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SUMÁRIO
INTRODUÇÃO - BLOCOS BÁSICOS DE UM SISTEMA MICROPROCESSADOR
CARACTERÍSTICAS DE MICROCONTROLADORES VERSUS MICROPROCESSADORES UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO (CPU)
ARQUITETURA MEMÓRIAS
MICROCONTROLADORES
COMUNICAÇÃO SÉRIE - INTERFACE DE COMUNICAÇÃO SERIAL PROGRAMÁVEL UNIDADE DE TEMPORIZAÇÃO
WATCHDOG
CONVERSOR ANALÓGICO - DIGITAL MICROCONTROLADORES PIC INTRODUÇÃO
RELÓGIO / CICLO DE INSTRUÇÃO PIPELINING
GERADOR DE RELÓGIO – OSCILADOR RESET
UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO UNIDADE LÓGICA ARITMÉTICA (ALU) REGISTROS
PORTAS - MAPEAMENTO DE ENTRADAS/SAÍDAS
MEMÓRIA - MAPEAMENTO E DECODIFICAÇÃO DE ENDEREÇOS INTERRUPÇÃO
TEMPORIZADOR - CONTROLADOR E TEMPORIZADOR PROGRAMÁVEL CONJUNTO DE INSTRUÇÕES
MPLAB - SISTEMA DE DESENVOLVIMENTO
O SMARTPIC - TECLADO E MOSTRADOR (“DISPLAY”) DE UM SISTEMA MICROPROCESSADO/MICROCONTROLADO
SMARTPIC - INTERFACE DE COMUNICAÇÃO PARALELA PROGRAMÁVEL ANEXOS
BIBLIOGRAFIA
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O avanço da tecnologia trouxe o aumento da utilização de sistemas digitais por grande parte das empresas, o emprego de microcontroladores vêm sendo requisitado para desenvolvimento da produção, diminuindo os custos com benefícios para as empresas. Considerando a relação custo/benefício, os microcontroladores podem não só ser usados em empresas de médio/grande porte e podem também, ser utilizados em vários projetos de eletrônica, na substituição de componentes digitais, obtendo-se assim no final do projeto um melhor acabamento – pois um microcontrolador ocuparia um menor espaço físico - e uma maior eficiência e praticidade, uma vez que todos os comandos seriam executados via software. Antes de um aprofundamento no assunto microcontroladores, é importante conhecermos um pouco da história desses componentes desde as suas origens.
É no ano de 1969 que uma equipe de engenheiros japoneses pertencentes à companhia BUSICOM chega aos Estados Unidos com a encomenda de alguns circuitos integrados para calculadoras a serem implementados segundo os seus projetos. A proposta foi entregue à INTEL e Marcian Hoff foi o responsável pela sua concretização. Como ele tinha tido experiência de trabalho com um computador (PC) PDP8, lembrou-se de
apresentar uma solução substancialmente diferente em vez da construção sugerida. Esta solução pressupunha que a função do circuito integrado seria determinada por um programa nele armazenado. Isso significava que a
configuração deveria ser mais simples, mas também era preciso muito mais memória que no caso do projeto proposto pelos engenheiros japoneses. Depois de algum tempo, embora os engenheiros japoneses tenham tentado encontrar uma solução mais fácil, a idéia de Marcian venceu e o primeiro microprocessador nasceu. Ao transformar esta idéia num produto concreto, Frederico Faggin foi de uma grande utilidade para a INTEL. Ele transferiu-se para a INTEL e, em somente 9 meses, teve sucesso na criação de um produto real a partir da sua primeira concepção.
Em 1971, a INTEL adquiriu os direitos sobre a venda deste bloco integral. Primeiro eles compraram a licença à companhia BUSICOM que não tinha a mínima percepção do tesouro que possuía. Neste mesmo ano, apareceu no mercado um microprocessador designado por 4004. Este foi o primeiro microprocessador de 4 bits e tinha a velocidade de 6 000 operações (instruções) por segundo – 6 KIPS. Não muito tempo depois, a companhia Americana CTC pediu à INTEL e à Texas Instruments um microprocessador de 8 bits para usar em terminais.
