Disc.: Sistemas Microprocessados Curso Técnico em Eletrônica

Transcrição

1 Disc.: Sistemas Microprocessados Curso Técnico em Eletrônica Prof. Paulo Demantova Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 1

2 1. Objetivo da Disciplina: Apresentar características e conceitos de um sistema microprocessado e compreender o funcionamento de um microcontrolador através do estudo de um tipo específico. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 2

3 2. O Computador Digital: As transformações entre grandeza analógica e digital é feita através de interfaces. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 3

4 2.1 Computador Digital - Blocos: Unidade de Memória Programas e Dados CPU Unidade de E/S Periféricos de E/S CPU Possui em seu interior toda a estrutura para que as informações possam ser transportadas e processadas, de forma lógica ou aritmética, automaticamente pelo programa. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 4

5 2.1 Computador Digital - Blocos: Unidade de Memória Programas e Dados CPU Unidade de E/S Periféricos de E/S Unidade de Memória armazena os dados e o programa a ser executado, assim como resultados parciais e informações. Todas as grandezas estão na forma binária. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 5

6 2.1 Computador Digital - Blocos: Unidade de Memória Programas e Dados CPU Unidade de E/S Periféricos de E/S Unidade de E/S Manipulam eletricamente as informações de forma a compatibilizar o formato entre computador e periférico. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 6

7 2.1 Computador Digital - Blocos: Unidade de Memória Programas e Dados CPU Unidade de E/S Periféricos de E/S Periféricos de E/S São dispositivos ou placas que enviam ou recebem informações do computador. Adequam as informações de maneira que o ser humano possa gerá-las ou interpretá-las de modo mais fácil. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 7

8 2.2 CPU - Blocos: Unidade Lógica e Aritmética Unidade de Controle CPU Conjunto de Registradores UC Busca na memória o código da próxima instrução a ser executada, a identifica e gera os sinais necessários para controlar os blocos internos e externos a CPU. Propicia o automatismo no funcionamento do computador. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 8

9 2.2 CPU - Blocos: Unidade Lógica e Aritmética Unidade de Controle CPU Conjunto de Registradores ULA De acordo com a instrução executada esta unidade recebe em seus registradores de entrada os operandos e um comando dizendo qual tipo de operação deve ser executada. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 9

10 2.2 CPU - Blocos: Unidade Lógica e Aritmética Unidade de Controle CPU Conjunto de Registradores CR Fornece a estrutura necessária para o armazenamento de operandos e resultados parciais. Também armazena informações de configuração de hardware da CPU. São normalmente implementados como flip-flops. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 10

11 3. O Microcomputador: Um microcomputador é um computador digital no qual a CPU é um circuito integrado, chamado de microprocessador (μp). Adicionalmente ao μp podem ser necessários outros componentes. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 11

12 4. O Microprocessador: Um microprocessador incorpora as funções de uma unidade central de processamento (CPU) em um único circuito integrado. É um dispositivo programável que aceita dados digitais como entrada, processa de acordo com seu conjunto de instruções, e fornece resultados. Microprocessadores operam com números e símbolos representados no sistema binário. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 12

13 4.1 Sistema Microprocessado: Princípio de Funcionamento: 3 1 Microprocessador Memória 1- MP solicita a próxima instrução 2- MP recebe uma instrução 3- MP decodifica, executa a instrução e volta ao passo 1 2 Microcontroladores - Prof: Demantova 13

14 4.1 Sistema Microprocessado: Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 14

15 4.2 Circuito de Clock: Tem como função gerar um sinal oscilante entre nível 0 e 1 com freqüência e fase constante. Como o processador é basicamente uma máquina síncrona este gerará todos os seus sinais sincronizados com os níveis alto, baixos, subidas e descidas do sinal de clock. O clock pode ser gerado por osciladores internos de valor fixo, drives internos através de um cristal externo ou o uso de um gerador externo de clock. Limites máximos e mínimos devem ser respeitados. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 15

