Aplicações Avançadas de

Microprocessadores

Professor: Marco Shawn Meireles Machado

Iniciação aos sistemas microcontrolados

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.

Conteúdos da Aula:

•Conceitos básicos

•Estrutura de um microcontrolador

• CPU

• Barramentos

• Memória

• Entrada

• Saída

• Periféricos

Sabemos o que são microcontroladores e

como eles surgiram, mas para entender o

funcionamento, temos que conhecer sua

estrutura interna.

1. Iniciação aos sistemas

microcontrolados

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.

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

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.

2. Conceitos básicos

Os microcontroladores possuem

características distintas, segundo o

fabricante e o modelo, mas basicamente

operam da mesma forma e sua estrutura

interna é bastante semelhante.

3. Estrutura de um microcontrolador

CPU significa Central Processor Unit, ou unidade de processamento central. A CPU é o cérebro de

um computador, controlando todo o processamento da máquina.

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.

3.1. CPU

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.

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.

3.2. ULA

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.

Símbolo genérico da ULA

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.

3.3. Acumulador

Acumulador no lugar do registrador B

O registrador de instrução (IR) registra a instrução a ser executada. Esta instrução informa a ULA qual

operação deve ser feita.

3.4. Registrador de Instrução

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.

3.5. Contador de programa

A unidade de controle controla todos os componentes da CPU. As três funções de uma

unidade de controle são: busca, decodificação e execução.

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.

3.6. Unidade de Controle

A memória é o elemento responsável por

armazenar informações.

A memória pode armazenar dados, enquanto

estão sendo processados, a isso chamamos

memória de dados.

3.7. Memória

• 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.

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.

• 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.

Modelo didático da memória

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.

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.

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.

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.

3.8. Barramentos

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.

4. Entradas/saídas

• Para executar determinada tarefa, ligamosum botão em um pino de entrada, capaz deobter informação externa e transferir para amemória do processador, para posteriorprocessamento. São dois os tipos deentradas:

• Entrada digital - lê valores booleanos, como0V e 5V, no caso da lógica TTL, ou seja, estepino lê verdadeiro (nível lógico alto) ou falso(nível lógico baixo).

• Entrada analógica - é um pino capaz de lero nível de tensão e realizar a conversão paraum valor binário proporcional a esse valor detensão.

• 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.

• 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.

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.

5. Periféricos

5.1. Comunicação Série

5.2. Unidade de Temporização

5.3. Watchdog

5.3. Conversor Analógico/Digital

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.

• 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.

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.

Glossário de termos relacionados ao microcontrolador

Encapsulamentos

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.

6.1. Interrupções

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

Rotina de interrupção

Para o funcionamento do microcontrolador, é necessário prover um mínimo de recursos de

hardware.

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.

6.6. Hardware mínimo

6.6. Hardware mínimo

6.6. Hardware mínimo

6.7. Reset

Síntese da Aula:

Nesta aula estudamos sobre:

•Conceitos básicos

•Estrutura de um microcontrolador

• CPU

• Barramentos

• Memória

• Entrada

• Saída

• Periféricos