Mesmo apesar da CTC acabar por desistir desta idéia, tanto a Intel como a Texas Instruments continuaram a trabalhar no microprocessador e, em Abril de 1972, os primeiros microprocessadores de 8 bits apareceram no mercado com o nome de 8008. Este podia endereçar 16KB de memória, possuía 45 instruções e tinha a velocidade de 300 000 instruções por segundo. Esse microprocessador foi o pioneiro de todos os microprocessadores atuais. A Intel continuou com o desenvolvimento do produto e, em Abril de 1974 pôs cá fora um processador de 8 bits com o nome de 8080 com a capacidade de endereçar 64KB de memória, com 75 instruções e com preços a começarem em $360.
Uma outra companhia Americana, a Motorola, apercebeu-se rapidamente do que estava a acontecer e, assim, pôs no mercado um novo microprocessador de 8 bits, o 6800. O construtor chefe foi Chuck Peddle e além do
microprocessador propriamente dito, a Motorola foi a primeira companhia a fabricar outros periféricos como os 6820 e 6850. Nesta altura, muitas companhias já se tinham apercebido da enorme importância dos microprocessadores e começaram a introduzir os seus próprios desenvolvimentos. Chuck Peddle deixa a Motorola para entrar para a MOS Technology e continua a trabalhar intensivamente no desenvolvimento dos microprocessadores.
Em 1975, na exposição WESCON nos Estados Unidos, ocorreu um acontecimento crítico na história dos microprocessadores. A MOS Technology anunciou que ia pôr no mercado microprocessadores 6501 e 6502 ao preço de $25 cada e que podia satisfazer de imediato todas as encomendas. Isto pareceu tão sensacional que muitos pensaram tratar-se de uma espécie de vigarice, considerando que os competidores vendiam o 8080 e o 6800 a $179 cada. Para responder a este competidor, tanto a Intel como a Motorola baixaram os seus preços por
copiarem o 6800. A MOS Technology deixou de fabricar o 6501, mas continuou com o 6502. O 6502 é um
microprocessador de 8 bits com 56 instruções e uma capacidade de endereçamento de 64KB de memória. Devido ao seu baixo custo, o 6502 torna-se muito popular e, assim, é instalado em computadores como KIM-1, Apple I, Apple II, Atari, Comodore, Acorn, Oric, Galeb, Orao, Ultra e muitos outros. Cedo aparecem vários fabricantes do 6502 (Rockwell, Sznertek, GTE, NCR, Ricoh e Comodore adquiriram a MOS Technology) que, no auge da sua prosperidade, chegou a vender microprocessadores à razão de 15 milhões por ano !
Contudo, os outros não baixaram os braços. Frederico Faggin deixa a Intel e funda a Zilog Inc.
Em 1976, a Zilog anuncia o Z80. Durante a concepção deste microprocessador, Faggin toma uma decisão crítica.
Sabendo que tinha sido já desenvolvida uma enorme quantidade de programas para o 8080, Faggin conclui que muitos vão permanecer fieis a este microprocessador por causa das grandes despesas que adviriam das alterações a todos estes programas. Assim, ele decide que o novo microprocessador deve ser compatível com o 8080, ou seja, deve ser capaz de executar todos os programas que já tenham sido escritos para o 8080. Além destas
características, outras características adicionais foram introduzidas, de tal modo que o Z80 se tornou um microprocessador muito potente no seu tempo. Ele podia endereçar diretamente 64KB de memória, tinha 176 instruções, um grande número de registros, uma opção para “refresh” de memória RAM dinâmica, uma única alimentação, maior velocidade de funcionamento, etc. O Z80 tornou-se um grande sucesso.
Pode dizer-se que o Z80 se constituiu sem sombra de dúvida como o microprocessador de 8 bits com maior sucesso no seu tempo. Além da Zilog, outros novos fabricantes como Mostek, NEC, SHARP e SGS apareceram. O Z80 foi o coração de muitos computadores como o Spectrum, Partner, TRS703, Z-3 e Galaxy, que foram aqui usados.
Em 1976, a Intel apareceu com uma versão melhorada do microprocessador de 8 bits e designada por 8085.
