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Conteúdo
Introdução ... 1 Fabricantes de microcontroladores ... 2 Microprocessadores ... 3 Sistemas de microprocessador ... 3Microcomputadores de um único chip ... 3
Microcontroladores ... 3
Microcontroladores PIC ... 3
Dispositivos lógicos programados ... 4
Controladores lógicos programáveis ... 4
Sistemas de microprocessador ... 4
Representação dos dados ... 5
Tipos de dados ... 6 Armazenamento de dados ... 6 O microprocessador ... 7 Operação do microprocessador ... 11 Um programa de exemplo ... 13 Um sistema de microcontrolador ... 15
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Introdução
A diferença primordial entre um microprocessador e um microcontrolador é que este é capaz de executar inúmeras tarefas sem depender de periféricos externos. Para que um microprocessador possa funcionar, são necessários periféricos externos (chipsets, memórias, controladores, etc.), enquanto o microcontrolador é capaz de ter todos estes periféricos dentro de um só chip. Desta forma, poderíamos definir urn microcontrolador como um computador em um só chip. Obviamente, os microprocessadores conseguem um desempenho muito maior que o dos microcontroladores, chegando hoje a processar na casa dos GHz, enquanto os microcontroladores ainda processam em poucos MHz. A utilização dos microcontroladores em nosso cotidiano, no entanto, é muito maior que a dos microprocessadores, pois eles são utilizados em aparelhos eletrodomésticos como: TV; DVDs, máquinas de lavar, etc.
Atualmente, o microcontroladores são utilizados em diversos projetos eletrônicos. Apenas para citar, os microcontroladores atuam nas seguintes aplicações hoje em dia:
• automação; • robótica; • mecatrônicr • área médica • aviação; • entretenimento; • etc.
Veja que microcontroladores com características parecidas podem ser utilizados em aplicações bem distintas. O que diferencia uma aplicação da outra é a maneira como o microcontrolador está ordenado, ou seja, programado. Um microcontrolador funciona de acordo com um programa que fica salvo dentro de sua memória. Quando energizado, o microcontrolador é capaz de ler esta memória e saber o que deve fazer de acordo com o que está salvo dentro dela. Existem diversos tipos de memórias e estas são divididas em dois grupos: voláteis e não-voláteis. As memórias do tipo volátil são chamadas de RAM (Randon Access Memory) e dividem-se em dois grupos principais:
• memórias estáticas;
• memórias dinâmicas.
As memórias estáticas são mais velozes que as dinâmicas, porém, também são mais caras. Nos PCs, elas são usadas na memória cache do computador, enquanto as memórias dinâmicas são usadas para armazenar grandes quantidades de dados.
A principal característica de uma memória do tipo RAM é a incapacidade de reter dados na ausência de alimentação no PC ou no microcontroiador. Já as memórias do tipo não-volátil conseguem armazenar dados na ausência de alimentação. Estas memórias estão divididas nas seguintes categorias:
• ROM (Read Only Memory);
• EPROM (Eraseble Programable Read Only Memory);
• EEPROM (Electrically Eraseble Programable Read Only Memory).
A memória do tipo ROM ou PROM consegue ser gravada uma única vez. Normalmente, esta memória já sai gravada de fábrica, e, caso haja a necessidade de salvar um novo dado, será necessário descartá-la e substitui-la por uma nova.
Já as memórias do tipo EPROM podem ser apagadas e regravadas, porém, um incoveniente deste tipo de memória é o fato dela ser apagada através de luz ultravioleta. As memórias, têm uma janela central, através da qual o apagador de memória consegue injetar o sinal ultravioleta para apagar o conteúdo interno, permitindo que elas sejam regravadas.
Já as memórias EEPROM não têm este inconveniente, pois elas são apagadas eletricamente, o que facilita a sua utilização.
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Fabricantes de microcontroladores
Existem diversos fabricantes de microcontroladores, dentre eles podemos destacar:
• National; • ATMEL; • Microchip; • Philips; • Intel; • Cypress; • etc.
Cada um destes fabricantes tem as suas famílias de microcontroladores. A National, por exemplo, conta com a família COP8, enquanto a Philips conta com a família ARM.
A Microchip tem diversas famílias de microcontroladores, dentre elas podemos citar:
• família PIC10; • família PIC10; • família P1C16; • família PIC18; • família PIC24; • família dsPIC.
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Microprocessadores
Muitos dos sistemas eletrônicos complexos atuais baseiam-se no uso de um microprocessador ou microcontrolador. Tais sistemas constituem-se em hardware controlado por software. Se for necessário modificar o modo com que o sistema se comporta, é o software (em vez do hardware) que sofre alterações.
Sistemas de microprocessador
É comum que os sistemas de microprocessador sejam montados em um quadro de circuito impresso que consiste em uma CPU de microprocessador com vários chips especializados de apoio. Esses dispositivos integrados em escala muito grande (VLSI) proporcionam entrada e saída ao sistema, controle e temporização, bem como armazenamento para programas e dados.
Aplicações comuns dos sistemas de microprocessador incluem o controle de processos industriais complexos. Os exemplos típicos baseiam-se nas famílias de chips como Z80CPU, além de Z80PIO, Z80CTC e Z80SIO.
Microcomputadores de um único chip
Um microcomputador de um único chip é um sistema de computador completo (consistindo em CPU, RAM e ROM etc) em um invólucro VLSI único. Um computador de um único chip requer muito poucos circuitos externos adicionais para fornecer todas as funções associadas com um sistema de computador completo (porém, em geral, com capacidade de entrada e saída limitada).
Os microcomputadores de um único chip podem ser programados usando memórias programáveis internas ou através de chips de memória externos. As aplicações típicas dos microcomputadores de um único chip incluem as impressoras, os controladores de instrumento e os monitores. Um exemplo típico é Z84C.
Microcontroladores
Um microcontrolador é um computador de um único chip projetado especificamente para as aplicações de controle, em vez de aplicações gerais. Eles são usados muitas vezes para satisfazer um determinado requisito de controle, tal como controlar o comando de um motor. Os microcomputadores de um único chip, por outro lado, costumam executar várias funções diferentes e podem controlar diversos processos ao mesmo tempo.
Aplicações frequentes incluem o controle de dispositivos periféricos, tais como motores, acionadores, impressoras e componentes menos importantes do subsistema. Exemplos típicos são o Z86E, 8051, 68705 e 89C51.
Microcontroladores PIC
O microcontrolador PIC é um dispositivo microcontrolador de propósito geral que costuma ser usado em uma aplicação não-integrada para executar lógica simples, temporização e controle de entrada/saída. Os dispositivos PIC proporcionam uma solução flexível de baixo custo que preenche com eficácia a lacuna entres os microcomputadores de um único chip e o uso de chips lógicos e de temporização separados.
Figura 1 Diagrama em blocos de um sistema de microprocessador.
