microcontroladores 1 curso técnico eletrônica

MICROCONTROLADORES 1Curso Técnico Eletrônica

Prof. Fábio Kurt Schneider

AVALIAÇÃO

Nota 1:APS = 20% (Projeto de Sistemas Microcontrolados)

EXERCÍCIOS ASSEMBLY = 10% (ASSEMBLY)

AVALIAÇÃO TEÓRICA/PRÁTICA = 70% (ARQUITETURA INTERNA E ASSEMBLY)

Nota 2:Função otimizada em ASSEMBLY = 20% (ALTO DESEMPENHO)

LABORATÓRIOS = 40%

PROJETO FINAL = 40%

• PROGRAMAÇÃO E CONTEÚDOS DAS AULAS (PREVISÃO)

PROGRAMAÇÃO E CONTEÚDOS DAS AULAS (PREVISÃO)

Dia/Mês ou

SemanaConteúdo das Aulas

Número de

08-09/08/17

Informações da disciplina e avaliação

Definição da APS

Introdução a microcontrolador genérico

- Sistema microprocessado típico; Microprocessador hipotético: barramentos de dados,

endereços, e controle, ULA, registros internos, PC, SP, Acc; Microcontrolador

vs.microprocessador; Principais famílias de microcontroladores;

15-16/08/17

Microcontrolador específico - Arquitetura interna ATMEGA328.

- Descrição dos pinos; Organização de memória; Memória SRAM interna de dados; Memória

SRAM interna de uso específico; Acesso à memória externa; Interrupção, Temporizadores, ADC

Ferramentas de Desenvolvimento de Sistemas Microcontrolados

22-23/08/17

Algoritmos

Instruções Lógicas e Aritméticas , Instruções de Controle de Fluxo, Exemplos em assembly com o

uControlador específico

29-30/08/17Instruções Assembly e exemplos: controle de fluxo, laços, escrita e leitura em memória, controle

periféricos.... 3

05-06/09/17Instruções Assembly e exemplos: controle de fluxo, laços, escrita e leitura em memória, controle

periféricos....3

12-13/09/17 Simulação 3

19-20/09/17

Entrega E AVALIAÇÃO APS

1 – Esquemático (Power, uC, Periféricos, Conectores)

2 – Explicativo dos blocos do sistema

3 - Tabela Características

4 – B.O.M. e R$

26-27/09/17SEMANA TECNOLÓGICA

03-04/10/17 Avaliação 1 – Teórico prática 3

10-11/10/17 Definição Projeto Final – Recuperação Prova Teórico Prática 3

PROGRAMAÇÃO E CONTEÚDOS DAS AULAS (PREVISÃO)

Dia/Mês ou

SemanaConteúdo das Aulas

Número de

03-04/10/17 Avaliação 1 – Teórico prática 3

10-11/10/17 Definição Projeto Final – Recuperação Prova Teórico Prática 3

17-18/10/17 Interrupções e Temporizadores 3

24-25/10/17 Comunicação serial (WIFI, Bluetooth, ...) 3

31/10/17

01/11/17Dispositivos de entrada e saída (teclado, LCD, monitor - PC) 3

07-08/11/17 Desenvolvimento do Projeto 3

14/11/17 Desenvolvimento do Projeto 3

21-22/11/17 Desenvolvimento do Projeto 3

28-29/11/17 Apresentação e AVALIAÇÃO Projeto Final 3

05-06/12/17 Recuperação Projeto Final 3

12-13/12/17 3

~17 semanas x 3h Como isto pode impactar sua vida?

• Fábio Kurt Schneider: • Apucarana 1967-1984,

• CEFET-Curitiba 1985-1989 (Eng. Elétrica – Eletrônica e Telecomunicações),

• Engenheiro de Desenvolvimento 1989-1993 (In-circuit emulator and bus analyser, Fontes CC de elevada potência, Medidor de água em leite, medidorde gordura em leite),

• CEFET-PR 1993-1995 Mestrado em Eng. Biomédica (Medição de Fluorescênciapara determinar Concentração de Oxigênio - OPTOELETRÔNICA),

