engenharia elÉtrica sistemas microcontrolados arquitetura … · 2020. 2. 11. · engenharia...

ENGENHARIA ELÉTRICA

Sistemas Microcontrolados

Arquitetura dos microcontroladores

Arquitetura microprocessadores e micontroladores

Prof Me Rogerio Ottoboni



http://sttechboni.weebly.com/




Lei de Lei de Moore (1965):

atual definição - a densidade de transistores dobra aproximadamente a cada

18 meses.




Famílias de Processadores

O primeiro desenho de um microprocessador feito pelos engenheiros da Intel

ocorreu em 1971, a pedido da empresa japonesa Busicom, fabricantes de

calculadoras eletrônicas.

Esse processador foi o núcleo de processamento de 12 modelos diferentes

de calculadora, pois, os engenheiros perceberam que não teriam tempo

suficiente para produzir 12 integrados diferentes.

Decidiram então desenhar um circuito integrado central, no qual se

encontravam todas as funções de cálculo desejadas. As particularidades de

cada modelo foram colocadas em uma memória ROM independentes.




• Primeira geração

8088: variação do 8086 (16 bits), integrava o PC-XT;

Barramento externo de 8 bits.

Processador muito potente para época mais que logo alcançou seu limite.

• Segunda geração

80286: Superou o limite de endereçamento de 1MB para RAM, alcançando

surpreendente 16MB.

Barramento externo de 16 bits;

Clock de até 25MHz.

• Terceira geração

80386: primeiro microprocessador de 32 bits;

Endereçamento de 4GB de RAM;

Modo de memória protegida que permite duas ou mais aplicações serem executadas

simultaneamente, sem risco de conflitos entre leitura e escrita de memória de cada

uma delas.

Coprocessamento matemático: (80237);

Ambientes gráficos (Windows e Linux);

o Aparecimento de dispositivos AMD e Cyrix.




• Quarta geração

80486: 32 bits de barramento externo;

Clock de 133MHz;

Incorporado ao microprocessador um bloco especial de execução de operações

matemáticas com ponto flutuante (FPU);

Introduzido ao Microprocessador pequenos blocos de memória RAM (cache) para

aumentar o desempenho de processamento.

• Quinta geração

Impulsionada pelos processadores Pentium e seus clones, como os K5 ou os K6 da

AMD (Advanced Micro Devices), e o 6x86(M-II) da Cyrix;

Os circuitos do Pentium tinham características avançadas que permitiam a execução

de mais de uma operação por cada ciclo de clock;

Barramento externo de 64 bits possibilitando carregar até dois dados em um só ciclo;

Clock atingindo a ordem de 600MHz;

Começou a “guerra dos microprocessadores”, graças à agressiva política de inovação

tecnológica da AMD.




• Sexta geração

Nasceu um microprocessador que foi um verdadeiro fracasso financeiro, mas que

abriu as portas do mercado a toda uma nova família de processadores: PENTIUM

PRO;

Curiosa construção de dois chips interconectados, o que o tornava mais caro;

Com ele veio a ideia de se incluir na mesma pastilha a memória cachê externa;

Deste microprocessador derivam-se os bem-sucedidos PENTIUM II, o PENTIUM II e

as primeiras variantes do CELERON.

Pentium Celeron

O Celeron, ao ser lançado, era um Pentium II sem cache L2;

Operava apenas com seus 32 kB de cache L1;

Bem mais lento que o Pentium II;

Um Celeron de 266 MHz chegava a perder para o Pentium MMX/233 em termos de

desempenho;

Outro fator que prejudicava o seu desempenho era o barramento externo de 66 MHz,

usado mesmo na época em que o Pentium II já operava com 100 MHz externos, e

que o Pentium III operava com 100 e 133 MHz externos;

o Relativo sucesso no mercado de PCs de baixo custo;




• Sétima geração

Em 23 de Junho de 1999, a AMD apresentou o primeiro processador dessa geração:

Athlon:

o Elevado desempenho em operações com ponto flutuante;

o Superou a Intel por um curto período;

o Clock de 500 até 700MHz;

o Clock externo: 200MHz;

o Cache L1: 128kB;

o Cache L2: 512kB.

o Encapsulamento SECC (Single Edge Contact Cartridge);

o Conector SLOT A;

Athlon T-Bird

o Athlon com Cache integrada ao núcleo;

o Formato: Socket A - 462 (PGA - Pin Grid Array)

o Clock interno: 850 a 1400 MHz;

o Clock externo: 200 a 266Mhz;

o Cache L1: 128kB;

o Cache L2: 256kB.




