo (time-slice). A tarefa é interrompida caso o tempo seja excedido. O tempo de atendimento das tarefas pode variar sem prejudicar as aplicações. Sistema de tempo real (RTOs): tarefas são executadas dentro de um tempo finito (restrição temporal). 26
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