16 4.2 Circuito de Clock : Sistemas Microprocessados Prof: Demantova 16

17 4.2 Circuito de Clock : Ciclo de Clock consiste de um período do clock, baseado no qual o processador executa cada passo interno. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 17

18 4.2 Circuito de Clock : Ciclo de Máquina é cada uma das operações básicas que o µp pode executar. Sua execução é determinada pela instrução que está no momento sendo executada. Sua duração varia de entre microprocessadores. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 18

19 4.2 Circuito de Clock : Ciclo de Instrução é o conjunto de ciclos de máquina necessários para a busca e execução de uma instrução. Varia de acordo com a complexidade da instrução. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 19

20 4.3 Circuito de Reset: É responsável por ativar o pino de Reset no momento que a alimentação da CPU é ativada (automático) e permitir que o usuário a qualquer momento possa fazer com que o sistema volte a condição inicial (manual). Dependendo do µp pode ser ativo em zero ou um. Exemplo de circuito para RST ativo em nível alto. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 20

21 4.3 Circuito de Reset: A duração do reset deve ser suficiente para que o oscilador se estabilize mais uma margem de clocks definida pelo fabricante. Durante o reset registros e pinos de saída podem ter estados indeterminados. Após o reset os principais registros terão conteúdos padrões de acordo com o fabricante. Entre as principais condições definidas após o ciclo de máquina de reset é a inicialização do registro de endereçamento de instruções (PC) para o valor inicial padrão. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 21

22 4.4 Barramentos: Barr. de Endereços Conjunto de pinos/sinais físicos unidirecionais que são gerados pelo up para endereçar a posição de memória ou periférico a ser acessado. O número de pinos está ligado a capacidade de memória do up. Barr. de Dados Conjunto de pinos bidirecionais que permitem que as informações endereçadas das memórias ou periféricos possam sair ou chegar ao up, dependendo se a instrução é de escrita ou leitura. Barr. de Controle Sinais de saída do up que servem para indicar aos blocos externos que tipo de evento está ocorrendo no momento. Quando de entrada indica que um serviço está sendo solicitado ao up. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 22

23 4.5 Ciclos de Máquina: Opcode Fetch Chamado de busca de instrução, é o primeiro ciclo após o reset, e sempre o primeiro ciclo de cada instrução. Coloca nos pinos de endereço o valor de PC e seleciona a leitura de memória de programa. Em seguida copia o valor presente nos pinos de dados (instrução) para ser decodificado. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 23

24 4.5 Ciclos de Máquina: Memory Read Operação de leitura em memória similar ao Opcode Fetch. As diferenças são que o endereço colocado no barramento foi gerado pela instrução atual, e que o dado lido será usado como operando pela instrução atual e não decodificado. Memory Write Operação de escrita em memória onde o endereço foi gerado pela instrução atual e o dado será fornecido para a memória pelo up. O dado foi fornecido como operando da instrução ou obtido como resultado da execução da mesma. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 24

25 4.6 Memórias: São implementadas com circuitos integrados já fabricados para este fim, minimizando assim as ligações. Sistemas Microprocessados - Prof: Demantova 25

26 5. O MICROCONTROLADOR: Def.: É um microcomputador encapsulado em um CI que pode conter, além da CPU, memórias RAM, ROM, Interfaces de E/S, circuitos de clock e reset, etc. Conseqüências da compactação: - Diminuição do custo. - Capacidade de processamento menor. - Ênfase em minimizar recursos de externos. - Aplicação mais específica. Microcontroladores - Prof: Demantova 26

27 5. O MICROCONTROLADOR: Def.: São utilizados em aplicações nas quais não há a necessidade da flexibilidade de interfaceamento e é executado um único software (firmware). Componentes que podem ser incorporados: - Conversores A/D e D/A. - PWM. - Contadores e Temporizadores. - Interfaces Seriais. - Memórias: ROM, EPROM, EEPROM, FLASH, RAM. Microcontroladores - Prof: Demantova 27

