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Microcontroladores: Noções Gerais e Características, Resumos de Programação em C++

As noções básicas sobre microcontroladores, incluindo sua definição, classificação, recursos e outras características de hardware. Além disso, discute diferentes tipos de memória de programa, interfaces serial e conversores a/d e d/a. O texto também aborda arquiteturas cisc, risc e harvard, e compara as arquiteturas harvard e von neumann.

Tipologia: Resumos

2017

Compartilhado em 23/06/2022

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N P A C - CEP/ETB
Núcleo de Pesquisa e Apoio Científico
CENTRO DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL - ESCOLA TÉCNICA DE BRASÍLIA
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C U R S O D E E L E T R Ô N I C A
Microcontroladores noções gerais
Definição - Um microcontrolador pode ser definido como um single-chip computer (computador em
um único chip), microcomputer, ou ainda como embedded controller. O termo MCU (Micro Controller
Unit) também é bastante utilizado para se designar esse dispositivo. No mesmo chip está integrada
uma CPU, também chamada de core (núcleo), e circuitos auxiliares (periféricos) como memória de
programa, memória de dados, circuito de clock, interface de comunicação serial,
temporizadores/contadores, portas de I/O, etc. Esses diferentes recursos embutidos em um
microcontrolador variam em função do modelo e do fabricante. É uma tarefa do desenvolvedor
especificar o microcontrolador mais adequado para cada aplicação.
Classificação
Quanto ao número de bits de dados - Um importante critério para a classificação dos
microcontroladores é o número de bits de dados. O segmento mais popular é o de 8 bits, sendo que
existem ainda os modelos de 4, 16 e 32 bits.
Quanto ao armazenamento do programa - Outra forma de se classificar os microcontroladores é em
função do método de armazenamento do programa (código). São exemplos:
ROMless - Requerem uma memória externa para o armazenamento do programa.
OTP - One-Time Programable permite a programação uma única vez. São viáveis para produção em
baixa escala, na qual não se justifica arcar com o custo de uma máscara.
Masked - Contêm uma ROM que é programada pelo fabricante, com o código fornecido pelo usuário.
São mais baratos que os equivalentes OTP ou flash, mas justificáveis apenas se comprados em grandes
quantidades (a partir de milhares).
Flash - Possui memória de programa interna do tipo Flash (gravável e apagável eletricamente). Podem
ser reprogramados. Isso faz com que o código possa ser mudado várias vezes.
EPROM - Possuem memória de programa interna do tipo EPROM (UV-EPROM). O programa pode
ser gravado e depois apagado expondo-se a janela do dispositivo à luz ultravioleta. Após o apagamento
um novo programa pode ser gravado.
EEPROM - Possuem memória de programa interna do tipo EEPROM (Eletrically Erasable
Programmable Read Only Memory). Assim como os modelos com memória Flash, podem ser
reprogramados.
Recursos e outras características de hardware
Faixa de alimentação - A maioria dos modelos utiliza o padrão de alimentação TTL de 5,0V, mas
há modelos que utilizam tensões mais baixas como, por exemplo, 3,3V.
Clock - O método mais comum de se fornecer o clock a um microcontrolador é conectando-se um
cristal e capacitores externos, nos pinos referentes ao oscilador interno. Também existe a possibilidade
de gerar o clock externamente e entregá-lo ao dispositivo. As frequências de clock típicas vão de 4 a
16MHz.
Reset - Quando um microcontrolador é ligado, procedimento chamado de power-on, a
necessidade de resetá-lo. Geralmente, uma malha RC externa conectada ao pino reset é utilizada para
executar esta tarefa automaticamente. Existem modelos que dispensam estes componentes externos.
Ports de I/O (In/Out) - Geralmente esses pinos podem ser configurados como entrada ou saída
digital, permitindo o interfaceamento com o mundo externo. O acesso às linhas pode ser feito de uma
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C U R S O D E E L E T R Ô N I C A