• Professor Efetivo CEFET desde 01/09/1995

• University of Washington 2001-2006 – Ph.D. Eng. Elétrica

• UTFPR: Desde 2006 orientador de mestrado e doutorado: CPGEI e PPGEB

• PROPPG (03/2013 a 08/2016)

"Alex Jhonata Santos De Oliveira" <alexoliveira.1998@alunos.utfpr.edu.br>,

"Artur Heineck Hahn" <arturhhahn@gmail.com>,

"Ingrid Do Rocio Gasparin" <ingridgasparin@hotmail.com>,

"Jorge Lucas Vicilli Jabczenski" <jabczenski@alunos.utfpr.edu.br>,

"Leonardo Braga De Cristo" <cristo@alunos.utfpr.edu.br>,

"Lucas Eduardo Bonancio Skora" <lucasskora@alunos.utfpr.edu.br>,

"Ludwig Aumann" <ludwig@alunos.utfpr.edu.br>,

"Luiz Fernando De Almeida Mota" <luizmota@alunos.utfpr.edu.br>,

"Pedro Andre Silveira Paiva" <pedroaspaiva@gmail.com>,

"Victor Hugo Dambrat Bergossi" <victor.hugo.d.bergossi@gmail.com>,

"Fellipe Arcanjo Trindade" <fellipe_05@hotmail.com>,

"Fernanda Franco Grilo Machado" <fermac@alunos.utfpr.edu.br>,

"Gustavo Brizola Da Silva" <gustavo.brizola@hotmail.com>,

"Jean Carlo Do Carmo" <jeancarlodocarmo@hotmail.com>,

"Laura De Barros Gunha" <lauragunha@hotmail.com>,

"Lucas Albuquerque Sales" <lucassales-01@hotmail.com>,

"Lucas Rafael De Andrade" <atrefellis@hotmail.com>,

"Matheus Augusto Burda" <flavio@personativa.com.br>,

"Miguel Michalouski Santos Lima" <miguellima@alunos.utfpr.edu.br>,

"Pedro Henrique Fracaro Kiche" <pedrohenriquekiche@gmail.com>,

"Sarah Guebur Quoos" <sarahgq99@hotmail.com>,

"Thiago Augusto De Souza" <augustodesouza41@gmail.com>,

"Vinicius Rodrigues Gemin" <viniciusgemin@alunos.utfpr.edu.br>,

Instruções executadas por segundo

Maior que 16 milhões

Programável com comunicação serial

USB, ....

Memória de Programa Flash 32 kB

Memória RAM 4 kBRegistradores Internos Maior ou igual 32 registradoresTimers 3 ou +ADC Pelo menos 1, 10 ou mais bits, amostragem ,aior

ou igual a 1MHzPinos I/O Pelo menos 10 disponíveis em conector

Pino de controle preparado para ligar/desligar dispositivo EXTERNO.

Tensão 5-12V externo e corrente (dispositivo ligado) de 600 mA

DAC Opcional de 10 ou mais bits

Aps: Projete um Sistema Microcontrolado com custo de componentes SMD preferencialmente

inferior a USD 5,00 (OU O MAIS PRÓXIMO DE 5USD) capaz de apresentar as seguintes

características:

Apresentar um Relatório Impresso Simplificado INDIVIDUAL contendo:

•Tabela de Características do sistema projetado

•Esquemático completo

•Explicativo 5-15 de cada bloco usado para atender as principais características do sistema

•Lista de materiais COM PREÇO na origem (mouser, digikey, arrow, ...)

Entendendo a Disciplina Microcontroladores1 no curso técnico

Microcontroladores 1 – Técnico em Eletrônica

• Competência:• Analisar e Implementar Sistemas Microcontrolados Básicos.

