Microprocessador, Notas de estudo de Cultura

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APOSTILA MICROPROCESSADORES

TECNOLOGIA ELÉTRICA - EEUM

PRIMEIRO SEMESTRE 2007

PROF. IVAIR REIS N. ABREU

02/08/

PLANEJAMENTO DIDÁTICO PEDAGÓGICO DA DISCIPLINA

MICROPROCESSADORES

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA ELÉTRICA - EEUM

UNIDADE: EEUM

DISCIPLINA: Microprocessadores PROFESSOR: Ivair Reis Neves Abreu Departamento: Eletrônica ETAPA: 4 CARGA HORÁRIA: 4 aulas teóricas

Introdução : a proposta deste planejamento pedagógico baseia-se no processo

de Qualidade Total (TQM) tendo como base o principio PDCA ou seja, PLAN, DO,

CHECK e ACT. O planejamento é o próprio documento proposto, com objetivos,

pré-requisitos, plano de aulas, avaliação e bibliografia deixando bem claro a proposta do curso de forma a ajustar as expectativas necessárias. A ênfase no

ciclo e não apenas no processo de avaliação (comum em cursos pedagógicos)

leva a entender que o objetivo é o processo de capacitação do aluno dentro do

objetivo proposta através de um plano de aulas gradual, acompanhada de

verificações contínuas e principalmente processo de ação corretiva.

Internet -> no site www.ivair.com.br, ler texto de Sistema PDCA e acessar links de

Sistemas da Qualidade.

x------------------------------------------------------------------x Pré-Requisito -> 13 semanas -> Objetivo Final

PRÉ-REQUISITOS: Eletrônica Digital (Combinacional e Sequencial) e Programação Estruturada (Linguagem C).

OBJETIVO: ampliar a capacidade de projeto (HD) de sistemas

programáveis e programação (SW) Assembly. Estudo dos periféricos LCD e

conversor A/D.

EMENTA :

• Revisão de Conceitos de Microprocessadores
• Arquitetura do Microcontrolador 8051:
• Linguagem Assembler com as instruções do 8051:
• Projetos de Sistemas Práticos com Microcontroladores:
• Interfaces de controle: display LCD e conversor A/D

• Rotinas de acesso

Conversos A/D

• Princípios do conversor A/D e D/A
• Sistema Mínimo
• Rotinas de Acesso

Projetos integrados de CLP com LCD e A/D.

BIBLIOGRAFIA

• APLICAÇÕES PRÁTICAS DO MICRONTROLADOR 8051. Vidal Pereira da Silva Jr. - Érica
• MICROCONTROLADORES 8051. Salvador P. Gimenez. Prentice Hall
• THE 8051 FAMILY OF MICROCONTROLLERS. Richard H. Barnett. Prentice Hall.
• THE 8051 MICROCONTROLLER. I. Schott Mackenzie. Prentice Hall.
• APOSTILA MICROPROCESSADORES. Ivair Reis Neves Abreu

Internet:

www.microcontroller.com www.8052.com www.vidal.com.br www.questlink.com www.microchip.com www.ti.com www.zilog.com www.asm51.eng.br

Plano de Aula: Segundo Semestre de 2006

Início: 09/02/ Término: 25/05/

Prazo entrega final das notas: 23/

Falta Prevista:

Aulas Previstas: 13 semanas

1) - Conceitos de Sistemas Programáveis

Planejamento (P):

Este capítulo capacitará o aluno nos seguintes pontos:

• Conceituar Sistema Programável
• Estrutura de um computador: unidade central de processamento, memória

semicondutora e periféricos de entrada / saída.

• Definição de microprocessadores e microcontroladores.
• Barramentos de dados, endereço e controle.
• Revisar conceitos de eletrônica digital combinacional e seqüencial.
• Revisar sistema numérico digital e hexadecimal.
• Arquitetura de memória semicondutora volátil (RAM) e não volátil (ROM).

