EEC2104 Microprocessadores

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Edição 2005/2006

EEC2104

Microprocessadores

Apresentação da disciplina

Missão e Objectivos

• Ganhar competências que permitam desenvolver aplicações

baseadas em microprocessadores (MPs) e microcontroladores

(MCs) de 8 bits, nomeadamente:

– Análise do hardware de suporte

– Programação modular em linguagem assembly – Interacção entre hardware e software

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MP0506, [email protected] 3

Programa

• Introdução à arquitectura de microprocessadores (uPs)

– Execução de programas residentes em memória – Arquitectura e conceitos básicos sobre uPs de 8 bits

• A família Intel MCS51

– Arquitectura de base e – Interface com o exterior

– Tipos de instruções e modos de endereçamento – Processamento de interrupções

– Periféricos internos

– Variantes da arquitectura base

• Memórias e periféricos de Entrada/Saída (E/S)

– Tipos de memórias

– Periféricos de E/S (digital e analógica) – Interface com um microprocessador genérico

Docentes e metodologia

• Docentes

– António José Araújo ([email protected]) P13,15 – Augusto Silva Gomes ([email protected]) P1,7,11,14 – João Paulo Sousa ([email protected]) P2,6,9,12; T1:7 – José Martins Ferreira ([email protected]) P3,4,5,8,10; T8:15

• Metodologia

– Aulas teóricas: apresentação da matéria recorrendo a transparências e discussão de casos típicos e exemplos representativos.

– Aulas práticas: resolução de exercícios de aplicação e realização de trabalho de laboratório individual e em grupo.

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Avaliação

• Distribuída com exame final (NGA, §1.3)

• Componente distribuída (peso 25%)

– Questionários (15..20 min) a realizar em 3 aulas práticas – Contam para avaliação os 2 melhores

– Nota mínima para acesso a exame: 6 valores (em 20)

• Exame final (peso 75%)

– Eventual material de consulta é fornecido – Uma questão de valorização

• Obtenção de frequência

– Nota mínima de 6 valores na componente distribuída – Presença registada em 9 aulas práticas

Avaliação

• Nota de frequência obtida no ano anterior

– Substitui a componente distribuída da avaliação para os alunos que prescindem frequentar de novo

• Melhoria de classificação

– Por exame

– Para os alunos sem frequência anterior: não é considerada a componente distribuída

– Para os alunos com frequência anterior: é considerada a

componente distribuída (nota de frequência anterior) com o peso de 25% desde que tenham prescindido de frequentar de novo

• Aspectos omissos

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Bibliografia e material de apoio

• Livros (existentes na biblioteca)

1. Ken Arnold; Embedded Controller Hardware Design; LLH Publishing, 2001; ISBN: 1-878707-52-3

2. J.M.Martins Ferreira; Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais

e Microcontroladores; FEUP Edições, 1998

3. Sencer Yeralan, Ashutosh Ahluwalia; Programming and Interfacing

the 8051 Microcontroller; Addison Wesley, 1995

• Apoio online

– Disciplina no Moodle da FEUP (chave: #microp)

http://moodle.fe.up.pt//course/view.php?id=9 – Arquivo http://www.fe.up.pt/~jmf/mp

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Microprocessadores

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Paradigmas de projecto

• Paradigma da interligação

– As operações a executar são definidas pelo estabelecimento de ligações físicas

– O hardware muda consoante a operação a efectuar – Exemplo: máquina de estados de moore ou de mealy

• Paradigma do programa residente (von Neumann, 1945)

– As operações a executar (programa) são armazenadas em memória na forma de códigos de operação

– O hardware não muda! – Exemplo: computador digital

O que é um computador?...

• Computador digital

– Sistema capaz de executar um programa residente em memória

• Blocos constituintes de um computador digital

– Memória (MEM)

• Armazena o programa (e, eventualmente, os dados)

– Processador (CPU)

• Executa as instruções do programa

– Unidade de Entrada/Saída (ES)

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Processador básico...

• Unidade lógica e aritmética (ALU)

– Circuito combinacional (na maioria dos casos)

– Suporta um conjunto pré-definido de instruções aritméticas e lógicas

• Unidade de controlo (CTU)

– Circuito sequencial

– Dá sequência às operações de baixo nível necessárias à execução de uma instrução

Micros, micros, micros...

• Microprocessador (µP)

– CPU num único circuito integrado.

