ENGENHARIA DE SISTEMAS MICROPROCESSADOS Prof. Pierre Vilar Dantas

Turma: 0040-A

Horário: 4N

Aula 01 - 26/07/2017

Plano de ensino

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TÓPICOS§ Conceitos gerais.

• Evolução dos microprocessadores.

• Arquiteturas.

• Principais características dos microprocessadores.

• Critérios para escolha de um microprocessador.

• Exercícios.

Conceitos Gerais

Conceitos Gerais• Microprocessador;

• Microcomputador;

• Microcontrolador;

• DSP (Digital Signal Processor).

Arquitetura Básica de um Microcomputador• Von Newman - CISC – Complex Instruction Set Computer

CPU

Memória

Dados

I/O

Barramento de Endereços

Barramento de Controle

Barramento de Dados

Programa

Arquitetura Básica de um MicrocomputadorVon Newman - CISC – Complex Instruction Set Computer

• Os dados e instruções são armazenados em uma únicamemória de leitura e escrita, mais simples, menos restritivo,menos eficiente, execução sequencial de instruções;

• Dados e instruções armazenados em uma única memória deleitura e escrita;

• Endereçamento da memória por posição e não pelo tipo;

• Execução sequencial de instruções;

• Único caminho entre memória e CPU;

• Usado pela maioria dos microprocessadores tradicionais.

Arquitetura Básica de um Microcomputador• Harvard - RISC – Reduced Instruction Set Computer

CPU Dados

Bus de Códigos Bus de Dados

Programa Bus de Endereços Bus de Endereços

Arquitetura Básica de um MicrocomputadorHavard - RISC – Reduced Instruction Set Computer

• Variação da arquitetura von Neumann;

• Barramentos separados para instruções e dados, portantotrafegam em barramentos diferentes => paralelismo;

• Memórias separadas para instruções e dados;

• Arquitetura mais complexa;

• Acesso simultâneo às memórias;

• Pipeline*;

• Usado pela grande maioria dos microcontroladores e DSPs.

RISC x CISCRISC

• Instruções simples de apenas 1 ciclo

• Referencias a memória só com LOAD/STORE

• Uso intensivo de pipeline

• Instruções executadas por hardware

• Instruções de formato fixo

• Poucas instruções com poucos modos de endereçamento

• A complexidade está no compilador

• Vários conjuntos de registradores

CISC

• Instruções complexas com vários ciclos

• Qualquer instrução pode referenciar à memória

• Pouco uso de pipeline

• Instruções interpretadas por microprograma

• Instruções com formato variável

• Muitas instruções com muitos modos de endereçamento

• A complexidade está no microprograma

• Um único conjunto de registradores

Evolução dos Microcontroladores

Microprocessadores de 8/16 bits

Microprocessadores de 8/16 bits

Microcontroladores 4/8/16 bits

•Microcomputadores de 8/16 bits

•S.O. 8/16 bits

•Aplicações de propósito geral

•Aplicações específicas

•Expansão de barramentos

•Expansão de clock

•Uso intenso de armazenamento secundário

•Hierarquia de memória

•Casamento com o S.O.

•Pipeline

•Sistemas dedicados

•Apenas um processamento por vez

•Integração de I/O e memória

•S.O. Kernels

•Instruções voltadas para controle

•Computação em tempo real

Microprocessador• CPU para computadores de propósito geral;

• Não apresenta RAM, ROM, I/O embarcada na CPU.

CPU

µP de

propósito

geral

RAM ROM I/OPort Timer

SerialCOMPort

Data Bus

Address Bus

Diversos chips na placa mãe

Microcontrolador• Um computador em um único chip;

• RAM, ROM, I/O portas: embarcados.

RAM ROM

I/O Port Timer

Serial COM Port

CPUChip único

Sistema Embarcado• Processador está embarcado na aplicação;

• Utiliza um microprocessador ou microcontrolador parafazer uma tarefa apenas;

• Existe somente uma aplicação de software quenormalmente está gravada em ROM;

• Normalmente existe a interação com o meio ambiente oucom o operador;

• Exemplo: impressora, teclado, video game, celular, tablet,etc.