Vários dispositivos PIC e microcontroladores foram produzidos linguagem de alto nível. O interpretador
programação, como a linguagem C, em vez
característica torna os microeontroladores PIC muito fáceis de usar. Os microcontroladores PIC são usados em aplicações "autocontidas" que envol
analógico para digital e de digital para analógico. Exemplos comuns são o PICl2C
Dispositivos lógicos programados
Mesmo não sendo um exemplo d
(PLD) é um chip programável que pode lidar com operações lógicas complexas. Para sermos mais completos, incluímos aqui uma referência a t
grande quantidade de portas lógicas convencionais, minimi
tamanhos das placas de circuito impresso. A programação é relativamente objetiva derivação das funções lógicas complexas usando a álgebra booleana
Controladores lógicos programáveis
Os controladores lógicos programáveis (PL
utilizados para controlar uma grande variedade de processos automáticos, da operação de aeroportuário de manipulação de bagagens até o controle d
PLCs são resistentes e modulares, sendo projetados especilicamente para operar no am de processos.
O programa de controle de um PLC, em geral,
semicondutores de memória. O programa pode ser inserido (ou modificado) por meio de um simples programador manual, um controlador laptop
PLC estão Allen Bradley, Siemens e Mitsubishi.
Sistemas de microprocessador
Os componentes básicos de qualquer sistema de microprocessador são: (a) uma unidade central de processamento (CPU)
(b) uma memória, consistindo em dispositivos tanto leitura" (em geral, chamados RAM e ROM, respectivamente)
(c) um meio de proporcionar entrada e sa e um monitor de vídeo para a saída.
Em um sistema de microprocessador as fun microprocessador integrado em grande escala (VLSI). transistores individuais. Os dispositivos semicondutores tam de leitura/gravação e apenas-leitura. Ambo
qualquer item de dados pode ser recu dentro da memória. Independente disso de leitura/gravação”.
Diagrama em blocos de um sistema de microprocessador.
ários dispositivos PIC e microcontroladores foram produzidos incorporando um inter ível. O interpretador residente permite aos desenvolvedores c
, em vez de ter de recorrer à complexa linguagem de máquina. E croeontroladores PIC muito fáceis de usar. Os microcontroladores PIC são dos em aplicações "autocontidas" que envolvem lógica, temporizacão e conversão simples de analógico para digital e de digital para analógico. Exemplos comuns são o PICl2C
ógicos programados
ão sendo um exemplo de dispositivo microprocessado, um dispo
um chip programável que pode lidar com operações lógicas complexas. Para sermos mais ma referência a tais dispositivos. Os PLDs são capa
dade de portas lógicas convencionais, minimizando, assim, o total de chips e reduzindo os e circuito impresso. A programação é relativamente objetiva
plexas usando a álgebra booleana ou as tabelas verdade.
ógicos programáveis
os programáveis (PLC) são sistemas baseados em microprocessador uma grande variedade de processos automáticos, da operação de
ão de bagagens até o controle da fermentação de sua cerveja favorit dulares, sendo projetados especilicamente para operar no am
O programa de controle de um PLC, em geral, é armazenado em um ou mais dispositivos semicondutores de memória. O programa pode ser inserido (ou modificado) por meio de um simples programador manual, um controlador laptop ou copiado de uma rede local (LAN). E
radley, Siemens e Mitsubishi.
Sistemas de microprocessador
ásicos de qualquer sistema de microprocessador são: uma unidade central de processamento (CPU)
ória, consistindo em dispositivos tanto de “leitura/gravação leitura" (em geral, chamados RAM e ROM, respectivamente)
um meio de proporcionar entrada e saída (E/S). Por exemplo, um teclado para a entrada m um sistema de microprocessador as funções da CPU são proporcionadas por um único chip
tegrado em grande escala (VLSI). Esse chip equivale a mui dispositivos semicondutores também são usados para viabili
leitura. Ambos os tipos de memória permitem “
qualquer item de dados pode ser recuperado com igual facilidade, independente de sua locali
Independente disso, esse termo “RAM tornou-se sinônimo de memória semicondutora
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incorporando um interpretador de residente permite aos desenvolvedores criar as linguagens de complexa linguagem de máquina. Essa croeontroladores PIC muito fáceis de usar. Os microcontroladores PIC são acão e conversão simples de analógico para digital e de digital para analógico. Exemplos comuns são o PICl2C508 e PIC16C620.
e dispositivo microprocessado, um dispositivo lógico programado um chip programável que pode lidar com operações lógicas complexas. Para sermos mais ais dispositivos. Os PLDs são capazes de substituir uma zando, assim, o total de chips e reduzindo os e circuito impresso. A programação é relativamente objetiva e requer apenas a
ou as tabelas verdade.
eados em microprocessador uma grande variedade de processos automáticos, da operação de um sistema ermentação de sua cerveja favorita. Os dulares, sendo projetados especilicamente para operar no ambiente de controle enado em um ou mais dispositivos semicondutores de memória. O programa pode ser inserido (ou modificado) por meio de um simples N). Entre os fabricantes de
ásicos de qualquer sistema de microprocessador são:
leitura/gravação” quanto de "apenas-/S). Por exemplo, um teclado para a entrada ções da CPU são proporcionadas por um único chip sse chip equivale a muitos milhares de usados para viabilizar as memórias s os tipos de memória permitem “acesso aleatório”, já que e, independente de sua localização real nimo de memória semicondutora
Os componentes básicos d
sistema de conexão de múltiplos lios conhecido como diferentes:
• o barramento de endere
• o barramento de dados,
• o barramento de controle sistema.
A quantidade de linhas individuais existentes em um barramento de endere barramento de dados depende do micropro
importando se eles são utilizados pa estados básicos: O lógico (baixo) ou
números binários (uma sequência de
e endereço.
Muitos microprocessadores projetados para aplica barramento de dados de 8 bits e um barra
dados e endereço que podem operar com até 128
O maior número binário que pode aparecer em um barramento de dados de 8 bits corresponde à condição em que todas as oito linhas estão no 1
presente no barramento a qualquer momento e
forma, o endereço mais alto que pode aparecer em um barramento de dados de 16 bits é 1111111111111111 (ou 65.535). O intervalo completo de valores de dados e endereços de um microprocessador simples desse tipo é:
Dados de 00000000 a 11111111 Endereços de 0000000000000000
Representação dos dados
Os números binários, em particular os grandes, não são muito convenientes. Para torná fáceis de lidar convertemos com frequência os números binários em
é mais fácil para simples humanos compreenderem e apresenta vantagem sobre os decimais (base 10), já que pode ser convertido de/para binário com facilidade. Os primeiros d
decimal e hexadecimal são mostrados na tabela 0 a F) é usado para representar um grupo d caractere hexadecimal único) é chamado às vez
Um byte de dados consiste em u
apenas dois caracteres hexadecimais (hex). Um grupo de dez representado por quatro caracteres hex, trinta e dois bits (um assim por diante).
O valor de um byte expresso em
bits em grupos de quatro e convertendo cada sequência seguir:
ásicos do sistema (CPU, RAM, ROM e E/S) são interligados usando
sistema de conexão de múltiplos lios conhecido como barramento. Estão presentes três barramentos
o barramento de endereço usado para especificar as localizacões de memória; o barramento de dados, no qual os dados são transferidos entre os dispo
o barramento de controle que provê os sinais de temporização e controle por todo o
A quantidade de linhas individuais existentes em um barramento de endere
to de dados depende do microprocessador empregado. Os sinais em todas as linhas, n importando se eles são utilizados para endereçamento, dados ou controle, podem existir em apenas dois
ou 1 lógico (alto). Os dados e os endereços são representados por (uma sequência de 1s e 0s) que aparecem respectivamente nos barramentos
Muitos microprocessadores projetados para aplicações de controle e instrumentação usam um o de dados de 8 bits e um barramento de endereço de 16 bits. Outros possuem barramentos de
erar com até 128 bits de uma vez.
