MICROCONTROLADORES I HARDWARE Prof. Mauricio Aula 0a: Introdução ao Hardware Objetivos 2 Diferença entre Microprocessador e Fabricantes Arquiteturas RISC e CISC Von-Neumann e Harvard Prof. Mauricio
3 Os microcontroladores, surgidos em torno de dez anos após o surgimento dos primeiros microprocessadores, foram uma adaptação da indústria de eletrônica digital para atender as necessidades do mercado. Essa necessidade se dava pela dificuldade em termos de custos e complexidade de qualquer circuito digital em sistemas embarcados que precisasse de um processamento de dados. 4 es Prof. Mauricio 2
5 Um microprocessador é um circuito muito complexo, em forma de circuito integrado, que pode conter milhões de transistores. Estes transistores internos constituem os mais diversos circuitos lógicos: como contadores, registradores, decodificadores, e centenas de outros. Estes circuitos lógicos são dispostos de maneira complexa, dando ao microprocessador a capacidade de executar operações lógicas, aritméticas, e de controle. Porém, apesar da sua grande capacidade de processamento, os microprocessadores são desprovidos de dispositivos essenciais para o funcionamento de um sistema. 6 Exemplo: Para se fazer um simples circuito de controle de um elevador seriam necessários: Um microprocessador. Memória ROM para o programa. Memória RAM para os dados. Uma porta paralela para dar saída aos acionamentos. Uma outra porta pra receber os sinais digitais dos sensores. Uma porta serial para fazermos as configurações e rodarmos os diagnósticos. Um conversor AD para ler o sensor de carga que informa o peso total das pessoas que entram no elevador. Um temporizador para medir o tempo que a porta deve ficar aberta, dentre outros. Prof. Mauricio 3
7 Com essa extensa lista, chegamos a um circuito cujo diagrama de blocos é mostrado abaixo: ROM RAM Temporizadores Porta Paralela Porta Serial Conversores AD e DA Diagrama em blocos do circuito para o elevador. 8 Para a realização desse circuito, precisaríamos de uma placa controladora de tamanho razoável e com muitos CI s. Desta forma o circuito seria caro e perderia confiabilidade devido à grande quantidade de componentes, o que seria fatal para qualquer indústria que deseja ser competitiva. Além disso, haveria um processamento demasiadamente sofisticado para o problema proposto. Prof. Mauricio 4
9 Como não será feito processamento sofisticado, sua CPU não precisa ter uma grande capacidade de processamento, mas deve oferecer um conjunto de instruções simples, que gere programas pequenos e de rápida execução, ou seja, as instruções devem ser pequenas e velozes. É preciso ainda oferecer uma forma simples de se interfacear com outros periféricos que venham a ser adicionados. 0 Um microcontrolador é constituído em uma única pastilha de: Microprocessador Oscilador Memórias RAM Memórias de Programa Conversor A/D Etc. Prof. Mauricio 5
Etc. A/D D/A CPU ROM RAM Porta Paralela Porta Serial Etc. Temporizadores Um único Chip Exemplo de arquitetura de um. 2 Os es englobam em um único circuito integrado grande parte dos periféricos listados no exemplo de controle de um elevador mostrado. Em um microcontrolador, as memórias RAM e ROM, conversor AD, temporizadores, controladores serial e paralelo e a CPU são todas integrados em um bloco. Prof. Mauricio 6
3 Por serem compostos apenas de uma peça possuem as seguintes vantagens: Maior confiabilidade. São mais baratos. Consomem menos energia. Fase de projeto reduzida. Manutenção facilitada. Ou seja, são muitas as vantagens em relação ao uso de um microprocessador com circuito. 4 Onde é possível encontrar microcontroladores? Telefonia Automóveis Aviação Diversão Eletrodomésticos Calculadoras Máquinas Informática Sistemas Bancários Segurança Celulares Sistemas Hospitalares Etc. Prof. Mauricio 7
Fabricantes de es 5 Atualmente, existem vários fabricantes de microcontroladores, dentre os quais destacam-se: ATMEL DALLAS INTEL MICROCHIP MOTOROLA NATIONAL NXP SIEMENS SILICON LABS ST TEXAS INSTRUMENTS ZILOG, etc... Von-Neumann e Harvard 6 Von-Neumann e Harvard Prof. Mauricio 8
Von-Neumann e Harvard 7 Barramentos Um barramento, ou bus, nada mais é do que um caminho comum pelo qual os dados trafegam dentro do computador. Este caminho é usado para comunicações e pode ser estabelecido entre dois ou mais elementos do computador. O tamanho de um barramento é importante pois ele determina quantos dados podem ser transmitidos em uma única vez. Por exemplo, um barramento de 6 bits pode transmitir 6 bits de dado, e um barramento de 32 bits pode transmitir 32 bits de dados a cada vez. Von-Neumann e Harvard 8 Exemplo CPU 0 0 0 0 0 Memória RAM Barramento com 6 vias. Prof. Mauricio 9