Projetos com bancos de memória.

• Arquitetura de um microprocessador: unidade lógica aritmética, decodificador de

instruções e registradores.

• Registradores acumulador, flag, contador de programa (PC) e apontador de pilha

(SP). Conceito de pilha e sub-rotina.

• Sistema de inicialização, “reset” e “watch dog”.
• Sistema de temporização, ciclo de instrução e ciclo de máquina.
• Sistema de interrupção.
• Multiplexação de barramentos (A / D) em microprocessadores.
• Acesso Direto a Memória (DMA).
• Sincronização de memória / periféricos.
• Estudo da arquitetura do microprocessador 8085.
• Sistema Mínimo 8085.
• Interpretação de diagramas de tempo em microprocessadores.

Execução (D):

1.1) - Sistema Programável:

A grande utilização dos microprocessadores nos sistemas eletrônicos atuais vem do fato de serem programáveis , ou seja, estes sistemas são compostos por um conjunto físico ( Hardware ) constante, com repetibilidade, dentro de um processo industrial e portanto com uma ótima relação custo / benefício que realizará determinada tarefa, orientado por uma seqüência de instruções conhecidas por programa ( Software ), proporcionando grande versatilidade e poder de processamento. Observem a determinação da tarefa do sistema a partir a mudança do programa, mantendo o sistema físico inalterado.

Figura 1.2 - Arquitetura Computador mais barramentos

1.2.1) - Unidade Central de Processamento:

Bloco com capacidade de realizar tarefas (controlar sinais de controle e

temporização do sistema, bem como barramentos de dados e endereço)

orientadas por instruções. É o principal elemento de decisão do computador,

podendo ser comparado ao cérebro do computador “ser humano”.

Quando a C.P.U. está encapsulada em um único chip , temos um MICROPROCESSADOR. As aplicações típicas de microprocessadores são voltadas a multimídia, onde temos processamento de som, imagem e comunicação simultaneamente.

1.2.2) - Memória:

Bloco semicondutor com capacidade de armazenar informações.

Armazena basicamente as instruções a serem processadas (através de seus

códigos de operação), variáveis (como resultados de operações da C.P.U.) ou

dados de entrada e saída dos periféricos. O programa a ser processado deve

necessariamente estar presente na memória (por isso o tamanho cada vez maior das memórias voláteis - RAMs - dos computadores atuais, pois os programas têm

tamanhos cada vez maiores).

A memória dos computadores pode ser dividida em volátil (RAM estática /

dinâmica) e não voláteis (ROM / PROM / EPROM / E2PROM - FLASH).

Em computadores pessoais temos o conceito de BIOS (programa de inicialização de periféricos) + SISTEMA OPERACIONAL ( interface gráfica

amigável ao usuário) + APLICATIVO (programa final).

Ex: BIOS inicializa placa de vídeo, interfaces seriais e paralelas, comunicação.

Após este processo, existe a busca do sistema operacional (Windows) e

aplicativos.

Em sistemas dedicados, temos o conceito de Firmware (software dedicado)

normalmente residente em uma memória não volátil.

Ex: Firmware contido em uma impressora a laser ou um alarme residencial.

Os seres humanos, de maneira análoga, tem a memória para

armazenamento de funções permanentes (aprendizado, controle dos órgãos

internos) e armazenamento de funções temporárias (lembranças armazenadas

apenas durante uma tarefa como dirigir entre a residência e o local de trabalho).

Resumindo:

O computador pessoal (PC) possui o sistema BIOS + SISTEMA OPERACIONAL

(WINDOWS / LINUX) + APLICATIVO (WORD, EXCEL, GAMES, ETC).

Equipamentos Dedicados possuem FIRMWARE dedicado.

1.2.3) - Periféricos:

Bloco de comunicação do conjunto micro / memória com o meio exterior. Pode ser caracterizado como entrada (teclado, mouse, etc.) ou saída (monitor, impressora, plotter , etc.). É a interface de comunicação com o usuário e a parte do sistema que normalmente tem acesso.