úmero binário que pode aparecer em um barramento de dados de 8 bits corresponde à todas as oito linhas estão no 1 lógico. Portanto, o maior valor de dados que pode estar
r momento equivale ao número binário 11111111
forma, o endereço mais alto que pode aparecer em um barramento de dados de 16 bits é ). O intervalo completo de valores de dados e endereços de um se tipo é:
11111111
0000000000000000 a 111111111111111
úmeros binários, em particular os grandes, não são muito convenientes. Para torná e lidar convertemos com frequência os números binários em hexadecimal
é mais fácil para simples humanos compreenderem e apresenta vantagem sobre os decimais (base 10), já que pode ser convertido de/para binário com facilidade. Os primeiros dezesseis números em binário, trados na tabela a seguir. Um único caractere hexadecimal (no intervalo de ado para representar um grupo de quatro dígitos binários (bits). Esse grupo de quatro bits (ou
ecimal único) é chamado às vezes de sequência.
ados consiste em um grupo de oito bits. Assim, um byte pode ser representado p apenas dois caracteres hexadecimais (hex). Um grupo de dezesseis bits
res hex, trinta e dois bits (uma palavra dupla por oito caracteres he O valor de um byte expresso em binário pode ser convertido facilmcnte para hex colo
e quatro e convertendo cada sequência em hexadecimal usando a tabela mostrada a
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/S) são interligados usando-se um ão presentes três barramentos
acões de memória; ão transferidos entre os dispositivos; e
temporização e controle por todo o A quantidade de linhas individuais existentes em um barramento de endereço e em um cessador empregado. Os sinais em todas as linhas, não ados ou controle, podem existir em apenas dois . Os dados e os endereços são representados por s) que aparecem respectivamente nos barramentos de dados ções de controle e instrumentação usam um 6 bits. Outros possuem barramentos de úmero binário que pode aparecer em um barramento de dados de 8 bits corresponde à lógico. Portanto, o maior valor de dados que pode estar nário 11111111 (ou 255). Da mesma forma, o endereço mais alto que pode aparecer em um barramento de dados de 16 bits é ). O intervalo completo de valores de dados e endereços de um
úmeros binários, em particular os grandes, não são muito convenientes. Para torná-los mais
mal (base 16). Esse formato
é mais fácil para simples humanos compreenderem e apresenta vantagem sobre os decimais (base 10), já esseis números em binário, e hexadecimal (no intervalo de sse grupo de quatro bits (ou m grupo de oito bits. Assim, um byte pode ser representado por (uma palavra) pode ser ra dupla por oito caracteres hex e acilmcnte para hex colocando os hexadecimal usando a tabela mostrada a
Observe que, para evitar conf um símbolo $ antes de um número he
64 signitica o decimal "sessenta e quatro", enquanto equivalente ao decimal 100. Da mesma torma, 7 decimal 127.
Exemplo 1
Converta o hexadecimal A3
Exemplo 2
Converta o binário 11101000 para hexadeci
Tipos de dados
Um byte de dados pode ser armaz
de um sistema de microprocessador. Portanto, um byte pode ser arma localizações de memória dentro de um sistema d
bits.
Os bits individuais dentro de um byte s significativo). No caso das palavras de 16 bit 15 (bit mais significativo).
Os números negativos (ou com sinal) podem ser representados usando complemento de dois, na qual o bit da frente (mais significativo) indica o
positivo). Por exemplo, o número de
O intervalo de valores inteiros dos dados que podem ser representados como byt (word) e palavras longas (long word)
Armazenamento de dados
A ROM do semicondutor dentro de um siste
para o código do programa, bem como a quaisquer dados permanentes que requeiram arma Todos esses dados são classificados como não
alimentação é desconectada.
A RAM do semicondutor dentro de um sis para os dados e variáveis temporários usados pelos microprocessadores como depósito temporário de dados processamento.
É importante observar que quaisquer programas ou dados arma quando a fonte de alimentação for desligada ou descone
que é mantida em atividade por uma pequena bateria. E reter os dados importantes, tais como hora e data.
Quando expressamos a quantidade de arma memória, utilizamos, em geral, Quilo
tem, na verdade, 1.024 bytes (não 1.000 bytes). A ra
bytes) é que 1.024 é a potência de 2 mais próxima (repare que 2 A capacidade de uma ROM de semicondu
de endereços e da quantidade de bits armazenados em cada endereço, p (capacidade = 2 Kbytes), 4 K x 8 bits (capacidade
sempre é necessário (ou desejável) que um espaço de memória inteiro povoado por dispositivos de memória.
Observe que, para evitar confusão sobre se o um número é hexadecimal ou decimal, colo
um símbolo $ antes de um número hexadecimal, ou adicionamos um H ao final do número. Por exemplo, 64 signitica o decimal "sessenta e quatro", enquanto $64 signitica "seis-quatro" hexadecimal, o qual
00. Da mesma torma, 7FH significa "sete F" hexadecimal, o que equivale ao
em binário.
1000 para hexadecimal.
ser armazenado em cada endereço dentro do espaço total de memória de um sistema de microprocessador. Portanto, um byte pode ser armazenado em cada uma das 65536
memória dentro de um sistema de microprocessador com barramcnto de endereço de Os bits individuais dentro de um byte são numerados de 0(bit menos significativo)
o caso das palavras de 16 bits, esses bits são numerados de 0
ativos (ou com sinal) podem ser representados usando complemento de dois, na qual o bit da frente (mais significativo) indica o sinal do número (1 positivo). Por exemplo, o número de 8 bits com sinal 10000001 representa o númer
O intervalo de valores inteiros dos dados que podem ser representados como byt são mostrados na Tabela Abaixo
A ROM do semicondutor dentro de um sistema de microprocessador proporciona armazenamento ódigo do programa, bem como a quaisquer dados permanentes que requeiram arma
odos esses dados são classificados como não-voláteis porque permanecem intactos quando a fonte de o semicondutor dentro de um sistema de microprocessador proporciona ar
áveis temporários usados pelos programas. Parte da RAM também é sadores como depósito temporário de dados enquanto executa as suas tare importante observar que quaisquer programas ou dados armazenados na RAM ser quando a fonte de alimentação for desligada ou desconectada. A única exceção a isso é a R
ida em atividade por uma pequena bateria. Essa memória suportada por bateria é usada para er os dados importantes, tais como hora e data.
