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Conceitos básicos de algoritmos e estruturas de dados, com exemplos práticos e aplicabilidade em diferentes situações. Além disso, é discutido o papel dessas estruturas na solução de problemas complexos, como a busca em grafo e a ordenação de vetores.
Tipologia: Notas de estudo
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E s t a a p o s t i l a f o i d e s e n v o l v i d a p a r a a u x i l i a r o s a l u n o s d a F a c u l d a d e d e T e c n o l o g i a d e T a t u í n a d i s c i p l i n a d e M i c r o c o n t r o l a d o r e s d o 5 º s e m e s t r e d o c u r s o d e E l e t r ô n i c a – A u t o m a ç ã o I n d u s t r i a l.
P r e t e n d e f o r n e c e r a o s a l u n o s o s c o n h e c i m e n t o s b á s i c o s n e c e s s á r i o s p a r a i n i c i a r a s a t i v i d a d e s d e d e s e n v o l v i m e n t o d e s o f t w a r e d e c o n t r o l e p a r a o m i c r o c o n t r o l a d o r P I C 1 6 F 6 2 8 A p r o d u z i d o p e l a e m p r e s a
M i c r o c h i p.
O c u r s o a b o r d a r á a p e n a s a l i n g u a g e m A s s e m b l y c u j o c o m p i l a d o r j á v e m i n c o r p o r a d o a o S o f t w a r e M P L A B I D E. S e n d o e s t e u m a s u í t e d e d e s e n v o l v i m e n t o f o r n e c i d o g r a t u i t a m e n t e p e l a M i c r o c h i p.
C o m o p r é - r e q u i s i t o é a c o n s e l h á v e l q u e o a l u n o t e n h a c o n h e c i m e n t o d e e l e t r ô n i c a d i g i t a l e n o ç õ e s d e f u n c i o n a m e n t o d e m i c r o p r o c e s s a d o r e s.
A e s t r a t é g i a d i d á t i c a d e s t a a p o s t i l a é p r o p o r c i o n a r o s c o n c e i t o s t e ó r i c o s e e m s e g u i d a a p l i c á - l o s n o s e x e r c í c i o s p r á t i c o s.
O s e x e r c í c i o s o u e x e m p l o s p r á t i c o s s ã o o r i e n t a d o s a o H a r d w a r e d i d á t i c o , o q u a l f o i e l a b o r a d o p a r a a t e n d e r t o d a s a s p r o p o s t a s d o c u r s o.
E x : ( 1 3 5 ) d = (? ) b
P o r t a n t o , ( 1 3 5 ) (^) 1 0 = ( 1 0 0 0 0 1 1 1 ) (^2)
S I S T E M A N U M É R I C O H E X A D E C I M AL ( b a s e 1 6 )
B i n á r i o H e x a d e c i m a l D e c i m a l 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 2 2 0 0 1 1 3 3 0 1 0 0 4 4 0 1 0 1 5 5 0 1 1 0 6 6 0 1 1 1 7 7 1 0 0 0 8 8 1 0 0 1 9 9 1 0 1 0 A 1 0 1 0 1 1 B 1 1 1 1 0 0 C 1 2 1 1 0 1 D 1 3 1 1 1 0 E 1 4 1 1 1 1 F 1 5 T a b e l a 1 - N ú m e r o s b i n á r i o s , h e x a d e c i m a i s e d e c i m a i s.
P r i n c i p a l p r o p r i e d a d e :
E m r e l a ç ã o a o b i n á r i o , p o d e m o s r e l a c i o n a r 1 a l g a r i s m o h e x a d e c i m a l a 4 a l g a r i s m o s ( b i t s ) d o s i s t e m a b i n á r i o.
E x :
( 3 A ) (^) h = ( 0 0 1 1 1 0 1 0 ) (^) b
3 A
O b s. : E s t e f a t o f a c i l i t a a c o n v e r s ã o d i r e t a e n t r e o s s i s t e m a s h e x a d e c i m a l e b i n á r i o.