28 5.1 MODELO HIPOTÉTICO: Microcontroladores - Prof: Demantova 28

29 5.2 MODO DE OPERAÇÃO: Microcontroladores - Prof: Demantova 29

30 5.5 EXEMPLO DE CONJ. DE INSTRUÇÕES: Microcontroladores - Prof: Demantova 30

31 5.6 NIVEIS DE LINGUAGEM DEPROGRAMAÇÃO: Microcontroladores - Prof: Demantova 31

32 5.7 FAMÍLIAS DE MICROCONTROLADORES: MCS51 - Intel e outras empresas. M68HC11 Motorola. Z8 Zilog. COP8 National. PIC Microchip. AVR Atmel. Microcontroladores - Prof: Demantova 32

33 6. CARACTERÍSTICAS DO 8051: CPU de 8 Bits ROM Interna RAM Interna Temporizadores / Contadores Controlador de Interrupção Interfaces Paralelas de 8 Bits Interface Serial Microcontroladores - Prof: Demantova 33

34 6.1 A FAMÍLIA 8051: Modelo RAM (bytes) Timer Counter Serial Não Volátil (bytes) Pinos E/S Outros X X k ROM k ROM 32 87C k EPROM 32 87C k EPROM 32 89C k Flash 32 89C k Flash 32 AT89S k Flash ISP 32 Watchdog, 33MHz AT89S k Flash ISP 32 Watchdog, 33MHz AT89S k Flash ISP 32 Watchdog, SPI, 24MHz AT89S k Flash ISP 2k EEPROM AT89C k Flash 15 AT89C k Flash 15 AT89C k Flash Watchdog, SPI, 0 à 24MHz Microcontroladores - Prof: Demantova 34

35 6.2 PINAGEM 8051: AT89C51(DIP40) AT89C1051(DIP20) Microcontroladores - Prof: Demantova 35

36 6.3 CPU COM O 8051: D0-D7 D0-D7 AD0-AD7 Latch A0-A7 EPROM 27xxx A0-A7 RAM 62xxx CK ALE 8051 A8-A15 A8-A15 OE\ OE\ WR\ PSEN\ RD\ WR\ Memória de programa e dados externa. Microcontroladores - Prof: Demantova 36

37 6.3 CPU COM O 8051: D0-D7 D0-D7 AD0-AD7 Latch A0-A7 EPROM 27xxx A0-A7 RAM 62xxx CK ALE 8051 A8-A15 A8-A15 OE\ OE\ WR\ PSEN\ RD\ WR\ Os sinais AD0~AD7, A8~A15, PSEN\, RD\, e WR\ serão ativados automaticamente de acordo com a instrução executada. Microcontroladores - Prof: Demantova 37

38 6.3 CPU COM O 8051: Machine Cycles: A machine cycle consists of a sequence of 6 states, numbered S1 through S6. Each state time lasts for two oscillator periods. Thus a machine cycle takes 12 oscillator periods or 1ms if the oscillator frequency is 12MHz. Each state is divided into a Phase 1 half and a Phase 2 half. Normally two program fetches are generated during each machine cycle, even if the instruction being executed doesn t require it. If the instruction being executed doesn t need more code bytes, the CPU simply ignores the extra fetch, and the Program Counter is not incremented. Microcontroladores - Prof: Demantova 38

39 6.3 CPU COM O 8051: Microcontroladores - Prof: Demantova 39

40 6.4 SINAIS DE CONTROLE NO 8051: D0-D7 D0-D7 AD0-AD7 Latch A0-A7 EPROM 27xxx A0-A7 RAM 62xxx CK ALE 8051 A8-A15 A8-A15 OE\ OE\ WR\ PSEN\ RD\ WR\ PSEN\ RD\ WR\ Função Nenhum Acesso Externo Escrita na Memória de Dados Leitura da Memória de Dados Leitura da Memória de Programa Microcontroladores - Prof: Demantova 40