Microcontroladores – noções gerais Definição - Um microcontrolador pode ser definido como um single-chip computer (computador em um único chip), microcomputer, ou ainda como embedded controller. O termo MCU (Micro Controller Unit) também é bastante utilizado para se designar esse dispositivo. No mesmo chip está integrada uma CPU, também chamada de core (núcleo), e circuitos auxiliares (periféricos) como memória de programa, memória de dados, circuito de clock, interface de comunicação serial, temporizadores/contadores, portas de I/O, etc. Esses diferentes recursos embutidos em um microcontrolador variam em função do modelo e do fabricante. É uma tarefa do desenvolvedor especificar o microcontrolador mais adequado para cada aplicação. Classificação Quanto ao número de bits de dados - Um importante critério para a classificação dos microcontroladores é o número de bits de dados. O segmento mais popular é o de 8 bits, sendo que existem ainda os modelos de 4, 16 e 32 bits. Quanto ao armazenamento do programa - Outra forma de se classificar os microcontroladores é em função do método de armazenamento do programa (código). São exemplos: ROMless - Requerem uma memória externa para o armazenamento do programa. OTP - One-Time Programable – permite a programação uma única vez. São viáveis para produção em baixa escala, na qual não se justifica arcar com o custo de uma máscara. Masked - Contêm uma ROM que é programada pelo fabricante, com o código fornecido pelo usuário. São mais baratos que os equivalentes OTP ou flash, mas justificáveis apenas se comprados em grandes quantidades (a partir de milhares). Flash - Possui memória de programa interna do tipo Flash (gravável e apagável eletricamente). Podem ser reprogramados. Isso faz com que o código possa ser mudado várias vezes. EPROM - Possuem memória de programa interna do tipo EPROM (UV-EPROM). O programa pode ser gravado e depois apagado expondo-se a janela do dispositivo à luz ultravioleta. Após o apagamento um novo programa pode ser gravado. EEPROM - Possuem memória de programa interna do tipo EEPROM (Eletrically Erasable Programmable Read Only Memory). Assim como os modelos com memória Flash, podem ser reprogramados. Recursos e outras características de hardware

  • Faixa de alimentação - A maioria dos modelos utiliza o padrão de alimentação TTL de 5,0V, mas há modelos que utilizam tensões mais baixas como, por exemplo, 3,3V.
  • Clock - O método mais comum de se fornecer o clock a um microcontrolador é conectando-se um cristal e capacitores externos, nos pinos referentes ao oscilador interno. Também existe a possibilidade de gerar o clock externamente e entregá-lo ao dispositivo. As frequências de clock típicas vão de 4 a 16MHz.
  • Reset - Quando um microcontrolador é ligado, procedimento chamado de power-on, há a necessidade de resetá-lo. Geralmente, uma malha RC externa conectada ao pino reset é utilizada para executar esta tarefa automaticamente. Existem modelos que dispensam estes componentes externos.
  • Ports de I/O (In/Out) - Geralmente esses pinos podem ser configurados como entrada ou saída digital, permitindo o interfaceamento com o mundo externo. O acesso às linhas pode ser feito de uma

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só vez (endereçando o byte), ou individualmente (bit-endereçável), caso o microcontrolador forneça este benefício. É comum que essas linhas de I/O possuam funções especiais, relacionadas aos "periféricos Microcontroladores – noções gerais 2/3 on-chip" (serial, conversor A/D e etc.). Confere ao usuário determinar se elas serão usadas por esses periféricos ou como porta digital de I/O padrão. Algumas linhas podem ainda ter maior capacidade de corrente do que outras (para driver LEDs, por exemplo, em que é necessária capacidade de 20mA).