Contudo, o Z80 era tão superior a este que, bem depressa, a Intel perdeu a batalha. Ainda que mais alguns
microprocessadores tenham aparecido no mercado (6809, 2650, SC/MP etc.), já tudo estava então decidido. Já não havia melhorias introduzidas pelos fabricantes que fundamentassem a troca por um novo microprocessador, assim, o 6502, o Z80 e o 6800, mantiveram-se como os mais representativos microprocessadores de 8 bits desse tempo.
Em resumo: Na década de 70 começaram a ser utilizados microprocessadores em computadores para uma maior eficiência no processamento de dados. O microprocessador Intel foi um dos precursores e, a partir daí, houve uma preocupação em melhorar cada vez mais o sistema de processamento de dados através desses componentes.
Baseado na arquitetura de um microprocessador e seus periféricos, foi criado um componente que (fisicamente em uma unidade) comportasse todo um sistema que equivalesse a um microprocessador e seus periféricos; assim surgiu o microcontrolador.
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Um microcontrolador difere de um microprocessador em vários aspectos. Primeiro e o mais importante, é a sua funcionalidade. Para que um microprocessador possa ser usado, outros componentes devem ser adicionados, tais como memória e componentes para receber e enviar dados. Isso significa que o microprocessador é o verdadeiro coração do computador. Por outro lado, o microcontrolador foi projetado para ter tudo num só chip. Nenhum outro componente externo é necessário nas aplicações, uma vez que todos os periféricos necessários já estão contidos nele. Assim, poupamos tempo e espaço na construção dos dispositivos.
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A unidade central de processamento controla todas as funções realizadas pelo sistema. A CPU de qualquer sistema de computador contém os seguintes grupos de unidades funcionais:
- Registradores e contadores Os registradores e contadores são unidades funcionais usadas para o armazenamento temporário de bits dentro da CPU.
- Unidade Lógica e Aritmética (ULA) A unidade lógica e aritmética é a unidade funcional da CPU que executa operações lógicas e aritméticas entre palavras binárias, gerando uma outra palavra na saída .
- Unidade de controle e sincronização A unidade de controle e sincronização coordena e controla todas as unidades funcionais em uma seqüência lógica e sincronizada.
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O "caminho" designa-se por "bus" . Fisicamente ele corresponde a um grupo de 8, 16 ou mais fios.
Existem dois tipos de bus: bus de dados e de endereço. O número de linhas do primeiro depende da quantidade de memória que desejamos endereçar e o número de linhas do outro depende da largura da palavra de dados, no nosso caso é igual a oito. O primeiro bus serve para transmitir endereços do CPU para a memória e o segundo para ligar todos os blocos dentro do microcontrolador.
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O processador ou unidade central de processamento (CPU) é a parte do sistema que faz o processamento das informações para que as instruções sejam executadas; as instruções devem estar armazenadas na memória de programa em seqüência, formando assim o programa . A CPU possui um registrador chamado de contador de programa (PC) que contém o endereço da próxima instrução que deve ser executada. Toda vez que uma instrução é retirada da memória pela unidade central de processamento, automaticamente o contador de programa é incrementado para que, após o processamento desta instrução, quando a CPU for buscar a próxima instrução, baste usar o endereço contido no contador de programa. Toda vez que a CPU é ligada ou resetada,
automaticamente o seu contador de programa é zerado, desta forma, a primeira tarefa que a CPU irá realizar é a execução da instrução contida na posição de memória de endereço “0000”. Cada instrução possui duas fases distintas: o ciclo de busca e o ciclo de execução.
Durante o ciclo de uma instrução a CPU faz com que o conteúdo do contador de programa seja colocado no barramento de endereços, endereçando, desta maneira, a posição de memória que contém a instrução que deve ser executada.
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As unidades de entrada/saída são os meios pelos quais o usuário se comunica com o sistema. Essas unidades possuem interfaces que permitem a conexão com dispositivos chamados de periféricos, tais como teclado, monitores, LCD´s, etc.
O desempenho do microcontrolador depende da sua arquitetura interna, ou seja, do modo em que o microcontrolador foi projetado tanto para o hardware como para software. No hardware apresentaremos a arquitetura Von-Neumann, na qual se refere o software CISC.
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Na arquitetura Von-Neumann, os barramentos de dados e endereços são compartilhados entre memórias de programas e memórias de dados na comunicação com a CPU (figura1). Nesse tipo de arquitetura, quando a CPU está acessando a memória de programa não pode acessar a memória de dados, porque usa os mesmos barramentos para as duas memórias.