41 6.5 CPU COM O 80C32: 41

42 7. CPU COM O 89S52: Elaborado por Gilson Yukio Sato 42

43 8. ORGANIZAÇÃO DE MEMÓRIA NO 8051: O 8051 possui áreas de memória que se diferenciam quanto a função e modo de acesso: Área de Memória de Programa Microcontroladores - Prof: Demantova 43

44 8. ORGANIZAÇÃO DE MEMÓRIA NO 8051: 00H 0000H BANCOS DE REGISTROS 00H 7FH 80H RAM INTERNA REGISTROS ESPECIAIS REGISTROS ENDEREÇÁVEIS POR BIT RAM DE USO GERAL 1FH 20H 2FH 30H RAM EXTERNA RD\ WR\ FFH 7FH FFFFH Área de Ram Interna\Externa Microcontroladores - Prof: Demantova 44

45 8. ORGANIZAÇÃO DE MEMÓRIA NO 8051: Microcontroladores - Prof: Demantova 45

46 8. 1 BANCOS DE REGISTROS: End. Registro End. Registro End. Registro End. Registro 00H R0 08H R0 10H R0 18H R0\ 01H R1 09H R1 11H R1 19H R1\ 02H R2 0AH R2 12H R2 1AH R2\ 03H R3 0BH R3 13H R3 1BH R3\ 04H R4 0CH R4 14H R4 1CH R4\ 05H R5 0DH R5 15H R5 1DH R5\ 06H R6 0EH R6 16H R6 1EH R6\ 07H R7 0FH R7 17H R7 1FH R7\ Microcontroladores - Prof: Demantova 46

47 8. 2 ENDEREÇOS BIT/BYTE ENDEREÇÁVEIS: End. Byte Endereço do Bit bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0 20H 07H 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H 21H 0FH 0EH 0DH 0CH 0BH 0AH 09H 08H 22H 17H 16H 15H 14H 13H 12H 11H 10H 23H 1FH 1EH 1DH 1CH 1BH 1AH 19H 18H 24H 27H 26H 25H 24H 23H 22H 21H 20H 25H 2FH 2EH 2DH 2CH 2BH 2AH 29H 28H 26H 37H 36H 35H 34H 33H 32H 31H 30H 27H 3FH 3EH 3DH 3CH 3BH 3AH 39H 38H 28H 47H 46H 45H 44H 43H 42H 41H 40H 29H 4FH 4EH 4DH 4CH 4BH 4AH 49H 48H 2AH 57H 56H 55H 54H 53H 52H 51H 50H 2BH 5FH 5EH 5DH 4CH 5BH 5AH 59H 58H 2CH 67H 66H 65H 64H 63H 62H 61H 60H 2DH 6FH 6EH 6DH 6CH 6BH 6AH 69H 68H 2EH 77H 76H 75H 74H 73H 72H 71H 70H 2FH 7FH 7EH 7DH 7CH 7BH 7AH 79H 78H Microcontroladores - Prof: Demantova 47

48 8. 3 REGISTROS DE FUNÇÃO ESPECIAL: PC Program Counter PSW (D0H) Program Status Word SP (81H) Stack Pointer A (E0H) e B (F0H) DPH (83H) e DPL (82H) P0 (80H), P1 (90H), P2(A0H) e P3(B0H) IE (A8H) Interrupt Enable e IP (B8H) Interrupt Priority PCON (87H) Power Control TCON (88H) Timer Control e TMOD (89H) Timer Mode TH1 (8DH), TL1 (8BH), TH0 (8CH) e TL0 (8AH) SCON (98H) Serial Control e SBUF (99H) Serial Buffer Microcontroladores - Prof: Demantova 48