• Pentium 4

Lançado no final de 2000;

Inicialmente operava com clocks de 1.5 a 1.6GHz. Atualmente 3.8GHz;

FSB (Font Side Bus) de 400MHz;

Superando o 133MHz do P3 e 266MHz do Athlon T-Bird;

Necessidade de Chipset de 400Mhz: Intel 850;

Primeiras placas de memórias equipadas com RAMBUS(RDRAM);

No seu lançamento, o socket utilizado era o 423, em formato provisório;

Alguns meses após seu lançamento, passou a utilizar o Socket 478;

Quem comprou as primeiras placas de Pentium 4 ficou sem opção de upgrade, pois

os modelos 423 pinos foram fabricados apenas até 2GHz.




• Oitava geração

Nos últimos anos o mercado de máquinas de alto desempenho consolidou os

primeiros microprocessadores de oitava geração:

Itanium2 (Intel) e Opteron (AMD)

Desenhados para trabalhar com palavras de 64 bits

Atualmente, suas aplicações são limitadas a grandes servidores

empresariais;

AMD saiu na frente e apresentou simultaneamente, seus processadores de

64 bits para o mercado comum:

Athlon 64 e Athlon 64FX

Ambos os processadores tiveram uma boa aceitação pelo mercado devido a seu

desempenho x custo.




Processadores de oitava geração: Dual core e Quad core

O Pentium D a versão de dois núcleos do Pentium 4;

O Pentium Extreme Edition é a versão do Pentium D com tecnologia Hyper Threading

habilitada;

O Pentium D e o Pentium Extreme Edition são baseados na microarquitetura x86 de

sétima geração da Intel, chamada Netburst, ou seja, apesar do nome diferente, eles

são internamente um Pentium 4 (ou melhor, dois processadores Pentium 4 em um

único encapsulamento).

Processo de 65 nm – Permitiu a redução do custo de produção, já que em um único

waffer é possível produzir um número maior de chips.

Depois de chegar a 800 MHz em 2003, esses novos chips chegam ao novo patamar

de clock externo. São na verdade 266 MHz em modo QDR (Quad Data Rate),

resultando em 1066 milhões de transferências por segundo.

Nova tecnologia que permite a execução simultânea de múltiplos sistemas

operacionais pelo mesmo processador.




Conceitos

– Microprocessador vs Microcontrolador

• Microprocessadores necessitam de componentes externos para

que possa ser usado

• Microcontroladores apresentam diversos componentes integrados

em um único CI




Processadores quanto ao acesso à memória

Von Neumann – os programas e dados ficam numa mesma memória;

Harvard – memória de dados e memória de programa são separadas

Arquitetura Harvard modificada: programas e dados são carregados em

caches separadamente mas a memória principal é única

Arquitetura de Harvard Arquitetura de Von-Neumann




Processadores quanto ao acesso à memória

Os processadores de uso geral (GPPs) usam a arquitetura Von Neumann

pela simplicidade.

Os processadores sinais digitais (DSPs) e microcontroladores usam

geralmente a arquitetura Harvard para torrente de dados (streamming data),

pois permite uma largura de banda (bandwidth) de memória mais previsível.