– Exemplos: 8080, Z80, 6800, 8086, Pentium

• Microcomputador

– Computador em que o CPU é um µP. – Exemplos: Spectrum, IBM PC, Apple

• Microcontrolador (µC)

– CPU+MEM+IO num único circuito integrado. – Exemplos: 8051, Z8, C166

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Algumas datas...

• 1945: ENIAC

– Electronic Numerical Integrator And Computer – 18.000 válvulas (MTBF=15h)

– Programação por recablagem

• 1947: O transístor

– NCR 304, em 1957

• 1958: O circuito integrado

– IBM System 360, DEC PDP-8 em 1965

1945 1947 1958

Alguns µPs da Intel...

• 1971: 4004 (2.3k, 10u, 46 instruções, 400kHz)

• 1974: Intel 8080

• 1977: 8051 (µC)

• 1985: 80386

• 1993: Pentium

• 2004: Pentium M (140M, 0.09u); Itanium 2 (410M, 0.13u)

• 2005: Itanium dual core

1945 1947 1958 1971 1974 1977 1985 1993 2004 2005

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Avaliação e aprofundamento...

• Perceber:

– Que disciplina é esta? como vai funcionar?... – Quais os paradigmas de projecto apresentados?

• Definir, distinguir:

– Computador? processador?

– Microprocessador? microcomputador? microcontrolador?

• Estudar:

– Livro 2: secções 5.1 a 5.3 e 5.6

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Microprocessadores

Arquitectura de um microprocessador básico

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De que estamos a falar?

ISP SP DSP LSP OT MP LAcc ABUS DBUS PC Controlo e descodificação CBUS IP C LIR IR CPU Acc Clock LPC TMP ALU Reset Interrupt Flags OAcc

Execução de um programa

• Continuamente:

– Ler da memória a próxima instrução – Descodificá-la

– Executá-la (p. ex. obter operandos, operar, armazenar resultado)

• Questões em aberto:

– Como se podem ler posições de memória? – Como se geram os endereços de memória? – Como se indica à ALU a operação a efectuar? – Como se movimentam operandos/resultados?

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(esquecer por enquanto o sinal CE, de activação do circuito e o sinal WR que dá ordem de escrita)

Leitura de uma memória

• Recebe:

– Por ABUS um número binário que representa o endereço a aceder – Um sinal (RD) que dá a ordem de

leitura

• Responde:

– Por DBUS com um número binário que é o conteúdo da posição que foi

endereçada ABUS DBUS RD WR CE MEM MP0506, [email protected] 20 IPC: Increment PC

LIR,LAcc: Load IR, Load Acc

Para ler uma instrução

• O CPU envia à memória:

– O endereço pretendido – O sinal de leitura

• E recebe:

– A resposta da memória, guardando-a internamente

• Hardware necessário:

– Registo para o endereço (PC) – Registo para a instrução (IR)

– Sequenciador IPC LIR _LAcc

ABUS DBUS PC IR Controlo e descodificação CBUS CPU Acc Clock

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Um registo...

• Elemento que permite armazenar n

bits de informação

• Constituição base:

– Conjunto de n flip-flops – Clock comum

– Eventualmente:

• Com saídas de 3 estados • Com possibilidade de contagem

• Exemplos:

– IR, Acc: registos simples – PC: contador ascendente

com carregamento paralelo

DBUS LIR IR D Q Clk D Q Clk D Q Clk

Execução de uma instrução

• Exemplo:

carregar o registo acumulador com uma constante

0000h 0001h 0002h

74

74 6E

6E

cseg at 0000h

mov a,#110

end

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Execução de uma instrução

• Exemplo:

carregar o registo acumulador com uma constante

– Dar ordem de leitura da instrução (RD) em CBUS – Guardar a resposta da memória em IR (LIR) – Descodificar a instrução e executá-la:

• Endereçar posição seguinte (IPC) • Dar ordem de leitura (RD) em CBUS • Guardar a resposta em Acc (LAcc)

– Endereçar posição de memória seguinte (IPC)

Depende da instrução! 75h 0000h 0001h 6Eh ABUS RD DBUS LIR IPC LACC

(Valores definidos pelo uP) (Valores definidos pela memória)

Avaliação e aprofundamento...

• Conhecer:

– Quais as fases de execução de um programa residente em memória?

– Qual a sua relação com a arquitectura interna de um uP?

• Definir, distinguir:

– Program Counter? Instruction Register? – Registo?