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A arquitetura de Harvard é um conceito mais recente que a de von-Neumann. Ela adveio da necessidade do microcontrolador trabalhar mais rapidamente. Na arquitetura de Harvard, a memória de dados está separada da memória de programa. Assim, é possível uma maior fluência de dados através da unidade central de
processamento e, claro, uma maior velocidade de funcionamento.
CISC (Complex Instruction Set Code)
CISC: Conjunto de Instruções 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 intruções “CISC” nem sempre é interessante para um bom desempenho do processador. Numa análise feita pelo laboratório da IBM sobre como estavam sendo usado os diversos tipos de instruções, concluiram que num microprocessador que usava um set de instruções de, por exemplo, 200 instruções, a maior parte do processamento era feita apenas com umas 10 instruções. Uma grande parte das instruções era pouco usada, às vezes até uma única vez em um longo programa, de modo que elas poderiam ser implementadas pelas instruções básicas mais usadas. Daí o aparecimento da nova arquitetura com o set de instruções reduzido “RISC” (Reduced Instruction Set Code).
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Memórias são os dispositivos que armazenam informações e são usadas em todos os sistemas microcontrolados. A maneira mais fácil de explicar é descrevê-la como uma grande prateleira cheia de gavetas. Se supusermos que marcamos as gavetas de modo a elas não se confundirem umas com as outras, então o seu conteúdo será
facilmente acessível. Basta saber a designação da gaveta e o seu conteúdo será conhecido. Existem vários tipos de memórias que podem ser classificadas por vários ítens diferentes. Abaixo os principais:
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As memórias armazenam informações em lugares que se denominam “localidades de memória”. Cada localidade de memória guarda um conjunto de bits e tem um endereço. No acesso desses endereços tem-se:
2WHPSRGHDFHVVR: é o tempo que a memória necessita para que sejam escritos ou lidos os dados em suas localidades;
$FHVVRVHTHQFLDO: nas memórias que têm acesso seqüencial, para acessar um endereço de uma certa localidade, precisa-se passar por endereços intermediários (as memórias mais comuns desse tipo são as que utilizam fita magnética, por exemplo, Fitas DAT, ZIP DRIVE);
$FHVVRDOHDWyULRas memórias que utilizam esse tipo de acesso são as que permitem que seja acessado qualquer dado em qualquer endereço sem a necessidade de ter que passar por outros endereços intermediários.
9RODWLOLGDGH0HPyULDVYROiWHLV: são aquelas que perdem as informações quando é cortada sua alimentação. São memórias que geralmente usam como elemento de memória o flip-flop.
0HPyULDVQmRYROiWHLV: são memórias que mesmo desligando-se sua alimentação, não perdem as informações armazenadas. Dentre essas se destacam as magnéticas e as eletrônicas ROM, PROM, EPROM, EEPROM , e outras.
0HPyULDVGHHVFULWDOHLWXUDRXVRPHQWHOHLWXUD(VFULWDOHLWXUD: são memórias que podem ser acessadas pela CPU tanto para leitura quanto para escrita; elas são usadas para armazenar dados que serão utilizados durante a execução do programa (memórias RAM´s, EEPROM´s). 6RPHQWHOHLWXUD: são as memórias que armazenam o programa, ou seja são as memórias que só serão lidas pela CPU e que já vêm gravadas para o sistema (memórias ROM´s ,PROM´s , etc).
7LSRGHDUPD]HQDPHQWR(VWiWLFDV: memórias estáticas são aquelas nas quais as informações permanecem armazenadas enquanto não houver escrita ou não faltar energia.
'LQkPLFDV: memórias dinâmicas são memórias que perdem informações armazenadas mesmo com alimentação.
Na RAM dinâmica (ou DRAM) isso acontece porque cada célula tem um transistor MOSFET e um capacitor que armazena um dado (1bit).
0HPyULDV5$0(Random Acces Memory) Essas memórias são de acesso aleatório, que podem ser acessadas a qualquer momento e em qualquer endereço. Elas podem ser estáticas ou dinâmicas e também podem ser gravadas pelo sistema com a tensão de 5V. São memórias consideradas voláteis.
