Aplicações Avançadas de Microprocessadores. Professor: Marco Shawn Meireles Machado

Transcrição

1 Aplicações Avançadas de Microprocessadores Professor: Marco Shawn Meireles Machado

2 Iniciação aos sistemas microcontrolados

3 Objetivos da Aula: Descrever os itens que compõem uma CPU; Detalhar a estrutura interna de um microcontrolador; Enumerar alguns periféricos internos e externos do microcontrolador; Conhecer a estrutura interna de um microcontrolador.

4 Conteúdos da Aula: Conceitos básicos Estrutura de um microcontrolador CPU Barramentos Memória Entrada Saída Periféricos

5 1. Iniciação aos sistemas microcontrolados Sabemos o que são microcontroladores e como eles surgiram, mas para entender o funcionamento, temos que conhecer sua estrutura interna.

6 2. Conceitos básicos Os microcontroladores são circuitos capazes de processar uma informação. O processador é o circuito integrado capaz de realizar funções de cálculo e tomada de decisão.

7 2. Conceitos básicos Entende-se por eletrônica embarcada o sistema que possui eletrônica com capacidade computacional, ou seja, basicamente são os sistemas que possuem algum tipo de microcontrolador ou processador

8 2. Conceitos básicos Estima-se que atualmente o mercado de sistemas embarcados é cem vezes mais promissor que o mercado de sistemas computacionais. A grande maioria dos equipamentos eletrônicos que possuímos em casa possui quase um computador no seu interior, como aparelhos de DVD, som, jogos, televisores e outros equipamentos modernos.

9 3. Estrutura de um microcontrolador Os microcontroladores possuem características distintas, segundo o fabricante e o modelo, mas basicamente operam da mesma forma e sua estrutura interna é bastante semelhante.

10 3.1. CPU CPU significa Central Processor Unit, ou unidade de processamento central. A CPU é o cérebro de um computador, controlando todo o processamento da máquina.

11 3.1. CPU As principais partes de uma CPU são a ULA, o registrador de instrução, o contador de programa, o acumulador e a unidade de controle.

12 3.2. ULA ULA significa Unidade Lógica e Aritmética. Em inglês, ALU (Aritmetics and Logic Unit). A ULA é responsável pelas operações matemáticas e lógicas executadas pelo processador.

13 3.2. ULA O símbolo genérico da ULA possui duas entradas de dados (A e B), uma saída para o resultado (R), uma entrada para a função que deve ser executada (F) e saídas de estado do processador após o último cálculo (D). Esse estado nada mais é do que uma informação sobre o resultado da operação.

14 Exemplo nulo quando a operação resulta em zero; overflow quando a operação resulta em um número maior que a capacidade de saída de dados; negativo quando a operação resulta em um número negativo, etc.

15 Símbolo genérico da ULA

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17 3.3. Acumulador O acumulador é um registrador onde são armazenados os resultados das operações da ULA. Este registrador também é utilizado em algumas arquiteturas no lugar do registrador B.

18 Acumulador no lugar do registrador B

19 3.4. Registrador de Instrução O registrador de instrução (IR) registra a instrução a ser executada. Esta instrução informa a ULA qual operação deve ser feita.

20 3.5. Contador de programa O contador de programa (PC) guarda o endereço da próxima instrução que deve ser executada. Este registrador é usado para determinar a ordem de execução do programa.

21 3.6. Unidade de Controle A unidade de controle controla todos os componentes da CPU. As três funções de uma unidade de controle são: busca, decodificação e execução.

22 3.6. Unidade de Controle A busca, também conhecida como fetch, é o ato de ler o endereço apontado pelo contador de programa. É simplesmente ler a próxima instrução. Decodificação é extrair da instrução as informações a respeito de qual instrução deve ser executada e quais são os seus parâmetros. Execução é processar a informação através da ULA.

23 3.7. Memória A memória é o elemento responsável por armazenar informações. A memória pode armazenar dados, enquanto estão sendo processados, a isso chamamos memória de dados.

24 A memória possui inúmeras posições que podem conter um dado diferente, cada uma. Para identificar essas posições dentro da memória, é dado um identificador chamado endereço, que corresponde a um byte conjunto de bits que forma a informação.

25 As operações com a memória podem ser: de escrita - quando estamos armazenando um dado na memória, de leitura - quando estamos recuperando um dado da memória. A memória também pode armazenar programas, que são a lógica do processo enquanto está sendo executado. O programa diz para a CPU o que deve acontecer e como.

26 Na memória de programas também existem endereços. Dentro da CPU, o contador de programas os usa para informar à CPU qual a próxima instrução que deve ser executada, pois o processamento é contínuo e sequencial.

27 Modelo didático da memória

28 3.8. Barramentos Para que haja comunicação entre as diversas partes de uma CPU é preciso haver um caminho. Chamamos de barramento o caminho usado pelas informações dentro de um equipamento digital.

29 3.8. Barramentos Os dois principais barramentos de um processador são o barramento de dados e o barramento de instruções. O barramento de dados é o caminho usado para transferência de dados da memória de dados para a CPU e o barramento de instruções é o caminho usado para transferência das instruções da memória de programas para a CPU.