1.3 - Definição de Microprocessador, Processador Digital de Sinais (DSP) e

Microcontrolador:

Microprocessador -> CPU encapsulada em um único circuito integrado. Pelo fato de concentrar apenas a função de controle no “chip”, as aplicações de microprocessadores são complexas voltadas para multimídia (controle de som + imagem + comunicação).

Ex:

• Microprocessador Pentium IV da Intel. A aplicação do Pentium é em computadores multimídia.
• Microprocessador 8085. Será estudado neste capítulo.

Microcontrolador -> CPU + MEMORIA + PERIFËRICOS encapsulados em um único circuito integrado. Dedicado a funções menos complexas de controle. Normalmente está “embarcado” em equipamentos dedicados. Utiliza o conceito de “firmware” para o programa dedicado.

Rastreamento de veículos www.autotrac.com.br Telefone Público

www.icatel.com.br Figura 1.3 - Sistemas utilizando microcontroladores

1.4) - Revisão dos conceitos de Eletrônica Digital

Por que os computadores modernos são digitais e não analógicos

como os seres humanos???

Analisando sob a ótica da tecnologia disponível (integração de circuitos

eletrônicos), é muito mais fácil integrar chaves eletrônicas (transistores de 2 estados) do que sistemas analógicos (amplificadores operacionais). Desta forma,

mesmo considerando uma representação binária de um maior número de

símbolos, é mais facilmente implementável um byte com 8 chaves eletrônicas do

que um amplificador operacional representando 256 níveis diferentes.

Atualmente consegue-me integrar milhões de transistores em uma pastilha,

chaves que são a base da representação numérica digital. Um processador

Pentium IV hoje é implementado com cerca de 40 milhões de chaves eletrônicas

(os primeiros processadores tinham um pouco mais de 10 mil transistores).

O transistor normalmente utilizado para implementar um sistema lógico

integrado é o Transistor de Efeito de Campo (FET) pelo fato do mesmo ter um

processo construtivo mais simples (semelhante ao capacitor) e ser possível uma

maior integração desta tecnologia quando comparado ao Transistor Bipolar.

1.5) - Revisão sistema numérico binário (B) e hexadecimal (H).

Devido a facilidade de implementação do sinal binário (através de chaves transistorizadas - saturada ou cortada), toda a informação dentro do computador (com exceção de interfaces analógica / digitais) possui a forma binária. Por isso, é fundamental o perfeito conhecimento dos diversos sistemas de numeração, bem como a conversão entre cada base.

• Decimal -> base 10.
• Binário -> base 2 -> mais fácil de chavear (através de transistores, chaves, etc.)
• Hexadecimal binário -> converte cada 4 números binários ( nibble ) em números de 0 (0000B) a F (1111B)
• Decimal binário (B.C.D.) -> converte cada 4 números binários em números de 0 (0000B) a 9 (1001B)
• Octal -> converte cada 3 números binários em números de 0 (000B) a 7 (111B).

Conversões importantes: Binário -> Decimal <- Binário -> Hexadecimal <-

Lembre-se:

1 bit -> 0 e 1 1 byte = 8 bits 1 word = 2 bytes 1 double-word = 4 bytes

Ex:1) - 1010 0110 -> binário -> hexadecimal

2. • 255 -> decimal -> binário
3. • 2A0FH -> hexadecimal -> decimal

1.6 - Revisão de Sistema Digital (Pré-requisito)

Eletrônica Digital Combinacional: sem realimentação entre saída e entrada, a

lógica dos circuitos combinacionais pode ser representado através de uma tabela

da verdade.