E x : 1 0 1
S U B T R A Ç Ã O P o r c o m p l e m e n t o d e d o i s :
C o m p l e m e n t o d e u m n ú m e r o :
C o m p l e m e n t a r o n ú m e r o ( 1 0 1 1 ) (^) b
1 0 1 1 = 0 1 0 0 + 1 = 0 1 0 1
E x. :
1 ) D e t e r m i n a r a s u b t r a ç ã o A - B :
A = ( 1 1 1 0 ) (^) b e B = ( 1 0 1 0 ) (^) b
R = A - B = A + / B
B = 1 0 1 0 = 0 1 0 1 + 1 = > B = 0 1 1 0
E n t ã o : 1 1 1 0
1 0 1 0 0
C a r r y → C = 1 → R e s u l t a d o p o s i t i v o
P o r t a n t o , R = ( 0 1 0 0 ) (^) b
2 ) I d e m p a r a :
A = ( 1 0 1 0 ) (^) b e B = ( 1 1 1 0 ) (^) b
R = A - B → R = A + B
/ B = 0 0 0 1 + 1 → / B = 0 0 1 0
E n t ã o : 1 0 1 0
0 1 1 0 0
C a r r y → C = 0 → R e s u l t a d o n e g a t i v o , d e v e - s e c o m p l e m e n t a r o n ú m e r o.
R = - 1 1 0 0 = - ( 0 0 1 1 + 1 ) = - 0 1 0 0
Operandos Result. Carry
A B R C 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1
T a b e l a – V e r d a d e P o r t a L ó g i c a F u n ç ã o
T a b e l a – V e r d a d e P o r t a L ó g i c a F u n ç ã o
P o s t u l a d o s
A. 1 = A A + 1 = 1 A. 0 = 0 A + 0 = A A. / A = 0 A + / A = 1
A 1 = / A
L Ó G I C A D E P R O G R AM AÇ Ã O
L Ó G I C A D E P R O G R A M A
A l ó g i c a d e p r o g r a m a é n e c e s s á r i a p a r a o d e s e n v o l v i m e n t o d e s i s t e m a s e p r o g r a m a s , e l a p e r m i t e d e f i n i r a s e q u ê n c i a l ó g i c a p a r a o d e s e n v o l v i m e n t o. O u s e j a , é a t é c n i c a d e e n c a d e a r p e n s a m e n t o s p a r a a t i n g i r d e t e r m i n a d o o b j e t i v o o u s o l u ç ã o d e u m p r o b l e m a. E s t e s p e n s a m e n t o s p o d e m s e r d e s c r i t o s c o m o u m a s e q u ê n c i a d e i n s t r u ç õ e s.
E S T R U T U R A Ç Ã O D A S I D E I A S
P a r a o d e s e n v o l v i m e n t o d e p r o g r a m a s , é n e c e s s á r i o s a b e r p a s s o a p a s s o o q u e s e d e s e j a f a z e r. A p ó s i s s o , t r a n s f o r m e o o b j e t i v o e m “ i n s t r u ç õ e s ” q u e s e r ã o i n t e r p r e t a d a s p e l o p r o c e s s a d o r , d e f o r m a a c o n s e g u i r u m p r o g r a m a q u e r e s o l v a a “ s i t u a ç ã o p r o b l e m a ”. E m i n f o r m á t i c a , i n s t r u ç ã o é a i n f o r m a ç ã o q u e i n d i c a a o p r o c e s s a d o r u m a a ç ã o a e x e c u t a r , o u s e j a , é u m a l i n h a d o p r o g r a m a.
P a r a c r i a r u m p r o g r a m a , é p r e c i s o o r d e n a r a s i d é i a s ( i n s t r u ç õ e s ) d e f o r m a l ó g i c a e s e q u e n c i a l , s e g u n d o o o b j e t i v o a s e r a l c a n ç a d o , p o i s s o m e n t e d e s s a f o r m a o o b j e t i v o s e r á a l c a n ç a d o d e f o r m a c o r r e t a.