Critérios para a escolha de um Microcontrolador• Combinar as necessidades computacionais com o custo

� Velocidade, quantidade de memória ROM e RAM, Ports de I/O,packaging, consumo de potencia;

� Facilidades de atualização (upgrade);� Custo por unidade.

• Disponibilidade de software e ferramentas dedesenvolvimento� Assemblers, debuggers, compilador, emulador, simulador,

suporte técnico.

• Fornecimento de materiais e insumos com facilidade econfiabilidade;

• Grau de especialização de equipe de desenvolvimento.

Arquitetura interna de um microcontrolador

Processadores Digitais de Sinais(DSP)• Otimizado para o tratamento digital de sinais;

• Aplicações que exigem processamento de sinais em temporeal:� Áudio, imagem, temperatura, intensidade luminosa, pressão,

sinais biomédicos, etc.

• Capazes de realizar operações MAC (Multiplica e Acumula,em um único ciclo de instrução), permitindo oprocessamento em tempo real.

Principais características dos DSPs• Processadores para tratamento de dados em ponto fixo ou

flutuante;

• Arquitetura otimizada para computação intensiva;

• Modos de endereçamento especiais para suporte eficiente aoperações de processamento de sinais (endereçamento circularpara tratamento de filtros, endereçamento “bit-reverse” paratransformada rápida de Fourier);

• Formato de dados (16 ou 32 bits típicos);

• Muitos periféricos especializados “on chip” (portas seriais,memória, timers, conversores A/D e D/A, geradores de PWM,etc);

• Baixo custo;

• Baixo consumo.

Hardware/Software/Firmware• Hardware e Software

� Hardware: conjunto de dispositivos elétricos/eletrônicos queenglobam a CPU, a memória e os dispositivos de E/S;

� Software: consiste em algoritmos e suas representações para ocomputador ou seja, os programas.

• Firmware� Programa ou conjunto de programas que orientam a sua

inicialização e operação. Por esta razão são softwarespermanentemente residentes em ROM.

Memória

Memória

ARQUITETURAS• Pela escolha do seu conjunto de instruções podemos ter:

• Arquiteturas CISC (Complex Instruction Set Computer)� As máquinas CISC apresentam um conjunto muito grande de

instruções (acima de 100 por exemplo) e algumas delas sãoexecutadas em múltiplos ciclos de relógio.

• Arquiteturas RISC (Reduced Instruction Set Computer)� Quando apresentam um conjunto específico de instruções, sendo

de mesmo tamanho e são normalmente processadas em umúnico ciclo.

ARQUITETURAS• Implementações CISC e RISC vem se tornando cada vez

mais similares;

• Arquiteturas RISC da atualidade possuem um número deinstruções equivalente as arquiteturas CISC de geraçõesanteriores;

• Arquiteturas CISC passaram a executar mais de umainstrução por ciclo, utilizando pipeline;

Pipeline• Técnica de hardware que permite que a CPU realize busca

de uma ou mais instruções além da próxima a serexecutada;

• Estas instruções são colocadas em uma fila dememória(dentro da CPU) onde aguardam o momento deserem executadas;

• É utilizada para acelerar a velocidade de operação da CPU,uma vez que a próxima instrução a ser executada estánormalmente armazenada dentro da CPU e não precisa serbuscada da memória, normalmente muito mais lenta que aCPU;

• Cache-oblivious/cache-aware.

Exercícios• Qual a diferença básica entre microprocessador e microcontrolador?

• O que é memória cache? Qual a sua finalidade?

• Quais as diferenças entre software e firmware?

• Como são definidas as arquiteturas dos computadores? Explique.

• Quais as principais características dos Microprocessadores?

• Quais as principais características dos DSPs?

• Qual a diferença fundamental entre a arquitetura von Neumann e a Harvard?Qual é a mais rápida? Justifique.

• O que é pipeline? Qual a vantagem?

• Qual a diferença entre CISC e RISC?

• O que são em computação ponto fixo e flutuante de números reais?

Mandar as respostas em PDF usando o link:https://www.dropbox.com/request/UVnFnSMxwJDsQqnor0n6