• Habilidades Básicas:• Desenvolver Sistemas Microcontrolados Básicos

• Programar com linguagem de baixo nível sistemas Microcontrolados básicos

• Bases Tecnológicas:• Arquitetura de Microcontroladores

• Linguagem Assembly

Relembrando Digital 3

• Reconhecer Elementos Básicos da Arquitetura Interna de um MICROPROCESSADOR

• Identificar elementos e Interpretar Diagramas de um Sistema Microprocessado

Elaborado por Gilson Yukio Sato

Sistema Microprocessado

hardware firmware

software

• Essas transparências foram baseadas em materiais elaborados pelos professores Hugo Vieira Neto, Eduardo Bertonha e Gabriel Kovalhuk, Paulo Demantova

Hardware

Interrupções

Bus de Dados

ROM RAM E/SP

Bus de Endereços e Controle

Perifé-ricos

Hardware

• Clock

• Reset

• Reinicializa o microprocessador

• Vetor de Reset

• Primeiro endereço da memória de

programa a ser executado após o reset do

sistema

Hardware• ROM

• Programa + dados não voláteis

• RAM• Dados de trabalho

• E/S• Interfaces dispositivos externos

• DX SEL• Seleção de memória e periférico

Hardware

• Bus de dados• Bidirecional

• Bus de endereços• Saída (geralmente)

• Bus de controle• Saídas e entradas

Hardware

• Interrupção• Evento externo que desvia o fluxo normal

de execução

• Após o atendimento da interrupção o fluxo normal de execução é retomado

• Vetor de Interrupção• Endereço da memória de programa para

onde ocorre o desvio do fluxo de execução para o atendimento de uma interrupção

FirmwareINÍCIO

Acionar o interruptor

A lâmpada acendeu?Sim

Apanhar lâmpada nova

Posicionar escada

Subir na escada

Retirar lâmpada antiga

Colocar lâmpada nova

C Compilador

Assembler

0110...11011101...00010101...10000000...0101

Mnemônicos

Firmware

• Algoritmo

• Baixo nível

• Código de Máquina, Assembly

• Alto nível

• C, BASIC, Pascal

• Necessita ser compilada ou interpretada

Firmware

• Montador (Assembler)

• mnemônicos do assembly códigos das

instruções

• Compilador / Interpretador

• linguagem alto nível linguagem

assembly

• Link-editor (Linker)

• interconecta diferentes trechos de

programa

Microprocessador Genérico

Unidade de Controle

Registradores

Bus interno dados

Bus interno controle

Bus interno endereço

bus ends

bus ctrl

bus dados

• ULA (ALU)• Unidade Lógico Aritmética

• Lógicas: AND, OR, XOR

• Aritméticas: Soma, Subtração

• Unidade de Controle• Interpreta instruções

• Gera sinais para comandar demais blocos

Registradores

• Gerais• Armazenamento temporário de dados

• Entradas e saída da ULA

• Índices • Índice que pode ser usado como ponteiro

para acesso de dado

Registradores

• Flags• Sinalizam eventos

• PC (Program Counter)• Indica o endereço da próxima instrução

• SP (Stack Pointer)• Indica topo da pilha

• Pilha – LIFO (Last In, First Out)

• Armazenamento de dados

História

Use sempre boas referencias para aprender!!!

• Arquitetura de computadoresDavid A. Patterson & John L. Hennessy. Computer Organization & Design, The Hardware/Software Interface. Morgan Kaufmann

• https://pt.coursera.org/learn/comparch• Introdução• Instruções• Microcódigo• Pipelining• Cache• Superescalar x VLIW x• Predição de desvio• Multi

https://www.cis.upenn.edu/~milom/cis501-Fall11/lectures/00_intro.pdf

CIS 501: Comp. Arch. | Prof. Joe Devietti | Instruction Sets

What Is An ISA?http://www.cis.upenn.edu/~cis501/• ISA (instruction set architecture)

• A well-defined hardware/software interface• The “contract” between software and hardware

• Functional definition of storage locations & operations• Storage locations: registers, memory• Operations: add, multiply, branch, load, store, etc

• Precise description of how to invoke & access them

• Not in the contract: non-functional aspects• How operations are implemented• Which operations are fast and which are slow• Which operations take more power and which take less

• Instructions (Insns)• Bit-patterns hardware interprets as commands

ARM ADD Documentationhttp://www.cis.upenn.edu/~cis501/

The Sequential Modelhttp://www.cis.upenn.edu/~cis501/

• Basic structure of all modern ISAs• Often called Von Neumann, but in ENIAC before

• Program order: total order on dynamic insns• Order and named storage define computation

• Convenient feature: program counter (PC)• Insn itself stored in memory at location pointed to

by PC• Next PC is next insn unless insn says otherwise

• Processor logically executes loop at left

• Atomic: insn finishes before next insn starts• Implementations can break this constraint physically• But must maintain illusion to preserve correctness

Decode

Read Inputs

Execute

Write Output

Next Insn

Programmabilityhttp://www.cis.upenn.edu/~cis501/• Easy to express programs efficiently?