F L U X O G R A M A
O f l u x o g r a m a é a f o r m a p a d r o n i z a d a e e f i c a z p a r a r e p r e s e n t a r o s p a s s o s l ó g i c o s d e u m d e t e r m i n a d o p r o c e s s a m e n t o.
C o m o f l u x o g r a m a é p o s s í v e l d e f i n i r u m a s e q u ê n c i a d e s í m b o l o s , c o m s i g n i f i c a d o b e m d e f i n i d o , p o r t a n t o , s u a p r i n c i p a l f u n ç ã o é a d e f a c i l i t a r v i s u a l i z a ç ã o d o s p a s s o s l ó g i c o s. A t a b e l a 2 m o s t r a o s p r i n c i p a i s s í m b o l o s u t i l i z a d o s n u m f l u x o g r a m a :
P r o c e s s a m e n t o e m g e r a l. E x. : c á l c u l o d e d o i s n ú m e r o s
I n d i c a u m d e c i s ã o a s e r t o m a d a.
d e s v i o (^) P e r m i t e o d e s v i o p a r a u m p o n t o q u a l q u e r d o p r o g r a m a.
I n d i c a o c o m e ç o d o b l o c o.
E n t r a d a / s a í d a O p e r a ç ã o d e e n t r a d a e s a í d a d e d a d o s. E x. : L e i t u r a e g r a v a ç ã o d e a r q u i v o. E n t r a d a m a n u a l
I n d i c a e n t r a d a d e d a d o s a t r a v é s d o t e c l a d o
T a b e l a 2 - S í m b o l o s d o f l u x o g r a m a
p r o c e s s o
d e c i s ã o
i n í c i o
D o m é s t i c a s
I n d u s t r i a i s
A R Q U I T E T U R AS H AR V A R D x V O N - N E U M AN N
S ã o t i p o s d e e s t r u t u r a s i n t e r n a s d e m á q u i n a s , o u s e j a , c o m o s u a s p a r t e s i n t e r n a s s e i n t e r l i g a m.
T r a d i c i o n a l m e n t e , o s M C C s u t i l i z a m a a r q u i t e t u r a V o n - N e u m a n n , q u e s e c a r a c t e r i z a p e l a d i s p o n i b i l i d a d e d e u m a ú n i c a m e m ó r i a p r i n c i p a l , n a q u a l s e a r m a z e n a d a d o s e i n s t r u ç õ e s , f i g u r a 2 a. E s t e s t r a f e g a m p o r u m ú n i c o b a r r a m e n t o i n t e r n o , g e r a l m e n t e d e 8 b i t s.
J á a a r q u i t e t u r a i n t e r n a d o s P I C s é d o t i p o H a r v a r d , q u e d i s p õ e d e m e m ó r i a s d e d a d o s e d e p r o g r a m a s e c a d a m e m ó r i a p o s s u i s e u r e s p e c t i v o b a r r a m e n t o , f i g u r a 2 b. A s s i m , e s t a a r q u i t e t u r a t e m o p r o c e s s a m e n t o m a i s r á p i d o , p o i s n o m e s m o i n s t a n t e e m q u e u m a i n s t r u ç ã o e s t á s e n d o e x e c u t a d a , a p r ó x i m a i n s t r u ç ã o p o d e s e r b u s c a d a n a m e m ó r i a d e p r o g r a m a. N e s t e c a s o , o b a r r a m e n t o d e d a d o s é s e m p r e d e 8 b i t s e o d e i n s t r u ç õ e s p o d e s e r d e 1 2 , 1 4 o u 1 6 b i t s , d e p e n d e n d o d o M C C.