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31 3.8. Barramentos Na arquitetura Von Neumann, existe um único barramento compartilhado pela memória, que é única para dados e programas, fazendo com que instruções e dados sejam acessados em tempos diferentes, pois o caminho é único.

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33 3.8. Barramentos Na arquitetura Harvard, a memória de dados é separada da memória de programas e existem dois barramentos distintos. Desta forma, o processador pode acessar dados e instruções simultaneamente, ganhando muito tempo no processamento.

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35 4. Entradas/saídas São os pinos dos microcontrolador usados para obter ou fornecer dados externos. Também chamado de I/O, os pinos de entrada/saída servem para o controle de dispositivos. Basicamente, estes pinos são a comunicação do microcontrolador com o mundo exterior.

36 Para executar determinada tarefa, ligamos um botão em um pino de entrada, capaz de obter informação externa e transferir para a memória do processador, para posterior processamento. São dois os tipos de entradas: Entrada digital - lê valores booleanos, como 0V e 5V, no caso da lógica TTL, ou seja, este pino lê verdadeiro (nível lógico alto) ou falso (nível lógico baixo). Entrada analógica - é um pino capaz de ler o nível de tensão e realizar a conversão para um valor binário proporcional a esse valor de tensão.

37 As entradas podem ser ligadas a qualquer dispositivo externo que forneça ao microcontrolador um sinal de controle, desde que respeitadas as tensões e correntes do microcontrolador. São exemplos de dispositivos de entrada: botões, sensores (temperatura, vazão, pressão, massa, etc.), circuitos digitais, aparelhos de áudio, encoders e todo tipo de equipamento que o programador deseja ler.

38 As saídas são usadas para comandar fisicamente os dispositivos, como motores, lâmpadas, LEDs, eletroválvulas, solenoides e outros equipamentos que o programador deseja comandar. É muito importante diferenciar entrada de saída para poder fazer o programa certo. Sinal de entrada - entra no uc, normalmente para informar uma condição. Sinal de saída - sai do uc para acionar os dispositivos.

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40 5. Periféricos Os periféricos são dispositivos específicos que enviam ou recebem informações do microcontrolador. Estes dispositivos podem ser externos ou internos. Exemplos de periféricos são as portas de comunicação serial, o conversor A/D e D/A, os temporizadores, o módulo PWM, controladores de motores, teclados, displays e outros.

41 5.1. Comunicação Série

42 5.2. Unidade de Temporização

43 5.3. Watchdog

44 5.3. Conversor Analógico/Digital

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46 Glossário de termos relacionados ao microcontrolador PORT : Agrupamento de pinos. Ex : PORT A : Pinos RA0 a RA5. PORT B : Pinos RB0 a RB7. PWM : Modulação por largura de pulso. Permite simular uma saída analógica através de pulsos digitais rápidos e de tamanho regulável. ADC : Conversor digital / analógico.

47 Glossário de termos relacionados ao microcontrolador ICSP : Recurso de programação serial embutida, permitindo que um gravador seja construído com custo relativamente baixo. RAM : Memória de acesso aleatório, volátil e de alta velocidade de acesso. ROM : Memória de programa, gravada quando se transfere o programa para o microcontrolador.

48 Glossário de termos relacionados ao microcontrolador EEPROM : Memória fixa que pode ser gravada e apagada em tempo de execução. SERIAL : Dispositivo de comunicação onde um bit é enviado de cada vez. I2C : Padrão de comunicação serial desenvolvido pela PHILIPS. SPI : Serial Peripheral Interface Interface periférica serial : Padrão de comunicação serial que usa 4 fios.

49 Encapsulamentos

50 6.1. Interrupções As interrupções são um mecanismo que o microcontrolador possui e que torna possível responder a alguns acontecimentos no momento em que eles ocorrem, qualquer que seja a tarefa que o microcontrolador esteja executando no momento.

51 RTCC Estouro no temporizador timer0 usando o nome RTCC RB mudança de estado no PORTB, pinos B4-B7 EXT Interrupção Externa, pino RB0 AD Conversão A/D completa TBE Buffer de transmissão RS232 vazio RDA Dado na recepção RS232 disponível TIMER1 Estouro no temporizador Timer 1 TIMER2 Estouro no temporizador Timer 2 CCP1 Captura ou Compação na unidade 1 SSP Atividade SPI ou I2C PSP Dados de entrada na porta paralela escrava BUSCOL Colisão de barramento EEPROM Escrita completa TIMER0 Estouro no temporizador timer0 usando o nome TIMER0 COMP Evento do Comparador CCP2 Captura ou Compação na unidade 2

52 Rotina de interrupção

53 6.6. Hardware mínimo Para o funcionamento do microcontrolador, é necessário prover um mínimo de recursos de hardware.

54 6.6. Hardware mínimo É necessário energizar todos os pinos VSS com a tensão mais negativa (terra) e os pinos VDD com a tensão mais positiva (+5V). O pino MCLR deve receber uma tensão igual a da fonte para o funcionamento normal e zero volt para resetar o microcontrolador.

55 6.6. Hardware mínimo

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57 6.6. Hardware mínimo

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59 6.7. Reset

60 Síntese da Aula: Nesta aula estudamos sobre: Conceitos básicos Estrutura de um microcontrolador CPU Barramentos Memória Entrada Saída Periféricos