Von-Neumann e Harvard 9 Barramentos Von-Neumann e Harvard 20 Prof. Mauricio 0
Von-Neumann e Harvard 2 Arquitetura de Von Neumann Na arquitetura Von-Neumann, os barramentos de dados e endereços são compartilhados entre memórias de programas e memórias de dados na comunicação com a CPU. Nesse tipo de arquitetura, quando a CPU está acessando a memória de programa não pode acessar a memória de dados, porque usa os mesmos barramentos para as duas memórias. Von-Neumann e Harvard 22 Arquitetura de Von Neumann A separação entre a CPU e a memória leva para o gargalo de Von Neumann, a produção limitada (taxa de transferência) entre a CPU e a memória em comparação com a quantidade de memória. Na maioria dos computadores modernos, o throughput é muito menor do que a taxa com que o processador pode trabalhar. Isso limita seriamente a velocidade de processamento eficaz quando o processador é exigido para realizar o processamento mínimo em grandes quantidades de dados. Prof. Mauricio
Von-Neumann e Harvard 23 Arquitetura de Von Neumann Primeiros computadores de arquitetura von Neumann (CISC) A Primeira Ideia (primeiro rascunho - First Draft) descrevia um design de computador que foi usado por muitas universidades e corporações para construir seus computadores. Dentre esses computadores, somente o ILLIAC e o ORDVAC possuíam instruções compatíveis. Von-Neumann e Harvard 24 Arquitetura de Von Neumann Primeiros computadores de arquitetura von Neumann (CISC) ORDVAC (U-Illinois) @ Aberdeen Proving Ground, Maryland (completado em novembro de 950) IAS machine @ Princeton University (jan. de 952) MANIAC I @ Los Alamos Scientific Laboratory (mar. 952) ILLIAC @ the University of Illinois, (set. 952) AVIDAC @ Argonne National Laboratory (953) ORACLE @ Oak Ridge National Laboratory (jun. 953) JOHNNIAC @ RAND Corporation (jan. 954) BESK em Stockholm (953) BESM- em Moscow (952) DASK em Denmark (955) PERM em Munich (956?) SILLIAC em Sydney (956) WEIZAC em Rehovoth (955) Prof. Mauricio 2
Von-Neumann e Harvard 25 Arquitetura Von-Neumann CPU Barramento de Dados e Endereços Memória de Programas Memória de Dados Von-Neumann e Harvard 26 Arquitetura Harvard É uma arquitetura de computador que se distingue das outras por possuir duas memórias diferentes e independentes em termos de barramento e ligação ao processador. É utilizada nos microcontroladores PIC, tem como principal característica acessar a memória de dados separadamente da memória de programa. Prof. Mauricio 3
Von-Neumann e Harvard 27 Arquitetura Harvard Baseada também na separação de barramentos de dados das memórias onde estão as instruções de programa e das memórias de dados, permitindo que um processador possa acessar as duas simultaneamente, obtendo um desempenho melhor do que a da Arquitetura de Von Neumann, pois pode buscar uma nova instrução enquanto executa outra. Von-Neumann e Harvard 28 Arquitetura Harvard A principal vantagem dessa arquitetura é que a leitura de instruções e de alguns tipos de operandos pode ser feita ao mesmo tempo em que a execução das instruções (tempo Tcy). Isso significa que o sistema fica todo o tempo executando instruções, o que acarreta um significativo ganho de velocidade. Enquanto uma instrução está sendo executada, a seguinte está sendo lida. Esse processo é conhecido como pipelining (canalização). Prof. Mauricio 4
Von-Neumann e Harvard 29 Arquitetura Harvard A arquitetura Harvard também possui um repertório com menos instruções que a de Von- Neumann, e essas são executadas apenas num único ciclo de relógio. Von-Neumann e Harvard 30 Arquitetura Harvard Memória de Programas CPU Memória de Dados Prof. Mauricio 5
Von-Neumann e Harvard 3 Von-Neumann x Harvard RISC e CISC 32 RISC x CISC Prof. Mauricio 6