N a a r q u i t e t u r a H a r v a r d c o m o o b a r r a m e n t o d e i n s t r u ç ã o é m a i o r d o q u e 8 b i t s , o O P C O D E ( O P e r a t i o n C O D E ) d a i n s t r u ç ã o j á i n c l u i o d a d o e o l o c a l o n d e e l e v a i o p e r a r ( q u a n d o n e c e s s á r i o ) ( f i g u r a 1 4 ) , o q u e s i g n i f i c a q u e a p e n a s u m a p o s i ç ã o d e m e m ó r i a é u t i l i z a d a p o r i n s t r u ç ã o , e c o n o m i z a n d o a s s i m m u i t a m e m ó r i a d e p r o g r a m a. D e s t a f o r m a , d e n t r o d a p a l a v r a d o O P C O D E , q u e p o d e s e r d e 1 2 , 1 4 o u 1 6 b i t s , n ã o s o b r a m u i t o e s p a ç o p a r a o c ó d i g o d a i n s t r u ç ã o p r o p r i a m e n t e d i t o , p o r i s s o o s P I C s u t i l i z a m o c ó d i g o R I S C.
8 b i t s
F i g u r a 2 a : A r q u i t e t u r a V o n - N e u m a n n
8 b i t s 1 2 , 1 4 , 1 6 b i t s
F i g u r a 2 b : A r q u i t e t u r a H a r v a r d
M e m ó r i a d e P r o g r a m a e
D a d o s
D a d o s / I n s t
E n d e r e ç o s
C P U
M e m ó r i a
d e D a d o s
M e m ó r i a d e
P r o g r a m a
D a d o s
E n d e r e ç o s
I n s t r u ç õ e s
E n d e r e ç o s
M E M Ó R I A S D E D A D O S → u t i l i z a d a n o a r m a z e n a m e n t o d e d a d o s o u v a r i á v e i s d e u m s i s t e m a.
1. R A M ( R a n d o m A c c e s s M e m o r y )
M e m ó r i a d a c l a s s e v o l á t i l e n o s M C C s a R A M é d o t i p o e s t á t i c a , e a i n d a é d e n o m i n a d a d e r e g i s t r a d o r e s d e u s o g e r a l.
2. E E P R O M ( E l e c t r i c a l E r a s a b l e P r o g r a m m a b l e R e a d O n l y M e m o r y )
M e m ó r i a n ã o v o l á t i l u t i l i z a d a n o a r m a z e n a m e n t o d e d a d o s. C o m u m e n t e o M C C c o n t é m u m a p o r ç ã o i n t e r n a m e n t e , e q u a n d o n e c e s s i t a - s e m a i o r q u a n t i d a d e d e s t a m e m ó r i a p o d e - s e u t i l i z a r d e E E P R O M e x t e r n a m e n t e. A s e x t e r n a s m a i s u t i l i z a d a s s ã o a s d e b a r r a m e n t o s e r i a l ( I ² C ).
F i g u r a 0 4 - C o m p o n e n t e s d a C P U
C P U ( C e n t r a l P r o c e s s i n g U n i t ) é r e s p o n s á v e l p e l o g e r e n c i a m e n t o d e t o d o o s i s t e m a e e x e c u ç ã o d o s p r o g r a m a s. C o m p o s t a p o r t r ê s m ó d u l o s : U L A , c ó d i g o d e i n s t r u ç ã o e r e g i s t r a d o r e s.
1. U L A ( U n i d a d e L ó g i c a e A r i t m é t i c a )
M ó d u l o r e s p o n s á v e l p e l o s c á l c u l o s m a t e m á t i c o s e m a n i p u l a ç ã o d e d a d o s d u r a n t e a e x e c u ç ã o d e u m p r o g r a m a. E x e c u t a o p e r a ç õ e s l ó g i c a s e a r i t m é t i c a s , s e t a b i t , r e s e t a b i t , t e s t a b i t e r o t a c i o n a.
2. C O N J U N T O D E I N S T R U Ç Õ E S R I S C , C I S C e S I S C
S ã o c l a s s e s d e C P U e m r e l a ç ã o a o c o n j u n t o d e i n s t r u ç õ e s.