• For whom?

• Before 1980s: human• Compilers were terrible, most code was hand-assembled• Want high-level coarse-grain instructions

• As similar to high-level language as possible

• After 1980s: compiler• Optimizing compilers generate much better code than you or I• Want low-level fine-grain instructions

• Compiler can’t tell if two high-level idioms match exactly or not

• This shift changed what is considered a “good” ISA…

Maximizing Performancehttp://www.cis.upenn.edu/~cis501/

• Instructions per program:• Determined by program, compiler, instruction set architecture (ISA)

• Cycles per instruction: “CPI”• Typical range today: 2 to 0.5• Determined by program, compiler, ISA, micro-architecture

• Seconds per cycle: “clock period”• Typical range today: 2ns to 0.25ns• Reciprocal is frequency: 0.5 Ghz to 4 Ghz (1 Hz = 1 cycle per sec)• Determined by micro-architecture, technology parameters

• For minimum execution time, minimize each term• Difficult: often pull against one another

(1 billion instructions) * (1ns per cycle) * (1 cycle per insn) = 1 second

Execution time = (instructions/program) * (seconds/cycle) * (cycles/instruction)

Example: Instruction Granularityhttp://www.cis.upenn.edu/~cis501/

• CISC (Complex Instruction Set Computing) ISAs• Big heavyweight instructions (lots of work per instruction)+ Low “insns/program”– Higher “cycles/insn” and “seconds/cycle”

• We have the technology to get around this problem

• RISC (Reduced Instruction Set Computer) ISAs• Minimalist approach to an ISA: simple insns only+ Low “cycles/insn” and “seconds/cycle” – Higher “insn/program”, but hopefully not as much

• Rely on compiler optimizations

Execution time = (instructions/program) * (seconds/cycle) * (cycles/instruction)

Compiler Optimizationshttp://www.cis.upenn.edu/~cis501/

• Primarily goal: reduce instruction count• Eliminate redundant computation, keep more things in registers

+ Registers are faster, fewer loads/stores– An ISA can make this difficult by having too few registers

• But also…• Reduce branches and jumps (later)• Reduce cache misses (later)• Reduce dependences between nearby insns (later)

– An ISA can make this difficult by having implicit dependences

• How effective are these?+ Can give 4X performance over unoptimized code– Collective wisdom of 40 years (“Proebsting’s Law”): 4% per year• Funny but … shouldn’t leave 4X performance on the table

História INTEL

• 100%+ transistors pelomesmo preço a cada 18 meses

Moore – 50 Anos

36 anos

A EVOLUÇÃO DE UMA TECNOLOGIA

• MOTORCYCLE

• MICROPROCESSADORES

• MICROCONTROLADORES

Sistema MICROPROCESSADO x MICROCONTROLADOR x

SISTEMA MICROCONTROLADO• Componentes de um MICROPROCESSADOR:

• Componentes de um SISTEMA MICROPROCESSADO:

• MICROCONTROLADOR:

Microprocessador X Microcontrolador

• Microcontrolador• μP + períféricos• Períféricos:

• temporizador/contador, • interface serial, • barramentos de comunicação• ADC• DAC• ...

• Sistemas embarcados

Unidade Lógico-

Aritmética

Latchs e Drivers

Circuito de Clock

Registros p/ Endereçar Memória

OTPROM/ EPROM/

Temporização e Controle

Canal Serial

Timers / Counters

Registros 16 bits PC, SP,

RAM Interna

Xtal1 Xtal2 T0 T1P0P2

TxDRxD PSENALE

Microcontroladores 1 – Técnico em Eletrônica

• Competência:• Analisar e Implementar Sistemas Microcontrolados Básicos.