Quando expressamos a quantidade de armazenamento proporcionada por um dispositivo de lobytes (Kbyte). É importante ressaltar que um Quilobyte de memória tem, na verdade, 1.024 bytes (não 1.000 bytes). A razão da escolha do Kbyte no lugar do kbyte
bytes) é que 1.024 é a potência de 2 mais próxima (repare que 210= 1.024).
dade de uma ROM de semicondutor costuma ser especificada em termos de um intervalo os e da quantidade de bits armazenados em cada endereço, p
(capacidade = 2 Kbytes), 4 K x 8 bits (capacidade = 4 Kbytes) e assim por dian
necessário (ou desejável) que um espaço de memória inteiro de um microprocessador seja e memória.
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sobre se o um número é hexadecimal ou decimal, colocamos inal do número. Por exemplo, quatro" hexadecimal, o qual é " hexadecimal, o que equivale ao
o espaço total de memória zenado em cada uma das 65536 e microprocessador com barramcnto de endereço de 16 (bit menos significativo) a 7 (bit mais (bit menos significativo) a ativos (ou com sinal) podem ser representados usando-se a notação sinal do número (1 = negativo, 0 = bits com sinal 10000001 representa o número decimal -1 .
O intervalo de valores inteiros dos dados que podem ser representados como bytes, palavras
microprocessador proporciona armazenamento ódigo do programa, bem como a quaisquer dados permanentes que requeiram armazenamento. voláteis porque permanecem intactos quando a fonte de tema de microprocessador proporciona armazenamento e da RAM também é utilizada pelos enquanto executa as suas tarefas normais de enados na RAM serão perdidos ão a isso é a RAM CMOS, ada por bateria é usada para enamento proporcionada por um dispositivo de importante ressaltar que um Quilobyte de memória ão da escolha do Kbyte no lugar do kbyte (1.000 ada em termos de um intervalo os e da quantidade de bits armazenados em cada endereço, por exemplo, 2K x 8 bits 4 Kbytes) e assim por diante. Observe que nem de um microprocessador seja
O microprocessador
A unidade central de processamento (CPU) de microprocessador ou microcompu
A função primária do microprocessador
memória. Como tal, ele deve ser capaz de transferir da
registradores internos e vice-versa. Além disso, ele deve operar de forma previsível distinguindo, por exemplo, entre uma operação contida dentr
ou localizações de memória de leitura/grava
precisam ser executadas, incluindo a capacidade de suspensão do processamento normal, de modo a responder a um dispositivo externo que requeira atenção.
As partes principais da CPU de um microprocessador, s
• registradores para o armazenamento tempor
• uma unidade lógica e aritmética
• uma unidade que recebe e decodifica instru
• um meio de controlar e temporiz
A figura abaixo mostra os aspectos internos principais d Explicaremos cada um desses aspectos, de forma resumida:
Figura 2 Arquitetura interna do uma CPU do um microprocessador de 8 bits típico.
Acumulador
O acumulador funciona como um registrador origem e destino de muitas das opera do microprocessador. Como registrador origem, ele contém os dados que serão usados
determinada operação, enquanto como registrador destino ele será usado para guardar o resultado de uma determinada operação. O acumulador (ou registrador A) apa
de operações do microprocessador e, portanto, são fe quaisquer outros.
Registrador de instruções
O registrador de instruções proporciona uma localização de armaz
instrução atual do microprocessador é mantida enquanto é processada. As instruções de programação são passadas para o microprocessador, uma de cada vez
unidade central de processamento (CPU) do microprocessador é o cerne de qualquer s microprocessador ou microcomputador e, portanto, sua operação é crucial para o sistema inteiro.
ção primária do microprocessador é buscar, decodificar e executar instruções residentes na memória. Como tal, ele deve ser capaz de transferir dados da memória externa para seus própr
versa. Além disso, ele deve operar de forma previsível distinguindo, por exemplo, entre uma operação contida dentro de uma instrução e quaisquer endereços que a acompanham
ões de memória de leitura/gravação. Além do mais, várias tarefas de manutenção do sistema indo a capacidade de suspensão do processamento normal, de modo a responder a um dispositivo externo que requeira atenção.
principais da CPU de um microprocessador, são:
enamento temporário de endereços e dados;
aritmética (ALU) que executa operações aritméticas e lógicas; ma unidade que recebe e decodifica instruções; e
de controlar e temporizar as operações dentro do sistema.
aspectos internos principais de um microprocessador t caremos cada um desses aspectos, de forma resumida:
Arquitetura interna do uma CPU do um microprocessador de 8 bits típico.
O acumulador funciona como um registrador origem e destino de muitas das opera do microprocessador. Como registrador origem, ele contém os dados que serão usados
determinada operação, enquanto como registrador destino ele será usado para guardar o resultado de uma determinada operação. O acumulador (ou registrador A) aparece em uma
rações do microprocessador e, portanto, são feitas mais referências a esse registrador do qu
ções proporciona uma localização de armazenamento t
do microprocessador é mantida enquanto é processada. As instruções de programação são cessador, uma de cada vez, através do barramento de dados.
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é o cerne de qualquer sistema e, portanto, sua operação é crucial para o sistema inteiro.
buscar, decodificar e executar instruções residentes na dos da memória externa para seus próprios versa. Além disso, ele deve operar de forma previsível distinguindo, por quaisquer endereços que a acompanham as de manutenção do sistema indo a capacidade de suspensão do processamento normal, de modo a
ções aritméticas e lógicas;
e um microprocessador típico de 8 bits.
O acumulador funciona como um registrador origem e destino de muitas das operações básicas do microprocessador. Como registrador origem, ele contém os dados que serão usados em uma determinada operação, enquanto como registrador destino ele será usado para guardar o resultado de ma quantidade muito grande ncias a esse registrador do que a
enamento temporário na qual a do microprocessador é mantida enquanto é processada. As instruções de programação são
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Na primeira parte de cada ciclo de máquina, a instrução é buscada e decodificada. A instrução é executada no segundo ciclo de máquina (e nos subsequentes). Cada ciclo de máquina gasta um tempo finito (em geral menos de 1 microssegundo), dependendo da frequência do relógio do microprocessador.
Barramento de dados (D0 a D7)
O barramento de dados externo provê uma via para os dados que interliga todos os componentes do sistema (como a memória de acesso aleatório, a memória de apenas-leitura e os dispositivos de entrada/saída). Em um sistema de 8 bits, o barramento de dados possui oito linhas de dados, com nomes que vão de D0 (o bit menos significativo) a D7 (o bit mais significativo), e os dados são movimentados em grupos de oito bits, ou bytes. Em um barramento de dados de dezesseis bits, as linhas têm nomes que vão de D0 a D15, e assim por diante.
Buffer do barramento de dado
O buffer do barramento de dados é um registrador temporário através do qual os bytes ou dados
passam em seu caminho para dentro ou para fora do microprocessador. O bufter é classificado, portanto, como bidirecional, com os dados passando para fora do microprocessador em uma operação de gravação e para dentro do processador durante uma operação de leitura. O sentido da transferência de dados é determinado pela unidade de controle conforme ela responde a cada instrução individual do programa.
Barramento de dados interno
O barramento de dados interno é uma via de dados de alta velocidade que interliga todos os elementos internos do microprocessador. O fluxo de dados para trás e para frente ao longo das linhas do barramento de dados interno é constante.