R I S C ( R e d u c e d I n s t r u c t i o n S e t C o m p u t e r )
S ã o C P U s c o m c o n j u n t o d e i n s t r u ç õ e s r e d u z i d o s , q u e p o s s u i c e r c a d e 3 5 i n s t r u ç õ e s s i m p l e s. S e n d o n e c e s s á r i a s v á r i a s l i n h a s p a r a e x e c u t a r u m c o m a n d o , i s s o a l o n g a o p r o g r a m a d o u s u á r i o.
C P U
1. U L A
2. C Ó D I G O D E I N S T R U Ç Ã O
3. R E G I S T R AD O R E S
T I P O S
O PIC
P I C ( P e r i p h e r i c a l I n t e r f a c e C o n t r o l e r )
H I S T Ó R I A
E m 1 9 6 5 , a G I M i c r o e l e c t r o n i c s d e u s e u s p r i m e i r o s p a s s o s , f a b r i c a n d o m e m ó r i a s E P R O M e E E P R O M. D e s e n h o u n o i n í c i o d o s a n o s 7 0 o M C C d e 1 6 b i t s C P 1 6 0 0 , q u e t r a b a l h a v a b e m , m a s d e f o r m a i n e f i c a z n o c o n t r o l e d e p o r t a s I / O. P a r a r e s o l v e r e s t e p r o b l e m a , e m 1 9 7 5 , a d i v i s ã o d e m i c r o e l e t r ô n i c a , t r a n s f o r m a d a m a i s t a r d e e m A r i z o n a M i c r o c h i p T e c h n o l o g y , d e s e n h o u u m c h i p d e s t i n a d o a c o n t r o l a r p o r t a s I / O. N a s c i a , a s s i m , o P I C , p r i n c i p a l p r o d u t o d e s t a e m p r e s a. C o m e s t r u t u r a m u i t o m a i s s i m p l e s q u e u m p r o c e s s a d o r , e l e p o d i a m a n e j a r a s p o r t a s I / O c o m m u i t a f a c i l i d a d e , r a p i d e z e e f i c i ê n c i a.
A t u a l m e n t e , u m d o s g r a n d e s f a b r i c a n t e s d e M C C s P I C é a M i c r o c h i p , q u e t e m s u a p r i n c i p a l f á b r i c a e m C h a n d l e r , A r i z o n a , e e m 1 9 9 3 f o i c o n s t r u í d a o u t r a f á b r i c a e m T e m p e , A r i z o n a , q u e t a m b é m c o n t a c o m c e n t r o s d e f a b r i c a ç ã o n o T a i w a n e n a T a i l â n d i a. E m 2 0 0 8 , a M i c r o c h i p p a r t i c i p o u c o m 5 7 % d a s v e n d a s d e M C C s d a c a t e g o r i a d e 8 b i t s.
F A M Í L I A S e D E S E M P E N H O D O P I C
É a f a m í l i a d e M C C s q u e u t i l i z a m o c ó d i g o d e i n s t r u ç ã o R I S C , o q u e p e r m i t e q u e e l e s t e n h a m u m s e t d e i n s t r u ç ã o r e d u z i d o. O s M C C s d a f a m í l i a P I C p o d e m f u n c i o n a r c o m f r e q u ê n c i a s d e a t é 4 0 M H z. E l e s s ã o d i v i d i d o s e m q u a t r o g r u p o s , d i f e r e n c i a d o s p e l a c a p a c i d a d e d e a r m a z e n a m e n t o e m c a d a l o c a l i d a d e d e s u a m e m ó r i a d e p r o g r a m a : 1 2 , 1 4 , 1 6 e 3 2 b i t s. A f i g u r a 6 a s e g u i r , i l u s t r a u m g r á f i c o d a F u n c i o n a l i d a d e x D e s e m p e n h o.
F i g u r a 6 - G r á f i c o F u n c i o n a l i d a d e x D e s e m p e n h o.