Arquiteturas de Microcontroladores

Arquitetura de Von-Neumann (4004, 8080, 8051, 8085, Z80)

CPU interligada à memória por um único barramento (bus)

Sistema composto por uma única memória, onde são

armazenados dados e instruções

Arquitetura de Harvard (8086, 8088, PIC)

CPU interligada à memória de dados e a memória de programa

por barramentos diferentes




Sistema microprocessador




Estrutura de microprocessador




Estrutura interna

– Principais componentes

1. Unidade de memória

2. Unidade central de processamento (CPU)

3. Barramento

4. Dispositivos de Entrada/Saída (I/O)




Estrutura interna


1. Unidade de memória

– Função principal:

armazenamento de dados

(provisória ou

permanentemente)

– Endereçamento: acesso ao

conteúdo através do seu

respectivo endereço

– Tipos:

» Memória Principal

• Menor capacidade,

rápida (ex.: RAM)

» Memória Secundária

• Maior capacidade,

lenta (ex.: HD)

Modelo simplificado de uma unidade de

memória

Para uma entrada específica, obtém-se a

saída correspondente.

A linha ler/escrever determina as operações

de leitura/escrita




Estrutura interna


2. Unidade central de

processamento (CPU)


processamento de dados

(soma, multiplicação,

transporte, etc.)

– Contém essencialmente

» Unidade Lógica e

Aritmética (ULA)

» Registradores

• acumulador e

outros

» Unidade de controle

Modelo simplificado de uma CPU

Neste caso, existem três conjuntos de

registradores.




Diagrama funcional de uma CPU




Estrutura interna



– ULA: processa operações lógicas e aritméticas sobre

dados que passam por ela

» Operações lógicas: NOT, AND, OR, XOR, shift

(deslocamento)

» Operações aritméticas: soma, subtração,

multiplicação, divisão

A e B – Operandos

R – Saída

F – Entrada da Unidade

de Controle

D – Saída de Status




Estrutura interna



– Registradores: circuitos capazes de receber

informações, guardá-las e transferi-las

» ACUMULADOR - armazena os resultados de um

cálculo

» REGISTRADOR DE ENDEREÇO - guarda o

endereço de uma locação de memória ou de um

dispositivo

» REGISTRADOR DE INSTRUÇÃO - guarda a

instrução que deve ser interpretada e executada

» APONTADOR DE INSTRUÇÕES - IP ou PC

(Program Counter) - aponta para a instrução a ser

executada

» REGISTRADORES DE USO GERAL - guardam

diversos tipos de dados




Estrutura interna



– Unidade de controle: ela gera e gerencia os sinais de

controle necessários para sincronizar operações

» SINAIS INTERNOS – Exemplos:

• Para a ULA executar uma soma

• Para o conteúdo de um registrador ser

transferido para a ULA

» SINAIS EXTERNOS – Exemplos:

• Para um dispositivo de entrada e saída

• Para a memória principal




Estrutura interna


3. Barramento (Bus)


transmitir padrões

de bits entre a CPU,

os dispositivos de

E/S e a memória

principal

Ligação da memória à CPU através dos

barramentos




Estrutura interna


3. Barramento (Bus)

– Tipos:

» Barramento de

dados

» Barramento de

endereços

» Barramento de

controle




Estrutura interna


4. Dispositivos de Entrada/Saída (I/O)

– Função: comunicação com o mundo externo

– Tipos:

Entrada: botões, teclados, sensores, etc

Saídas: LEDs, impressoras, caixas de som,

etc




Microcontroladores

Tipicamente os microcontroladores se caracterizam por incorporarem internamente CPU, memórias de programa e dados e vários periféricos como timers, watchdog timers, comunicação serial, conversores analógicos digitais, geradores de PWM, etc. Fazendo com que a aplicação final fique extremamente compactada.




CISC - Set de Instrução mais Complexo

Quanto maior a complexidade da instrução que deve ser executada, mais

espaço ela ocupa no chip.

Desse modo, chegará um momento que passaremos a ter um set de

instruções tão grande que começará a afetar o desempenho, dificultando a

possibilidade de implementar outras funções importantes.

Ter um complexo (grande) set de instruções “CISC” nem sempre é

interessante para um bom desempenho do processador.




RISC - Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções

É uma linha de arquitetura de processadores que favorece um conjunto

simples e pequeno de instruções que levam aproximadamente a mesma

quantidade de tempo para serem executadas.

• 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 Pipeline.

engenharia elÉtrica sistemas microcontrolados arquitetura … · 2020. 2. 11. · engenharia...

Documents