Registradores de propósito geral
Muitas operações de microprocessador (por exemplo, somar números de 8 bits) requerem o uso de mais de um registrador. Há também uma necessidade de armaenar por um tempo o resultado parcial de uma operação enquanto as demais operações acontecem. Ambas essas necessidades podem ser satisfeitas fornecendo vários registradores de propósito geral. O uso atribuído a esses registradores é deixado por conta do programador.
Apontador da pilha
Quando chega o momento de suspender uma determinada tarefa para atender por um breve período a algum outro evento, a maioria dos microproeessadores usa uma região da memória de acesso aleatório externa (RAM) conhecida como pilha. Quando o programa principal é interrompido, o microprocessador coloca o conteúdo dos registradores internos temporariamente na pilha, junto com o endereço da próxima instrução do programa principal. Quando a interrupção tiver sido atendida, o microprocessador recupera os dados que foram armazenados por um tempo na pilha junto com o endereço da próxima instrução no programa principal. Assim, ele está apto a retornar ao programa principal exatamente onde parou de executá-lo e com todos os dados preservados em seus registradores. O apontador da pilha nada mais é que um registrador que contém o endereço da última localizacão da pilha utilizada.
Contador de programa
Os programas consistem em uma sequência de instruções executadas pelo microprocessador. Essas instruções são armazenadas na memória de acesso aleatório externa (RAM) ou na memória de apenas-leitura (ROM). As instruções devem ser buscadas e executadas pelo microprocessador em uma sequência rigorosa. Ao armazenar o endereço da próxima instrução a ser executada, o contador de
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programa permite que o processador sempre saiba em que ponto do programa ele se encontra. O contador de programa é incrementado de forma automática quando cada instrução é executada.
Buffer do barramento de endereço
O buffer do barramento de endereço é um registrador temporário através do qual os endereços (nesse caso, consistindo em 16 bits) seguem seu caminho para fora do microprocessador. Em um microprocessador simples o buffer de endereço é unidirecional, com os endereços sendo colocados no barramento de endereço durante as operações tanto de leitura quanto de gravação. As linhas do barramento de endereço têm nomes de A0 a A15, onde A0 é a linha menos significativa do barramento de endereço e A16 é a mais significativa. Repare que o barramento de endereço de 16 bits pode ser usado para o acesso a 65.536 posições de memória diferentes. Um único byte de dados é armazenado em cada posição.
Barramento de controle
O barramento de controle é um conjunto de linhas de sinal usadas tanto para o controle dos dados em torno do sistema quanto para a interação com dispositivos externos. Os sinais de controle usados pelos microprocessadores tendem a ter tipos diferentes, porém os mais encontrados são os seguintes:
READ um sinal de saída do microprocessador indicando que a operação atual é de leitura.
WRITE um sinal de saída do microprocessador indicando que a operação atual é de gravação.
RESET um sinal que restabelece os registradores internos e zera o contador de programa, de modo que o programa possa ser reiniciado a partir do início.
IRQ pedido de interrupção a partir de um dispositivo externo tentando ganhar a atenção do microprocessador (o pedido pode ser atendido ou ignorado, de acordo com o estado do microprocessador no momento em que o pedido de interrupção foi recebido).
NMI interrupção não-mascanível (isto é, um sinal de interrupção que não pode ser ignorado pelo microprocessador).
Barramento de enderaço (A0 a A15)
O barramento de endereço proporciona uma via para os endereços que liga todos os componentes do sistema (como a memória de acesso aleatório, a memória de apenas-leitura e os dispositivos de entrada/saída). Em um sistema com um barramento de endereço de 16 bits existem dezesseis linhas de endereço com nomes que vão de A0 (bit menos sigmlicativo) a A15 (bit mais significativo). Em um sistema com um barramento de endereço de 42 bits existem 32 linhas de endereço com nomes de A0 a A31 e assim por diante.
Decodificador de instrução
O decodilicador de instrução nada mais é do que um arranjo de portas lógicas que age nos bits armazenados no registrador de instrução e que determina qual instrução eslá sendo referenciada no momento. O decodilicador de instrução fornece sinais de saída para a unidade de controle do microprocessador.
Unidade de controle
A unidade de controle é responsável por organizar o fluxo ordenado de dados dentro do microprocessador, bem como por gerar e responder aos sinais no barramento de controle. A unidade de controle também é responsável por controlar o tempo de todas as transferências de dados. Esse processo é sincronizado usando um sinal de relógio interno ou externo.
Como seu nome sugere, a ALU executa operações aritméticas e lógicas. A AL entradas (nesse caso, ambas são de
outra é tirada do barramento de dados interno através de um registrador temporário proporcionadas pela ALU incluem a adição, subtração,
deslocamento para a esquerda, deslocamento para a direita etc. O re ALU aparece no acumulador.
Registrador de flag (ou registrador de estado)
O resultado de uma opera
subsequente deve ocorrer. O registrador d resetados de acordo com o resultado da opera
seguintes flags estão disponíveis na maioria dos microprocessadores: o ZERO – o flag zero é estabelecido quan
valor de byte igual a 00000000)
o CARRY - o flag carry é estabelecido sem adição) gera um bit de transporte (em registrador de 8 bits)
o INTERRUPT - o flag interrupt indica se as in no momento.
Relógios
O relógio utilizado em um sistema de microprocessador é um gerador de onda quadrada preciso e estável. Na maioria dos casos, a frequ
quartzo. Um oscilador simples de relógio d
relógio que ele produz) é mostrado na Figura Abaixo designado quase sempre como estado T
Figura 3 (a) um circuito típico de relógio do microprocessador (b) em f
Os microprocessadores têm às
(ou outro dispositivo ressonante) é conectado diretamente aos pinos no
Como seu nome sugere, a ALU executa operações aritméticas e lógicas. A AL entradas (nesse caso, ambas são de 8 bits). Uma dessas entradas deriva do Acumulador, en outra é tirada do barramento de dados interno através de um registrador temporário
cionadas pela ALU incluem a adição, subtração, AND lógico, OR lógico, O deslocamento para a esquerda, deslocamento para a direita etc. O resultado da maioria d
Registrador de flag (ou registrador de estado)
O resultado de uma operação da ALU às vezes é importante para determinar que ação nte deve ocorrer. O registrador de flag contém vários bits individuais que são setad resetados de acordo com o resultado da operação da ALU. Esses bits são chamados de
estão disponíveis na maioria dos microprocessadores:
é estabelecido quando o resultado de uma operação da ALU é z valor de byte igual a 00000000)
arry é estabelecido sempre que o resultado de uma ope
e transporte (em outras palavras, quando o resultado não cabe dentro de um o flag interrupt indica se as interrupções externas estão habi
ado em um sistema de microprocessador é um gerador de onda quadrada preciso e Na maioria dos casos, a frequência do gerador de onda quadrada é deter
dor simples de relógio de onda quadrada com 4MHz (junto com a f
relógio que ele produz) é mostrado na Figura Abaixo. Observe que um ciclo de relógio completo é gnado quase sempre como estado T
microprocessador (b) em forma de onda produzida pelo circuito do relógio.