  • Brownout detector - Brownout é "redução ou falta de energia". Tem função de proteger o dispositivo, evitando que falhas na alimentação execute operações indevidas ou à degradação de dados. Isso é feito mantendo-se o micro resetado, enquanto a tensão não retorne a valores aceitáveis.
  • Watchdog timer - Garante o funcionamento do microcontrolador, resetando-o caso ele trave. Quando ocorre um overflow do watchdog timer, o micro é resetado. Para prevenir um overflow, o watchdog timer deve ser limpo antes que isso ocorra, o que é feito através de instruções de programa.
  • Interrupções - Quando gerada uma interrupção (externa ou interna), o interrupt handler (gerenciador de interrupção) responsabiliza-se por fazer a CPU executar a subrotina de interrupção e retornar ao programa principal. Alguns conceitos relativos às interrupções são descritos a seguir: Estrutura nesting A maioria dos micros possui estrutura de interrupção nesting, isto é, uma interrupção de prioridade maior pode interromper outra de prioridade menor que esteja sendo atendida. Mascaramento é a possibilidade de se impedir, geralmente por software, que uma certa interrupção seja atendida. Existem também as interrupções não mascaráveis, que não podem ser desabilitadas por software. Tipo de ativação das interrupções Em geral, o microcontrolador pode reconhecer o sinal lógico de interrupção de duas maneiras distintas: - pelo nível (alto ou baixo); ou - pela borda (subida ou descida);
  • Timers/Counters (temporizadores/contadores) - Em sistemas microcontrolados em geral, os timers/counters são utilizados para gerar pedidos de interrupção periódicos e precisos, medir larguras de pulsos externos, contagem de tempo, entre outras funções tais como determinação da velocidade de transmissão de dados (Baud Rate) dentre outras.
  • Interface serial - Um microcontrolador pode oferecer comunicação serial baseada em diferentes protocolos. Os tipos de interfaces são: UART/Enhanced UART - UART é a sigla para Universal Asynchronous Receiver/Transmiter, e é o tipo de interface serial mais utilizada, baseada no padrão RS-232. Algumas dessas UARTS, para gerar o baud rate (ou neste caso taxa de bits por segundo - BPS), necessitam de um timer do microcontrolador, enquanto outras possuem um gerador de baud rate exclusivo, que utiliza o clock. Os baud rates mais comuns são de 300, 1200, 2400, 4800 e 9600 bps. A Enhanced UART, ou "UART avançada", tem todas as características da UART, além de funcionalidades como detecção de erro e reconhecimento automático de endereço. SPI - O padrão SPI (Serial Peripheral Interface) é dedicado à comunicação com periféricos ou, mais precisamente, entre dois circuitos integrados. Trata-se de um padrão bastante utilizado nos equipamentos com tecnologia moderna, já que atualmente muitos chips como conversores A/D, memórias EEPROM ou Real Time Clock (RTC), ou seja, relógio de tempo real exigem este tipo de comunicação para melhorar a sua precisão. I 2C - O chamado Inter-Integrated Circuit (I2C), trata-se de um padrão instituído pela Philips, dedicado também à comunicação entre chips. CAN bus - O padrão CAN bus (Control Area Network) funciona muito bem em ambientes ruidosos e insalubres, como em indústrias ou equipamentos pesados. É ideal para aplicações que requerem uma comunicação confiável.

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A Figura 1 mostra uma comparação sucinta entre as Arquiteturas Harvard e Von Neumann Figura 1 - Arquiteturas Harvard e Von Neumann. Fonte: http://santhosh84.blogspot.com.br/ Ferramentas para desenvolvimento a. Emulador - É o equipamento ideal para o desenvolvimento de projetos. Ele é "soquetado" no lugar do microcontrolador, podendo monitorar todos os parâmetros internos. Utiliza como interface o PC. b. Simulador - Simula o microcontrolador no PC. É indicado no processo de depuração do programa, permitindo que se busquem erros de algoritmo e de lógica, por exemplo. Não faz interface com os dispositivos externos. c. Assemblador - É o programa que transforma os códigos assembly em linguagem de máquina. Geralmente os fabricantes dos chips os fornecem gratuitamente para seus dispositivos. d. Compilador C - A maioria dos microcontroladores possuem compiladores C disponíveis. Isso permite o desenvolver aplicações de forma ágil se comparada à programação em assembly. Os códigos gerados pelos compiladores mais modernos são eficientes em termos de velocidade. e. IDE (Integrated Development Environment) - É um Ambiente de Desenvolvimento Integrado é um programa de computador que reúne características e ferramentas de apoio ao desenvolvimento de software com o objetivo de agilizar este processo. Em outras palavras, é um espaço onde você tem tudo que precisa para programar sua placa baseada nessa plataforma escrevendo seus códigos de maneira satisfatória, rápida e eficiente. EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO:

  1. Descreva sucintamente e tecnicamente o que é um microcontrolador;
  2. Qual a diferença entre a arquitetura Harvard e a arquitetura Von Neumann;
  3. Faça uma pesquisa na Internet e compare as características do microcontrolador AT328P e a Placa de Desenvolvimento Arduino (PDA);
  4. Faça uma pesquisa na Internet que mostre a equivalência entre os pinos do microcontrolador AT328P e a Placa de Desenvolvimento Arduino (PDA).
  5. Cite três características da Modulação por Largura de Pulso (PWM) Material retirado da Internet: http://utfpr.edu.br/gustavobborba/material/files https://athoselectronics.com/como-instalar-ide-do-arduino https://arduino.softonic.com.br www.arduino.cc › Main › Software