Portas Lógicas: AND, OR, OR-EXCLUSIVE, NOT

Decodificadores 3x8 -> procurar na Internet 74HC

Figura 1.4: Representação de um barramento em um lay-out de circuito impresso

Considerando o tipo de INFORMAÇÃO presente no barramento, o mesmo pode ser classificado em:

• Barramento de Dados ( Data Bus ): carrega a informação da instrução (através do código de operação), variável do processamento (cálculo intermediário de uma fórmula por exemplo) ou informação de um periférico de E/S (dado digitado em um teclado). O tamanho da via de dados determina respectivamente o máximo número de instruções (e portanto o potencial de processamento) e a precisão do processamento aritmético (através do cálculo de ponto flutuante) ou o número de símbolos possíveis a ser representado (por exemplo, pontos de uma foto).

Ex:

1. • O processador 8085 possui 8 bits no barramento -> máximo de 256 instruções e variáveis numéricas entre -127 a +127 (ou 0 a 255).
2. • O processador Pentium IV possui 32 bits no barramento -> variáveis numéricas entre - 2147483648 e + 2147483648.

O tamanho do barramento de dados está ligado a capacidade de processamento do sistema. Se o processamento é simples (como o controle booleano de um CLP) 8 bits são suficientes. Por outro lado, se há a necessidade de um processamento complexo (como os sistema de multimídia onde há a necessidade de processarmos milhões de pontos de imagem) processamento de até 128 bits já estão disponíveis. Obviamente existe a necessidade de aumentar igualmente a velocidade do sistema pois a “paciência” do usuário é a mesma ao ligar uma lâmpada ou processar uma imagem fotográfica.

• Barramento de Endereço ( Address Bus ) : carrega a informação binária da localização de um dado de memória ou E/S. A capacidade de acesso é determinada pela expressão 2n. O tamanho do barramento de endereço acompanhou a evolução do poder de processamento do microprocessadores já que foi necessário cada vez mais memória para armazenar uma quantidade cada vez maior de dados.

Exemplo:

• 8085 -> 16 bits na via de endereço -> 216 = 65512 kbytes
• 8088 -> 20 bits na via de endereço -> 1 Mbyte
• Barramento de controle ( Control Bus ): leva todas os outros sinais que não são dado ou endereçamento.

Exemplo: sinais de alimentação (Vcc e GND), sinais de temporização (clock), sinais de inicialização (reset)

1.7 - Arquitetura de memória semicondutora

Memória Semicondutora:

• Não Volátil -> ROM ( Read Only Memory ) -> ROM (o fabricante grava uma única vez), PROM (o usuário grava uma única vez), EPROM (o usuário grava milhares de vezes após um processo de apagamento por luz ultravioleta), EEPROM (o usuário grava milhões de vezes eletricamente) e FLASH (EEPROM rápida com número menor de gravações).

Figura 1.5 - Arquitetura da memória 27C

2. • Banco com 32 K de Eprom com 27C64 e 32 K de RAM com 6264. Fazer mapa de memória.

Verificação:

Exercícios

1. • Procurar na Internet as características dos CIs: 27C64, 6264, 74HC138, 74HC

2)– Verificar os seguintes dados do seu computador pessoal (painel de controle ou programa Sandra) :

• Tipo de Processador
• Velocidade de Processamento
• Periféricos disponíveis.
• Levantar o mapa de endereço da memória interna do computador (Ram, Bios, memória de vídeo, etc). Quantos bits de endereço estão disponíveis? Qual a capacidade máxima de memória para este número de bits.