êm às vezes um circuito de relógio interno em que o cristal de quart (ou outro dispositivo ressonante) é conectado diretamente aos pinos no chip do mi
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Como seu nome sugere, a ALU executa operações aritméticas e lógicas. A ALU tem duas tradas deriva do Acumulador, enquanto a outra é tirada do barramento de dados interno através de um registrador temporário. As operações lógico, OR-exclusivo lógico, sultado da maioria das operações da
es é importante para determinar que ação s bits individuais que são setados ou sses bits são chamados de flags. Os ção da ALU é zero (isto é, um que o resultado de uma operação da ALU (como a tado não cabe dentro de um terrupções externas estão habilitadas ou desabilitadas
ado em um sistema de microprocessador é um gerador de onda quadrada preciso e determinada por um cristal de Hz (junto com a forma de onda de . Observe que um ciclo de relógio completo é
orma de onda produzida pelo circuito do relógio.
es um circuito de relógio interno em que o cristal de quartzo chip do microprocessador.
11 Figura 4 (a) Um relógio de CPU externo e (b) um relógio de CPU interno.
Operação do microprocessador
A maioria das operações realizadas por um microprocessador envolve o movimento de dados. Na realidade, o próprio código do programa (um conjunto de instruções armazenadas na ROM ou na RAM) deve ser trazido da memória antes da execução. Assim, o microprocessador executa uma sequência contínua de ciclos de busca e execução de instrução. A ação de trazer um código de instrução (ou operando/valor de dados) da memória envolve uma operação de leitura, enquanto a ação de mover os dados do microprocessador para a posição de memória envolve uma operação de gravação.
Cada ciclo de operação da CPU é conhecido como um ciclo de máquina. As instruções do programa podem requerer diversos ciclos de máquina (em geral, entre dois e cinco). O primeiro ciclo de máquina em qualquer ciclo consiste em uma busca de instrução (o código de instrução é lido da memoria) e é conhecido como ciclo M1. Os ciclos subsequentes, M2, M3 e assim por diante, dependem do tipo da instrução que está sendo executada. Essa sequência busca-execução é exibida na Figura Abaixo.
Figura 5 Operações de (a) leitura e (b) gravação.
Os microprocessadores determinam a origem dos dados (quando estão sendo lidos) e o destino dos dados (quando estão sendo gravados) colocando um único endereço no barramento de endereço. O endereço no qual os dados devem ser colocados (durante uma operação de gravação) ou onde os dados devem ser buscados (durante uma operação de leitura) pode fazer parte da memória do sistema (situação na qual podem estar na ROM ou na RAM) ou pode estar associado com a entrada/saída (E/S).
Uma vez que o barramento de dados está conectado a vários dispositivos VLSI, uni requisito essencial de tais chips (por exemplo, ROM e RAM) é que suas saídas de dados devem ter a capacidade de ficar isoladas do barramento sempre que for necessário. Esses chips são ajustados com entradas de seleção ou habilitação acionadas pela lógica de decodificação de endereço. Essa lógica assegura que a ROM, a RAM e os dispositivos de E/S nunca tentem colocar dados no barramento ao mesmo tempo!
Figura 6 Um diagrama de tempo típico do ciclo de busca
As entradas da lógica de barramento de endereço. O decodif
correspondem a uma determinada Função (ROM, RAM, E
gravando na RAM, por exemplo, a lógica de decodificação de endere seja selecionada, enquanto a ROM e a E/
Dentro da CPU os dados s
podem ser vistos como um escaninho que pode arma disponíveis. Em geral, esses dispositivos podem arma
disso, alguns registradores podem ser configurados como um regis registradores de trinta e dois bits.
Alguns registradores do microprocessador s usados pelo próprio microprocessador. Os registradores p
ou dedicados. No último caso, uma determinada função é associada ao registrador, tal como preservar o resultado de uma operação ou sinali
seu modelo de registrador são exibidos na F
A unidade lógica e aritnética
A ALU pode realizar operações aritméticas (adição e subtração) e lógicas (cornplementação, AND lógico, OR lógico etc). A ALU opera em duas entradas (com dez
dependendo do tipo de CPU) e proporciona uma saída (novamente com de Além disso, o estado da ALU é preservado no registra
excesso (carry), zero ou negativo possa ser detectado.
A unidade de controle é responsável pelo movimento dos dados dentro da CPU e pelo gerenciamento dos sinais de controle, tanto internos qu
os sinais necessários leiam ou gravem os dados de acordo com a instrução at
Entrada e saída
A transferência de dados dentro de um sistema d grupo de 8, 16 ou 32 bits usando a arquite
simples transferir dados para dentro e para f simplificado pelo uso de um dispositivo de equivalente). Esse dispositivo fornece registra
apenas os separa, mas também proporciona um grau de isolamento elétrico do barramento de dados do sistema.
do ciclo de busca-execução de um microprocessador.
ógica de decodificacão de endereço derivam de uma ou mais linhas barramento de endereço. O decodificador de endereço divide a memória disponível em blo
nada Função (ROM, RAM, E/S etc). Logo, esteja o processador lendo ou na RAM, por exemplo, a lógica de decodificação de endereço irá assegur
seja selecionada, enquanto a ROM e a E/S permanecem isoladas do barramento de dados.
a CPU os dados são armazenados em vários registradores. Os registradores em si podem ser vistos como um escaninho que pode armazenar tantos bits quanto possível nas vagas
m geral, esses dispositivos podem armazenar grupos de dezesseis dores podem ser configurados como um registrador de deze
Alguns registradores do microprocessador são acessíveis ao programador, enquanto ou dor. Os registradores podem ser classificados como d
o último caso, uma determinada função é associada ao registrador, tal como preservar o ção ou sinalizar o resultado de uma comparação. Um microprocessador co
de registrador são exibidos na Figura Abaixo.
ética
ar operações aritméticas (adição e subtração) e lógicas (cornplementação, AND opera em duas entradas (com dezesseis ou trinta e dois bits de tamanho, dependendo do tipo de CPU) e proporciona uma saída (novamente com dezesseis ou trinta e dois bits).
preservado no registrador-flag de modo que, por exemplo, um resul ero ou negativo possa ser detectado.
é responsável pelo movimento dos dados dentro da CPU e pelo gerenciamento dos sinais de controle, tanto internos quanto externos. A unidade de con
gravem os dados de acordo com a instrução atual.
de dados dentro de um sistema de microprocessador envol
bits usando a arquitetura de barramento descrita aqui. Portanto,é rel simples transferir dados para dentro e para fora do sistema na forma parale
simplificado pelo uso de um dispositivo de E/S Paralela Programável (um Z80PI0, 8255 ou chip VL ornece registradores para o armazenamento temporário dos dados que apenas os separa, mas também proporciona um grau de isolamento elétrico do barramento de dados do
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icacão de endereço derivam de uma ou mais linhas do icador de endereço divide a memória disponível em blocos que Logo, esteja o processador lendo ou ço irá assegurar que apenas a RAM S permanecem isoladas do barramento de dados.
enados em vários registradores. Os registradores em si enar tantos bits quanto possível nas vagas s ou trinta e dois bits. Além trador de dezesseis bits ou como dois eis ao programador, enquanto outros são odem ser classificados como de propósito geral o último caso, uma determinada função é associada ao registrador, tal como preservar o paração. Um microprocessador comum e
ar operações aritméticas (adição e subtração) e lógicas (cornplementação, AND esseis ou trinta e dois bits de tamanho, esseis ou trinta e dois bits). , por exemplo, um resultado de é responsável pelo movimento dos dados dentro da CPU e pelo anto externos. A unidade de controle reivindica que
l.
e microprocessador envolve a movimentação de de barramento descrita aqui. Portanto,é relativamente ora do sistema na forma paralela. Esse processo é E/S Paralela Programável (um Z80PI0, 8255 ou chip VLSI enamento temporário dos dados que não apenas os separa, mas também proporciona um grau de isolamento elétrico do barramento de dados do
13 Figura 7 O microprocessador Z80 (exibindo alguns dos sinais de controle mais importantes) junto com seu modelo de registrador.