U m a d a s r a z õ e s d o s u c e s s o d o P I C é a b a s e d e s u a u t i l i z a ç ã o , o u s e j a , q u a n d o s e a p r e n d e a t r a b a l h a r c o m u m m o d e l o , f i c a f á c i l m i g r a r p a r a o u t r o s m o d e l o s , j á q u e t o d o s t ê m u m a e s t r u t u r a p a r e c i d a.
C a d a t i p o d e M C C s e r v e p a r a u m p r o p ó s i t o , e c a b e a o p r o j e t i s t a s e l e c i o n a r o m e l h o r p a r a o s e u t r a b a l h o. D e n t r e o s m a i s p o p u l a r e s , e n c o n t r a m o s o 1 6 F 8 4 , a i n d a f á c i l d e o b t e r , m a s q u e e s t á s e n d o s u b s t i t u í d o p e l o m o d e l o 1 6 F 6 2 7 o u 1 6 F 6 2 8 , p o r t e r m a i s r e c u r s o s e p r e ç o s a p r o x i m a d o s. A d i f e r e n ç a e n t r e o P I C 1 6 F 6 2 7 e 1 6 F 6 2 8 e s t á n a q u a n t i d a d e d e m e m ó r i a.
O b s. : O P I C 1 6 F 8 8 é s i m i l a r a o 1 6 F 6 2 8 , p o r é m c o n t é m u m A / D i n t e r n a m e n t e ( 1 0 b i t s ).
F i g u r a 7 - A r q u i t e t u r a I n t e r n a d o P I C 1 6 F 6 2 8 A
P I N A G E M ( E n c a p s u l a m e n t o s P D I P e S O I C )
1 R A 2 / A N 2 / V (^) R E F E n t r a d a / S a í d a P O R T A b i t 2 / E n t r a d a d o c o m p a r a d o r a n a l ó g i c o / S a í d a d a t e n s ã o d e r e f e r ê n c i a 2 R A 3 / A N 3 / C M P 1 E n t r a d a / S a í d a P O R T A b i t 3 / E n t r a d a d o c o m p a r a d o r a n a l ó g i c o / S a í d a c o m p a r a d o r 1. 3 R A 4 / T 0 C K I / C P 2 E n t r a d a / S a í d a P O R T A b i t 4 / E n t r a d a d e c l o c k e x t e r n o d o t i m e r 0 / S a í d a c o m p a r a d o r 2. * E s s e p i n o p o s s u i s a í d a c o m d r e n o a b e r t o * 4 R A 5 / M C L R / V P P E n t r a d a P O R T A b i t 5 / R e s e t C P U / T e n s ã o d e p r o g r a m a ç ã o 5 V S S A l i m e n t a ç ã o T e r r a 6 R B 0 / I N T E n t r a d a / S a í d a P O R T B b i t 0 / E n t r a d a d e i n t e r r u p ç ã o e x t e r n a 7 R B 1 / R X / D T E n t r a d a / S a í d a P O R T B b i t 1 / R e c e p ç ã o U S A R T ( m o d o a s s í n c r o n o ) / D a d o s ( m o d o s í n c r o n o ) 8 R B 2 / T X / C K E n t r a d a / S a í d a P O R T B b i t 2 / T r a n s m i s s ã o U S A R T ( m o d o a s s í n c r o n o ) / C l o c k ( m o d o s í n c r o n o ) 9 R B 3 / C C P 1 E n t r a d a / S a í d a P O R T B b i t 3 / E n t r a d a o u s a í d a d o m ó d u l o C C P 1 0 R B 4 / P G M E n t r a d a / S a í d a P O R T B b i t 4 / E n t r a d a d e p r o g r a m a ç ã o **L V P *** 1 1 R B 5 E n t r a d a / S a í d a P O R T B b i t 5 1 2 R B 6 / T 1 O S O / T 1 C K I / P G C E n t r a d a / S a í d a P O R T B b i t 6 / E n t r a d a d o o s c i l a d o r d o