RISC e CISC 33 Instruções Conjunto de instruções (tradução de instruction set ) são as operações que um processador, microprocessador, microcontrolador, CPU ou outros periféricos programáveis suporta, fornece ou disponibiliza para o programador, ou seja, é a representação em mnemônicos do código de máquina, com a finalidade de facilitar o acesso ao componente. INÍCIO Buscar uma instrução na Memória Interpretar uma Instrução Executar a Instrução RISC e CISC 34 RISC RISC (Reduced Instruction Set Computer): Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções. Uma máquina RISC oferece um número muito reduzido de instruções, desde uma a poucas dezenas, e cada instrução apenas realiza uma ação muito simples. Se este conjunto satisfazer o critério de ser genérico, isto é, permitir programar qualquer algoritmo, então temos de reconhecer a grande vantagem desta abordagem: a sua simplicidade facilita a construção hardware da arquitetura do microcontrolador. A unidade de Controle da CPU fica mais simples e, portanto, menor, onde ocupa menor área na pastilha ('chip') do material semicondutor (Silício, habitualmente) sobre o qual são implantados os circuitos digitais que realizam os componentes do controlador. Ficando a Unidade de Controle menor, mais espaço livre fica na CPU, que pode ser aproveitado para outras unidades que aumentem o ritmo de execuções do CPU, por exemplo, um maior número de registradores de dados, uma memória interna a CPU, etc. Prof. Mauricio 7
RISC e CISC 35 RISC Favorece um conjunto simples e pequeno de instruções que levam aproximadamente a mesma quantidade de tempo para serem executadas. Instruções do Mesmo Tamanho: as instruções tem sempre um único tamanho, e uma única maneira de executá-las. Uma Instrução por Ciclo de Máquina: todas as instruções são executadas em um único ciclo, fazendo com que o processador execute várias instruções ao mesmo tempo, tornando o processamento muito mais rápido. Isto é possível devido a um tipo de tecnologia chamada de Pipelined. RISC e CISC 36 RISC Prof. Mauricio 8
RISC e CISC 37 CISC CISC (Complex Instruction Set Computer): Computador com Set de Instrução mais Complexo. Uma máquina CISC segue uma filosofia oposta, procurando suportar o mais diretamente possível os mecanismos das instruções da linguagem de alto nível. A sua principal desvantagem é que a Unidade de Controle fica mais complexa, dada a variedade e complexidade das instruções. Para além do mencionado aspecto de aumentar o espaço ocupado pelos circuitos, isto também dificulta as otimizações das micro-ações que a Unidade de Controle deve realizar, para obter execuções mais rápidas das instruções. Por exemplo, no modelo CISC, dada a grande variedade de instruções, estas têm formatos variáveis e as suas representações em bits variam, por exemplo, desde até 6 bytes, equivalente aos seus tipos. RISC e CISC 38 CISC Ter um complexo (grande) set de intruções CISC nem sempre é interessante para um bom desempenho do processador. Numa análise feita pelo laboratório da IBM sobre como estavam sendo usado os diversos tipos de instruções, concluíram que num microprocessador que usava um set de instruções de, por exemplo, 200 instruções, a maior parte do processamento era feita apenas com umas 0 instruções. Uma grande parte das instruções era pouco usada, às vezes até uma única vez em um longo programa, de modo que elas poderiam ser implementadas pelas instruções básicas mais usadas. Prof. Mauricio 9
RISC e CISC 39 CISC RISC e CISC 40 CISC x RISC RISC CISC Instruções simples com poucos ciclos. Instruções complexas com vários ciclos. Uso intensivo do Pipeline. Pouco uso de Pipeline. Instruções executadas por Hardware. Instruções interpretadas por microprogramas. Instruções de formato fixo. Instruções de formato variável. Poucas instruções com poucos modos de endereçamento. A complexidade está no compilador. Muitas instruções com muitos modos de endereçamento. A complexidade está no microprograma. Vários conjuntos de registradores. Um único conjunto de registradores. Prof. Mauricio 20
Questionário 4 ) Descreva brevemente a diferença entre Microprocessador e. 2) Quais as diferenças básicas das arquiteturas Von- Neumann e Harvard? 3) Quais são as diferenças entre uma máquina RISC comparada com uma máquina CISC? 4) Os processadores atuais utilizam tecnologias RISC/CISC? Faça uma pesquisa. Referências 42 es PIC Programação Embarcada em C Linguagem C Embarcada para es Introdução à Programação de es Família PIC8F Microchip Baseado no Compilador mikroc PRO for PIC Microgenios www.pictronics.com.br Desbravando o PIC David José de Souza Ed. Érica es PIC Programação em C Arquitetura de um Fábio Pereira Ed. Érica Apostila Prof. Dimas (Etec GV) Prof. Mauricio 2
Dúvidas 43 Terminamos!!! Alguma Dúvida??? Prof. Mauricio 22