A transferência de dados em paralelo é adequada à operação de alta velocidade por distâncias relativamente curtas, sendo um exemplo típico a ligação de um microcomputador a uma impressora matricial adjacente.
Entretanto, há algumas aplicações nas quais a transferência de dados em paralelo é inapropriada, sendo o exemplo mais comum a comunicação de dados por meio de linhas telefônicas. Emtais casos, os dados devem ser enviados de forma serial (um bit após o outro) e não de forma paralela.
Para transmitir dados na forma serial, os dados em paralelo do microprocessador devem ser reorganizados em um fluxo de bits. Essa tarefa é bastante simplificada pelo uso de um dispositivo de interface LSI que contem um registrador de deslocamento que é carregado com os dados em paralelo do barramento de dados. Esses dados são lidos então como um fluxo serial de bits através do deslocamento sucessivo. O processo inverso, a conversão de serial para paralelo, também usa um registrador de deslocamento. Aqui os dados são carregados na forma serial, cada bit deslocando-se adiante no registrador até que ele fique cheio. Então, os dados são colocados simultaneamente nas linhas de saída paralelas. Os princípios básicos da conversão de dados de paralelo para serial e de serial para paralelo estão ilustrados na figura abaixo.
Um programa de exemplo
O programa de exemplo a seguir (tabela abaixo) está escrito em código de máquina. O programa transfere dados de 8 bits de uma porta de entrada (Porta A), complementa (isto é, inverte) os dados (mudando os 0s para 1s e os 1s para 0s em cada posição de bit) e depois envia o resulta do para uma porta de saída (Porta B). O programa repete o processo indefinidamente.
Figura 8 Conversão (a) de serial para paralelo e (b) de paralelo para serial.
14 Figura 9 (a) Fluxograma do programa de exemplo e (b) os oito bytes de código de programa armazenados na memória.
Apenas três instruções do microprocessador são necessárias para executar essa tarefa junto com uma quarta instrução (salto) que provoca a repelição das três instruções indefinidamente. É mais fácil escrever um programa curto como esse em linguagem de máquina, a qual consiste em uma série de mnemônicos fáceis de lembrar. O fluxograma do programa é mostrado na figura abaixo (a).
O programa ocupa um total de oito bytes de memória, começando em um endereço hexadecimal 2000, como mostrado na figura abaixo (b). Você também devia observar que as duas portas, A e B, têm cada uma um endereço único; a Porta A está no endereço hexadecimal FF, enquanto a Poria B está no endereço hexadecimal FE.
Interrupções
Um programa que executa um loop indefinidamente tem uma aplicação prática um tanto limitada. Na maioria dos sistemas de microprocessador, desejamos ser capazes de interromper a sequência normal de fluxo do programa para alertar o microprocessador quanto à necessidade de algo. Podemos fazê-lo com um sinal conhecido como interrupção. Existem dois tipos de interrupção: mascarável e não-mascarável.
Quando é reivindicada uma interrupção não-mascarável, o processador deve suspender a execução da instrução atual e responder á interrupção de forma imediata. No caso da interrupção mascarável, a resposta do processador dependerá se as interrupções estão habilitadas no momento ou se estão desabililadas (quando habilitadas, a CPU suspenderá sua tarefa atual e executará a rotina de serviço da interrupção requisitada).
A resposta ás interrupções pode ser habilitada ou desabilitada através de instruções de programa apropriadas. Na prática, os sinais de interrupção podem ser gerados a partir de várias origens e, já que vão necessitar de sua própria resposta personalizada, deve ser fornecido um mecanismo para identificar a origem da interrupção e para chamar a rotina de serviço apropriada da interrupção. Para auxiliar nessa tarefa, o microprocessador pode usar um chip controlador de interrupção programável dedicado.
Um sistema de microcontrolador
A figura abaixo mostra o arranjo de um sistema de microcontrolador t
captadas (temperatura, posição ele) são convertidas em sinais elétricos correspondentes através de vá sensores. As saídas dos sensores (na f
para o microcontrolador. O microcontrolador também aceita entradas do usuário. Essas opções colocadas pelo usuário costumam incluir os valo
desejada), os valores-limite (tal como a velocidade máxima de um eixo) hora de “ligar” e a de “desligar”, o tempo de atraso etc).
Figura 10 Um sistema de microcontrolador com entradas e saídas típicas.
A operação do microcontrolador é controlada po conhecida como programa de controle. O
entradas dos sensores, os parâmetros do usuário e os dados de t sinais de saída enviados a um ou mais dispositivos controlados.
As quantidades controladas s
de saída do microcontrolador. Em geral, o dispositivo controlado converte energia de uma outra. Por exemplo, o dispositivo controlado poderia ser um aquecedor
elétrica de uma alimentação CA em calor, produ controlada).
Na maioria dos sistemas reais h
regulador. Uma vez configurados, esses sistemas continuarão a operar sem a interven operador. A saída de um sistema auto
chamamos de sistema de circuito fechado. Um bom exemplo de s de controle de aquecimento projetado para man
um recinto, independente das variações nas condições externas. Simplificando, um microcontrolador deve produ
conectadas a suas portas de saída em resposta a uma determinada combina cada uma das linhas conectadas a suas portas de entrada (fi
devem ter uma unidade central de proc e de temporização simples.
Os sinais da porta de entrada podem ter v
chaves (incluindo os botões de pressão de a
sensores (produzindo saídas compatíveis ao nível lógico)
teclados (tanto do tipo codificado quanto do tipo não
Um sistema de microcontrolador
mostra o arranjo de um sistema de microcontrolador t
captadas (temperatura, posição ele) são convertidas em sinais elétricos correspondentes através de vá es. As saídas dos sensores (na forma digital ou analógica) são transmitidas c
crocontrolador. O microcontrolador também aceita entradas do usuário. Essas opções colocadas suário costumam incluir os valores-alvo para as variáveis (tal como uma temperatura ambiente
limite (tal como a velocidade máxima de um eixo) ou restriçõe , o tempo de atraso etc).
Um sistema de microcontrolador com entradas e saídas típicas.
ção do microcontrolador é controlada por uma sequência de instruções de software conhecida como programa de controle. O programa de controle opera de forma contínua, examinando as
etros do usuário e os dados de tempo antes de efetuar mudanças saída enviados a um ou mais dispositivos controlados.