• Habilidades Básicas:• Desenvolver Sistemas Microcontrolados Básicos

• Programar com linguagem de baixo nível sistemas Microcontrolados básicos

• Bases Tecnológicas:• Arquitetura de Microcontroladores

• Linguagem Assembly

2008: microcontroller architectures and vendors EXAMPLES (WIKIPEDIA):

• ARM core processors (many vendors)

• ARM Cortex-M cores are specifically targeted towards microcontroller applications

• Atmel AVR (8-bit), AVR32 (32-bit), and AT91SAM (32-bit)

• Cypress Semiconductor's M8C Core used in their PSoC (Programmable System-on-Chip)

• Freescale ColdFire (32-bit) and S08 (8-bit)

• Freescale 68HC11 (8-bit), and others based on the Motorola 6800 family

• Intel 8051, also manufactured by NXP Semiconductors, Infineon and many others

• Infineon: 8-bit XC800, 16-bit XE166, 32-bit XMC4000 (ARM based Cortex M4F), 32-bit TriCore and, 32-bit Aurix Tricore Bit microcontrollers[19]

• MIPS

• Microchip Technology PIC, (8-bit PIC16, PIC18, 16-bit dsPIC33 / PIC24), (32-bit PIC32)

• NXP Semiconductors LPC1000, LPC2000, LPC3000, LPC4000 (32-bit), LPC900, LPC700 (8-bit)

• Renesas Electronics: RL78 16-bit MCU; RX 32-bit MCU; SuperH; V850 32-bit MCU; H8; R8C 16-bit MCU

• Silicon Laboratories Pipelined 8-bit 8051 Microcontrollers and mixed-signal ARM-based 32-bit microcontrollers

• STMicroelectronics STM8 (8-bit), ST10 (16-bit) and STM32 (32-bit)

• Texas Instruments TI MSP430 (16-bit), MSP432 (32-bit), C2000 (32-bit)

• Toshiba TLCS-870 (8-bit/16-bit)

MCU Arch Flash (KB) RAM (KB) Clock (MHz) Current (mA) mA/MHz Price (USD)

at 1kLPC1765FBD100,551 ARM Cortex-M3

(32)256 64 100 50 0.5 5.06

ATxmega128A1 AVR (8) 128 8 32 20 0.63 6.05

MSP430F5436AIPZR MSP430 (16) 192 16 25 10 0.4 4.797

PIC32MX340F128L-80I/PT

PIC32 (32) 128 32 80 55 0.69 4.82

STM32F103VBT6 ARM Cortex-M3 (32)

128 20 72 33 0.46 4.29

8 vs 16 vs 32 Bit Microcontrollers--A Case Study Embedded Design

Traditional microcontroller projects have been based on 8-bit architectures. However, 16-bit and 32-bit architectures

(such as the ARM Cortex-M3) are becoming very attractive alternatives with competitive pricing and power

consumption requirements.

http://stratifylabs.co/embedded%20design%20tips/2013/10/01/Tips-8-vs-16-vs-32-Bit-Microcontrollers/

Instruções executadas por segundo

Maior que 16 milhões

Programável com comunicação serial

USB, ....

Memória de Programa Flash 32 kB

Memória RAM 4 kBRegistradores Internos Maior ou igual 32 registradoresTimers 3 ou +ADC Pelo menos 1, 10 ou mais bits, amostragem ,aior

ou igual a 1MHzPinos I/O Pelo menos 10 disponíveis em conector

Pino de controle preparado para ligar/desligar dispositivo EXTERNO.

Tensão 5-12V externo e corrente (dispositivo ligado) de 600 mA

DAC Opcional de 10 ou mais bits

Aps: Projete um Sistema Microcontrolado com custo de componentes SMD preferencialmente

inferior a USD 5,00 (OU O MAIS PRÓXIMO DE 5USD) capaz de apresentar as seguintes

características:

Apresentar um Relatório Impresso Simplificado INDIVIDUAL contendo:

•Tabela de Características do sistema projetado

•Esquemático completo

•Explicativo 5-15 de cada bloco usado para atender as principais características do sistema

•Lista de materiais COM PREÇO na origem (mouser, digikey, arrow, ...)

Microcontrolador - Famílias

• MCS51 - Intel e outras empresas

• M68HC11 - Motorola

• Z8 - Zilog

• COP8 - National

• PIC - Microchip

• AVR - Atmel

ATMEGA328

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