49 8. 4 Reg. de Função. Esp. Bit Endereçáveis: Registro Endereços Individuais dos Bits bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0 P0 87H 86H 85H 84H 83H 82H 81H 80H P1 97H 96H 95H 94H 93H 92H 91H 90H P2 A7H A6H A5H A4H A3H A2H A1H A0H P3 B7H B6H B5H B4H B3H B2H B1H B0H A E7H E6H E5H E4H E3H E2H E1H E0H B F7H F6H F5H F4H F3H F2H F1H F0H TCON TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H SCON SM1 SM2 SM3 REN TB8 RB8 T1 R1 9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H IE IP PSW EA ES ET1 EX1 ET0 EX0 AFH ACH ABH AAH A9H A8H PS PT1 PX1 PT0 PX0 BCH BBH BAH B9H B8H CY AC F0 RS1 RS0 OV P D7H D6H D5H D4H D3H D2H D0H Microcontroladores - Prof: Demantova 49

50 8. 5 RAM INTERNA DE USO GERAL: 80 POSIÇÕES DE MEMÓRIA CONSECUTIVAS ENTRE O ENDEREÇO 30H E 7FH RAM EXTERNA: ÁREA DE MEMÓRIA DE ENDEREÇAMENTO EXTERNO ENTRE OS ENDEREÇOS DE 0000H A FFFFH. Microcontroladores - Prof: Demantova 50

51 8. 7 ESTRUTURA INTERNA SIMPLIFICADA DE UM TERMINAL DO PORT 1: Microcontroladores - Prof: Demantova 51

52 8. 7 ESTRUTURA INTERNA SIMPLIFICADA DE UM TERMINAL DO PORT 1: Observações: Existem instruções que fazem a leitura do valor lógico presente no terminal enquanto outras o valor da saída Q do flip-flop. A porta P0 não possui o resistor de pull-up. Quando de uma operação de escrita a porta se comporta com um latch. Existem características de corrente máxima para cada pino de uma porta e para toda a porta (8 bits) do microcontrolador, devendo estas serem respeitadas simultaneamente. Microcontroladores - Prof: Demantova 52

53 8.8 AS PORTAS DO 8051: - P0, P1, P2, and P3 são os SFR latches das Portas 0, 1, 2, and 3. - Escrevendo um bit 1 ou 0 no SFR (P0, P1, P2, or P3) faz o pino ir para 1 ou 0. - Quando usado como entrada o estado externo no pino estará presente no respectivo SFR. - Todas as 4 portas são bidirecionais. Consistem de um latch, um driver de saída e um buffer de entrada. Microcontroladores - Prof: Demantova 53

54 8.8 AS PORTAS DO 8051: - Os drivers de saída das portas 0 e 2, e os buffers de entrada da porta 0, são usadas quando necessário acesso a memória externa. - Porta 0 fornece o byte baixo do endereço multiplexado com o dado a ser escrito ou lido. - Port 2 fornece o byte alto do endereço de 16 bits, se o endereço possui 16 bits. Caso contrário os pinos da porta P2 continuam a refletir o conteúdo SFR. Microcontroladores - Prof: Demantova 54

55 8.8 AS PORTAS DO 8051: Os pinos da porta 3 são multifuncionais. Funções alternativas: - P3.0 RxD (serial input port) - P3.1 TxD (serial output port) - P3.2 INT0 (external interrupt) - P3.3 INT1 (external interrupt) - P3.4 T0 (Timer/Counter 0 external input) - P3.5 T1 (Timer/Counter 1 external input) - P3.6 WR (external Data Memory write strobe) - P3.7 RD (external Data Memory read strobe) Obs: As funções alternativas só podem ser ativadas se o bit correspondente no SFR éstá em 1. Microcontroladores - Prof: Demantova 55

56 9. APS Gravador - USBasp Baseado no gravador de Microcontroladores - Prof: Demantova 56

57 9. APS Gravador - USBasp Microcontroladores - Prof: Demantova 57

58 9. APS Gravador - USBasp Layout aproximado. Verificar alterações sugeridas em aula. Microcontroladores - Prof: Demantova 58