As quantidades controladas são produzidas pelos dispositivos controlados
m geral, o dispositivo controlado converte energia de uma outra. Por exemplo, o dispositivo controlado poderia ser um aquecedor elétrico que conve
mentação CA em calor, produzindo assim uma determinada temperatura (a quantidade Na maioria dos sistemas reais há uma necessidade de que o sistema seja autom
configurados, esses sistemas continuarão a operar sem a interven
sistema auto-regulador e realimentada na sua entrada para produ tema de circuito fechado. Um bom exemplo de sistema de circuito fechado é um
aquecimento projetado para manter constantes a temperatura ambiente e a umidade em riações nas condições externas.
Simplificando, um microcontrolador deve produzir um estado específico conectadas a suas portas de saída em resposta a uma determinada combinação de
das a suas portas de entrada (figura abaixo). Os microcontroladores também devem ter uma unidade central de processamento (CPU) capaz de realizar operações aritméti
Os sinais da porta de entrada podem ter várias origens: chaves (incluindo os botões de pressão de ação momentânea)
indo saídas compatíveis ao nível lógico)
teclados (tanto do tipo codificado quanto do tipo não-codificado).
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mostra o arranjo de um sistema de microcontrolador típico. As quantidades captadas (temperatura, posição ele) são convertidas em sinais elétricos correspondentes através de vários orma digital ou analógica) são transmitidas como sinais de entrada crocontrolador. O microcontrolador também aceita entradas do usuário. Essas opções colocadas o para as variáveis (tal como uma temperatura ambiente ou restrições de tempo (tal como a
r uma sequência de instruções de software orma contínua, examinando as empo antes de efetuar mudanças nos as pelos dispositivos controlados em resposta aos sinais m geral, o dispositivo controlado converte energia de uma forma para létrico que converte energia uma determinada temperatura (a quantidade á uma necessidade de que o sistema seja automático ou auto-configurados, esses sistemas continuarão a operar sem a intervenção permanente do
realimentada na sua entrada para produzir o que istema de circuito fechado é um sistema tura ambiente e a umidade em ífico em cada uma das linhas ção de estados presentes em ). Os microcontroladores também zar operações aritméticas, lógicas
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Os sinais da porta de saída podem ser conectados a vários dispositivos:
indicadores LED (de ambos os tipos, individual e múltiplo)
displays com sete segmentos de LED (através de uma interface adequada)
motores e atuadores (dos tipos linear e rotativo) através de um buffer/acionador adequado ou de uma interface dedicada
relês (tanto do tipo eletromagnêtico convencional quanto do tipo estado sólido com acoplamento ótico)
acionadores de transistor e outros dispositivos comutadores de estado sólido
Dispositivos de entrada
Os dispositivos de entrada fornecem informação ao sistema de computador a partir do mundo exterior. Em um computador pessoal comum o dispositivo de entrada mais óbvio é o teclado. Outros dispositivos de entrada disponíveis no PC são o mouse (dispositivo apontador), o scanner e o modem. Os microcontroladores usam dispositivos de entrada muito mais simples. Eles não precisam ser mais do que chaves individuais ou contatos que se fazem e desfazem, mas muitos outros tipos de dispositivo também são utilizados, incluindo muitos tipos de sensor que proporcionam saídas de nível lógico (como os comutadores de flutuação, os detectores de proximidade, os sensores de luz etc).
É importante observar que, para estar conectado diretamcnle com a porta de entrada e um microcontrolador, um dispositivo de entrada deve fornecer um sinal lógico compatível. Isso se deve ao fato de as entradas do microcontrolador poderem aceitar apenas sinais de entrada digitais com os mesmos níveis de voltagem que a fonte de alimentação lógica. O nível básico de 0 V (que costuma ser classificado como Vss no caso do controlador CMOS) e a alimentação positiva (VDD no caso de um microcontrolador
CMOS) é invariavelmente de 5V±5%. Um nível de cerca de 0V indica um sinal 0 lógico, e uma voltagem aproximadamente igual à fonte de alimentação positiva indica um sinal 1 lógico.
Outros dispositivos de entrada podem sentir quantidades analógicas (como a velocidade), mas usam código digital para representar seus valores como uma entrada para o sistema de microcontrolador. Alguns microcontroladores proporcionam um conversor analógico digital interno (ADC) para simplificar bastante a conexão dos sensores analógicos como dispositivos de entrada, mas onde não houver essa facilida-de será necessário usar um ADC externo que costuma ter a forma de urn único circuito integrado. A resolução do ADC dependerá do número de bits usados, sendo comuns nas aplicações de controle os dispositivos de 8, 10 e 12 bits.
Dispositivos de saída
Os dispositivos de saída são usados para transmitir informações ou ações de um sistema de computador para o mundo exterior. Em um sistema de computação pessoal, o dispositivo de saída mais comum e o monitor CRT (tubo de raios catódicos). Outros dispositivos de saída incluem as impressoras e os modems. Como ocorre nos dispositivos de entrada, os sistemas de microconlrolador usam com frequência os dispositivos de saída mais simples. Eles podem ser nada mais do que LEDs, sonorizadores piezelétricos, relês e motores. Para que possa ser conectado diretamente à porta de saída de um microcontrolador, um dispositivo de saída deve mais uma vez, ser capaz de aceitar um sinal lógico compatível.
Quando as quantidades analógicas (e não a operação digital liga/desliga simples) forem exigidas na saída será necessário um conversor digital-analógico (DAC). Todas as funções associadas com um DAC podem ser proporcionadas por um único circuito integrado. Como ocorre no ADC, a resolução de saída de um DAC depende do número de bits, sendo comuns nas aplicações de controle 8, 10 e 12 bits.
Circuitos de interface
Por fim, quando os sinais de entrada e saída não forem logicamente compatíveis (isto é, quando eles estão fora do intervalo de sinais que podem ser conectados diretamente ao microcontrolador) alguns componentes de circuito de interface são necessários para deslocar os níveis de voltagem ou para proporcionar o acionamenlo de corrente adicional. Os circuitos adicionais também podem ser necessários quando uma carga (como um relê ou motor) requer mais corrente do que a disponívela partir de um dispositivo lógico padrão ou de uma porta de saída. Por exemplo, está disponível um conjunto comum de
circuitos de interface (relês de estado sólido) que facilitará que um microcontrolador seja interfaceado co uma carga CA conectada à alimentação. Então, torna
(operando a partir de uma alimentação de apenas 5V CC controlar um sistema de aquecimento central operando a partir de uma alimentação de 240V CC.
Figura 11 Um sinal de entrada analógico pode ser conectado a uma porta de entrada do microcontrolador através de um conversor analógico-digital. (ADC)
ês de estado sólido) que facilitará que um microcontrolador seja interfaceado co uma carga CA conectada à alimentação. Então, torna-se possível para um pequeno microcontrolador (operando a partir de uma alimentação de apenas 5V CC controlar um sistema de aquecimento central operando a partir de uma alimentação de 240V CC.
Um sinal de entrada analógico pode ser conectado a uma porta de entrada do microcontrolador através de um conversor
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ês de estado sólido) que facilitará que um microcontrolador seja interfaceado com se possível para um pequeno microcontrolador (operando a partir de uma alimentação de apenas 5V CC controlar um sistema de aquecimento central
