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Sistemas Sistemas MicrocontroladosMicrocontrolados

Aula 2: Arquitetura de Sistemas uC

Marco Jose da [email protected]

Sistemas Embarcados Marco Jose Da Silva [email protected] Slide 2

Sistemas Embarcados: Definição

• Sistemas embarcados =– Sistemas de processamento de informações

embarcados em um produto maior

– Peter Marwedel (TU Dortmund)

• Dois tipos de computação– Desktop – produção milhões/ano

– Embarcado – bilhões/ano

• Sistemas não embarcados– PCs, servidores, e notebooks


• Controle automotivo:– motor, freios …

• Aviões– motor, controles de vôo …

• Forno de microondas• Câmera digital• Telefone celular• Smart phones• Sensores inteligentes• ...

Exemplos sistemas embarcados


Diagrama em Bloco de uma Câmera Digital

Um Exemplo de Sistema Embarcado


Analógico Digital Analógico

Memória

Coprocessadores

Controladores

Conversores

Processador

Interface

Software(Aplicação)

ASIC

Componentes de um Sistema Embarcado


• Componentes Analógicos– Sensores, atuadores, …

• Componentes Digitais– Processadores, coprocessadores, memórias, barramentos

– Controladores, hardware de aplicação específica

• Conversores– Conversor Analógico-Digital (ADC), DAC …

• Software– Sistema Operacional

– Aplicações (ex. interface com usuário)

– Firmware (programação em baixo nivel)

Componentes de um Sistema Embarcado


• Aplicação Específica– Aplicações são conhecidas a priori

– Otimização para custo, área, potência, e desempenho

• Processamento Digital de Sinais– Sinais são representados digitalmente

• Sistemas Reativos– Reage a mudanças no ambiente do sistema

• Tempo Real– Tarefas devem ser computadas antes de um deadline

• Distribuído, em Rede, …

Características dos Sistemas Embarcados


• Sistema embarcado: sistema que possui um processador mas não é um computador de propósito geral

Outra definição


Histórico e Evolução


Histórico

Transistor(1947)

Circuito integrado(1958)

4004 e TMS1000

(1971)

1o. uC e uP4 bits

Microeletrônica: grande motor desenvolvimento


Lei de Moore (Gordon Moore – cofundador da Intel)

Número de transistores em um chip dobrará a cada ano.

Desde 1970, isso diminuiu um pouco.

Número de transistores dobra a cada 18 meses.

Custo de um chip permaneceu quase inalterado.

Maior densidade de empacotamento significa caminhos elétricos maiscurtos, gerando maior desempenho.

Menor tamanho dos chips --> computadores menores --> maiorflexibilidade.

Redução nos requisitos de consumo e resfriamento.

Menos interconexões aumenta a confiabilidade.

Evolução de computadores


Lei de Moore


Todo sistema eletrônico complexo, incluindo o computador, possui uma hierarquia.

Constituído de um conjunto de subsistemas inter-relacionados, cada qual também podendo ser hierárquico.

Projetista lida com um nível particular do sistema.

Estrutura é o modo como os componentes são inter-relacionados.

Função é a operação individual de cada componentecomo parte da estrutura.

Estrutura e função


Processamento, armazenamento e transferência(movimentação) de dados.

Controle destas 3 funções.

*** Figuras retiradas do livro Arquitetura e Organização de Computadores - William Stallings.

Função de um computador


a) Movimentação de Dados:

ex: teclado para Display

b) Armazenagem:

ex: internet para disco

c) Processamento de/paramemória:

ex: atualizar dados bancários

d) Processamento da memóriapara E/S:

ex: imprimir dados bancários

Funções - operações


Estrutura


Primeira geração 1945 - 1957

Válvulas eletrônicas.

Sem SO.

Programadores submetiam seus programas em linguagem de máquinas, 1 bit por vez.

ENIAC (Electronic Numerical Integrator Computer) - 1946

30 toneladas e área de 140 m2.

18 mil válvulas e consumo de 140KW.

Máquina decimal e não binária.

5 mil adições ou 360 multiplicações por segundo.

Programado manualmente por chaves.

Evolução dos computadores


Segunda geração - 1958 - 1964Transistores no lugar de válvulas (menor, mais barato e dissipa menoscalor).

Primeiros sistemas em lotes (Assembly)Programa inteiro era carregado na memória.

Dias para execução completa de um programa.



Terceira geração - 1965 -1971

HardwareCircuitos Integrados.

Portas lógicas e/oucélulas de memória.

Sistemas OperacionaisMultiprogramação.

Uso do processadormaximizado.



A partir da 3a geração, menor consenso sobre a definição das gerações restante.





Processadores de propósito geral

• Um sistema construído com um microprocessadorrequer memória, entradas e saídas externas


Arquitetura


CPUCPU

Baseia a estrutura de quase todos os computadores, desde o smartphone até o mainframe.