0HPyULDV520(Ready Only Memory) Essas memórias são utilizadas no sistema somente para a leitura.
0HPyULDV3520(Programmable Ready Only Memory) Essas memórias são utilizadas no sistema somente para a leitura; geralmente usadas como memórias de programa, só podem ser gravadas com gravadores específicos e só uma vez. São as memórias não voláteis;
0HPyULDV(3520(Erasable Programmable Ready Only Memory) Essas memórias são utilizadas no sistema somente para a leitura , também empregadas como memórias de programa e só podem ser gravadas com gravadores específicos. Podem ser apagadas por raios ultravioleta e regravadas por muitas vezes. São chamadas memórias não voláteis.
0HPyULDV((3520RX(ñ3520(Electrically Erasable Programmable Ready Only Memory) Essas memórias podem ser usadas no sistema tanto para leitura como para escrita, podem ser gravadas com gravadores específicos ou pelo sistema; são apagadas eletricamente e regravadas por muitas vezes; são consideradas memórias não voláteis.
0HPyULDV3(520(Programmable Erasable Ready Only Memory) Uma linha de memórias programáveis e apagáveis apenas para leitura, de 3V e 5V, apenas dentro do sistema. Fabricadas com a avançada tecnologia CMOS, não voláteis, suas características incluem: · Operação de leitura e programação em apenas 3V e 5V · Proteção de dados de software e hardware · Operação de programação por setor · 1000 ciclos de programa · Retenção de dados de 10 anos · Baixa dissipação de potência · Tempo de ciclo de programa rápido · Detecção de fim de programa
0HPyULDV)/$6+A memória FLASH é um dispositivo de armazenamento confiável, não volátil, de boa relação custo/ benefício e que possui características de leitura da EPROM, EEPROM e SRAM , porém quando aplica-se 12V sobre o dispositivo, este pode ser gravado com base em bytes. No caso da memória FLASH - 5V estes dispositivos foram projetados para serem programados dentro do sistema com o fornecimento padrão de 5V. Em programadores de EPROM convencionais não há necessidade de 12Vpp, nem para programação, nem para apagamento. É composta de uma arquitetura de apagamento de setor (qualquer combinação pode ser apagada simultaneamente) e 100.000 ciclos de apagamento/ programação.
0HPyULD)/$6+),/(A memória FLASHFILE, simetricamente bloqueada, da Intel, oferece uma solução não volátil com leitura e programação de mais alta densidade para armazenamento em massa. O armazenamento de
aplicações de software e a operação com código de sistema em RFAs (Residential Flash Arrays ) proporcionam execução instantânea, rápida e no local (in place). RFAs são protegidos também contra o envelhecimento do software, já que este pode ser atualizado no sistema. O software RFA prolonga a vida da bateria e aumenta a confiabilidade do sistema através da redução do número de acessos ao diskdrive. 100.000 ciclos de apagamento/
programação.
0HPyULDV),(/'Estes dispositivos são para utilização em filmes digitais e sistemas multimídia. Eles fornecem dados através de acesso serial de alta velocidade. Sua capacidade de memória preenche um arquivo de uma tela de TV NTSC. Cada um dos bits possui porta de leitura e gravação assíncronas, de controle independente a
diferentes velocidades de clock, proporcionando uma operação FIFO , renovando a células de armazenamento RAM automaticamente.
0HPyULDV),)2Os dispositivos FIFO proporcionam armazenamento temporário de dados em sequência de tal forma que a primeira palavra na porta de entrada será a primeira na porta de saída. As portas operam de forma independente e os dados podem ser lidos e gravados em velocidades diferentes. Os dispositivos FIFO possuem posições de memória que inibem a entrada de dados adicionais caso estejam ocupadas, podendo apenas enviar dados armazenados para fora. O tempo utilizado para completar uma operação chama-se tempo de acesso, esse valor pode determinar a velocidade do sistema no qual o dispositivo está operando.
0HPyULDV6HULDLVEstes dispositivos são de tamanho reduzido podendo ser ligados a um barramento serial I²C (Inter-Integrated Circuit Bus) ou SPI (Serial Peripheral Interface) junto com outros dispositivos seriais, com muitas vantagens em relação às memórias paralelas.