3. • Projetar bancos de memória com a seguinte característica:

• 32 K memória Eprom (27C256) e 32 K memória RAM (62256).
• 2 Mbytes memória Eprom (27C4000) e 2 Mbytes memória RAM (624000)

Ação

• Para dúvidas em Eletrônica Digital Combinacional e Sequencial estudar a bibliografia da disciplina Eletrônica Digital (Sugestão: Eletrônica Digital - Vol 1 e 2
• Malvino ou Microcomputadores e Microprocessadores - Malvino)
• Rever o conceito de memória e projeto de banco de memórias.
• Procurar o professor ou monitor para tirar dúvidas

1.8) - Arquitetura de Microprocessador:

Figura 1.5 - Arquitetura típica de um Microprocessador

- Decodificador de Instruções:

Bloco lógico combinacional responsável por receber o código de operação das diversas instruções e a partir deste gerar sinais de controle externos e/ou internos, bem como sinais de temporização, com o objetivo de executar a instrução. É implementado através de lógica combinacional (tabela da verdade), onde as variáveis de entrada são o código de operação do microprocessador e as variáveis de saída os diversos sinais de controle e temporização internos/externos.

- Unidade Lógica Aritmética (ULA):

Unidade responsável pela realização de operações lógico/aritméticas no microprocessador. As operações aritméticas são todas baseadas na soma (implementada através de lógica 'OU EXCLUSIVO'). Toda lógica de decisão dos programas é baseada em operações lógica/aritméticas.

• AC -> flag auxiliar carry. Em 1 indica "vai um" entre primeiro e segundo nibble do resultado.
• C -> flag carry principal. Em 1 indica "estouro" (" overflow ") do acumulador.

Ex: BBH + FAH

1 0 1 1 1 0 1 1 FLAG: S Z - AC - P - C

1 1 1 1 1 0 1 0

Verificação

Exercícios

1. – Qual o conteúdo do Acumular e Flag da seguinte rotina? Haverá salto no programa?

MOV A,CAH ;CARREGA ACUMULADOR COM O NÚMERO CA ADD A,9DH ;SOMA A + 9D JZ SALTO ;SALTA SE Z = 1

2. – Pesquisar as principais características dos barramentos ISA e PCI do

computador PC.

3. – Pesquisar as principais características do barramento serial I2C (site da

Philips ou Microchip).

4. – Pesquisar as principais características do co-processador aritmético do

processador Pentium II.

5. • Qual o conteúdo do Acumular e Flag da seguinte rotina? Haverá salto no programa?

MOV A,7AH MOV B,53H ADD A,B JNC SALTO

• Contador de Programa (PC): registrador armazenador do endereço da próxima instrução. Determina o fluxo do programa. Quando o programador altera o valor do PC, necessariamente desvia o programa (através de saltos sem retorno ou chamada de subrotinas).

Exemplo:

• Instrução: JMP 2000H -> carrega o PC com o endereço 2000H. O conteúdo anterior do PC é destruído (por isso o programa não consegue voltar).
• Instrução: CALL 2000H -> carrega o PC com o endereço 2000H. Neste caso, o conteúdo anterior do PC (PCH->SP-1 e PCL->SP-2) é salva em uma região de memória (interna ou externa ao microprocessador) conhecida por PILHA. Ao ser executada a instrução RET, o programa retorna ao ponto em que foi chamado. A rotina acessada pela instrução CALL é conhecida por subrotina. O conteúdo do registrador SP é decrementado de dois para possibilitar o salvamento de outros parâmetros na pilha (ou a chamada de outras subrotinas dentro de subrotinas)
  • Apontador de Pilha (SP): registrador armazenador do endereço na área de pilha do sistema. Será nesta área que serão armazenados endereços de retorno das sub-rotinas, bem como parâmetros dos diversos registradores.

1.9) - Conceitos Complementares de um Microprocessador:

1.9.1) - Temporização das Instruções - Ciclo de Instrução:

As atividades de um processador central são cíclicas. O processador busca a instrução na memória, executa a tarefa ligada ao código lido, busca a próxima instrução e assim por diante. A temporização de um computador depende basicamente do sinal de clock que sincroniza todas as operações do sistema. O clock é gerado a partir de um oscilador com freqüência determinada normalmente por um cristal. Este cristal pode estar interno ao microprocessador ou ser implementado através de um C.I. dedicado a isto.

A figura abaixo mostra um exemplo de clock gerado através de cristal, LC e RC :