Barramento

MemMemóóriariaUCUC

ULAULA

I/OI/O

Arquitetura de Von Neumann


A UC, ULA e memória comunicam-se usando o barramento.

A memória é dividida em endereços que representambytes.

Endereços de memória possuem instruções ou dados.Exemplo: "leia o byte que está na posição 2 da memória, some com aquele que está na posição 3 e guarde na posição 4".

Operações lógicas e aritméticas são feitas na ULA.

E quem comanda esse processo de transferir dados entre a memória e a ULA é a UC.

A UC possui um ciclo infinito de buscar a instrução namemória, decodificá-la e executá-la.





Execução repetida de um ciclo de instruções (fetch, decode e execute).

Ciclo de instruções

Buscar instrução

Decodificarinstrução

Executaração


Sistema Embarcados (possível organização)


O que é um microcontrolador ?Microprocessador + Memória de programa + Memória de dados + Periféricos


http://www.mikroe.com/eng/products/view/11/book-pic-microcontrollers/

Estrutura básica de um uC


Arquitetura interna de um uCArquitetura von-Neumann Arquitetura Harvard

Microprocessadores DSP, Microcontroladores

Único barramento para memórias e Entrada-Saída

Barramentos separados (possibilidade execução de

atividade em paralelo)

CPUCPUMemMemóóriaria

UCUC

ULAULA

I/OI/O


Memórias

Endereço = posição de mem.Conteúdo = informação no end.

Tipos:

• Leitura/escrita. (Volátil)

Ex: RAM (Random Access Memory)

• Somente leitura. (Não-volátil)

Ex: ROM (Read-Only Memory)

UV-ROM

• Leitura/escrita. (Não-volátil)

Ex: EEPROM, FLASH


CPU - Central Processor Unit

Unidade central de processamento (UCP)

• Acumulador: registrador especial, sempre um dos operandos da ULA

• Decodificador de instruções: interpreta as instruções (microcódigo)

• Unidade lógica e aritmética (ULA): executa funções AND, OR, +, *, ...

• Status Register (PSW): registrador especial com flags


Instruções

Instrução de MáquinaUm comando codificado como uma sequência de bits compreensível

para a unidade de controle.

• Linguagem de Máquina– Conjunto das instruções reconhecidas pela unidade de controle

• Tipos de Instruções:– Transferência: copia dados de uma localização para outra

– Aritmética/Lógica: Comanda operações na ULA

– Controle: direciona a execução do programa


Conjunto de instruções – Instruction Set

Divisão de valores armazenados na memória (x=y÷z)

1. Carrega y em R1

2. Carrega z em R2

3. Se R2 = 0, PULE para instrução 6

4. Comande a ULA para dividir R1 e R2 e armazenar o resultado em R3

5. Armazena R3 em x

6. PARE


RISC (Reduced Instruction Set Computing)Poucas instruções.

Simples e rápidas.

Ex: PowerPC, SPARC.

• CISC (Complex Instruction Set Computing)– Muitas instruções.

– Mais complexas e convenientes

– Ex: Intel, AMD.

RISC vs. CISC


RegistradoresPosição de memória – p.ex. variável de um programa

SFR - Special Function Register(Registrador de Função Especial)

Tem alguma função no uC: Flags, controlar periférico, etc.

Portas(SFR)

Mapeiam Dados para pinos do uC

TTL/CMOS 5V1 = 5V, 0 = 0V


PIC 16F887


Alguns exemplos básicos


Exemplo: Microcontrolador PIC 16F628Ahttp://sourceforge.net/projects/picsim/


Program written in C

Compiled Program (Assembly)HEX (PIC Executable)

Etapas de gravação no uC


PIC

PO

RT

B

VLED 2V

VHIGH = 5V

HIGH LEDV V

RI

I = 20mA

R = 150Ω

…

Exemplo: LED


void main() INTCON=0;OPTION_REG=0;TRISB=0;PORTB=0;while(1)

delay_ms(500);PORTB=~PORTB;

Programa em C – Pisca LED

http://www.mikroe.com/mikroc/pic/


void main() INTCON=0;OPTION_REG=0;TRISB=0;PORTB=1;while(1)delay_ms(500);PORTB=PORTB<<1;if(PORTB==0) PORTB=1;

Programa em C – Sequencial LED


void main() INTCON=0;OPTION_REG=0;TRISB=0;PORTB=1;while(1)for(i=0;i<10;i++)

PORTB=mask(i);delay_ms(200);

char mask(char num)switch (num)case 0 : return 0xEE;case 1 : return 0x28;case 2 : return 0xCD;case 3 : return 0x6D;case 4 : return 0x2B;case 5 : return 0x67;case 6 : return 0xE7;case 7 : return 0x2C;case 8 : return 0xEF;case 9 : return 0x6F;

Programa em C – Display 7 Segmentos


Obrigado!!!

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