Microprocessadores e Microcontroladores - Parte 1

MICROPROCESSADORES E MICROCONTROLADORES PARTE 1 Prof DSc Juliano Melquiades Vianello jmvianelloyahoocombr Sobre o Professor Juliano Doutor em Engenharia de Produção na área de Finanças pela PUCRio 2013 Mestrado em Engenharia Elétrica pela PUCRio 2007 Graduado em Engenharia de Telecomunicações pelo Instituto Militar de Engenharia IME 2003 Atualmente é Analista Técnico da Superintendência de Seguros Privados SUSEP professor do Curso DSc curso PVC Santa Úrsula além do mestrado e engenharia da Universidade Santa Úrsula Trabalhou como engenheiro do Exército 20032008 Trabalhou como engenheiro da PETROBRAS na área de Gestão de Risco 20082012 com trabalhos realizados no escritório de Londres da mesma empresa 2012 Foi professor da FGVCapital Humano IBMEC e da Universidade Gama Filho Apresenta artigos nacionais e internacionais publicados e apresentações em Congressos Apresenta certificações de cursos realizados em Londres 2010 Nova Iorque 2009 Paris 2014 Montreal 2015 e Toronto 2016 Apresenta Certificação em Supervisão e Regulação Financeira pelo Toronto Centre Finisher do Iron Man 703 Brasil 2011 e Havaí 2013 O que eles têm em comum There are 10 types of people in the world Those who know binary and those who dont Three logicians walk into a bar The bartender asks Do all of you want a drink The first logician says I dont know The second logician says I dont know The third logician says Yes Why do engineers confuse Halloween and Christmas Because Oct 31 Dec 25 The programmers wife tells him Run to the store and pick up a loaf of bread If they have eggs get a dozen The programmer comes home with 12 loaves of bread A logicians wife is having a baby The doctor immediately hands the newborn to the dad His wife asks impatiently So is it a boy or a girl The logician replies yes A programmers wife sends him to the store and says get some bread and while youre there pick up some eggs The programmer never returns Microprocessa dores Microcontrolad ores Linha do Tempo Ábaco 4000 ac Octograma chinês 4000 ac Logaritmo John Napier Tabela de Logaritmo 1614 Calculadora de 4 funções de Leibniz 1671 Computadores Z1 Z2 e Z3 1936 Máquina de diferenças e Analítica Babbage 1822 Pascaline Calculadora de Blaise Pascal 1642 Tear automático com cartão perfurado 1801 Computador Colosso Válvulas Alan Turing 1943 Máquina de Von Newman Programa armazenado 1946 IBM 7090 Transistores Fortran Cobol Pascal 1960 Linha do Tempo 4004 4 bits 1971 8008 8 bits 1972 8080 8 bits 1974 8086 16 bits 1978 8051 8 bits 1980 Atmel AVR 8 bits 1996 Pentium 200MMX 64 bits 1997 Raspberry pi ARM 32 bits 2011 8085 8 bits 1976 8088 16 bits 1979 PIC 8 bits 1985 Arduíno Atmel AVR 8 bits 2005 ARM 32 bits 1983 Evolução dos Processadores Primeira Geração 1979 8088 Segunda Geração 1982 80286 Terceira Geração 1985 386 Quarta Geração 1991 486 Quinta Geração 1993 Pentium K5 K6 6x86 MII Sexta Geração 1995 Pentium Pro Pentium II Pentium III Celeron K62 K63 Sétima Geração 1999 Athlon Duron Pentium 4 Celeron Oitava Geração 2003 Itanium Opteron Athlon 64 Athlon 64FX Evolução dos Processadores Intel Pentium Pentium MMX Pentium Pro Pentium II Pentium III Celeron Cooper mine Pentium 4 Celeron Northwood Pentium D Celeron D Core 2 Duo Pentium E Celeron Core 2 Quad Atom Core i7 Core i5 Core i3 AMD K5 K6 K62 K63 Athlon K7 Athlon Thunderbird Duron Spitfire Athlon XP Duron Morgan Sempron 32 bits Athlon 64 Athlon FX Sempron Athlon X2 Phenom Athlon X2 7xxx Phenom II X4 X3 e X2 Athlon II X2 X4 Evolução do microprocessadores Quantidade de Transistores 8085 1976 3600 transistores 5 MHz 370000 instruçõessegundo 8 bits Dual Core 2007 820 milhões de transistores 53000 milhões de instruçõessegundo 64 bits Tecnologia 45 nm 333 GHz Quantidade de Transistores e Memória Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 1 nibble Menor valor positivo 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 Maior valor positivo 1 1 1 1 15 Capacidade 24 16 nibbles Decimal 0 1 2 3 F Hexa Número de bits dos Registradores Número de bits dos Registradores Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 1 byte Menor valor positivo 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 Maior valor positivo 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 255 Decimal Capacidade 28 256 bytes 00 01 02 03 FF Hexa 1 byte 8 bits Intervalo dos valores positivos e negativos notação com sinal 0 a 127 00h a 7Fh 1 a 128 FFh a 80h Número de bits dos Registradores Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 11 Bit 10 Bit 9 Bit 8 Bit 15 Bit 14 Bit 13 Bit 12 1 word 16 bits Intervalo dos valores positivos 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 Capacidade 216 65536 words Intervalo dos valores positivos 0 a 65535 0000h a FFFFh Intervalo dos valores positivos e negativos notação com sinal 0 a 32767 0000h a 7FFFh 1 a 32768 FFFFh a 8000h Número de bits dos Registradores Número de bits dos Registradores double word 32 bits Intervalo dos valores positivos 0 a 4294967295 0000 0000h a FFFF FFFFh Capacidade 232 4294967296 doublewords Intervalos considerando números com sinal Intervalo positivo 0 a 2147483647 0000 0000 a 7FFF FFFFh Intervalo negativo 1 a 2147483648 FFFF FFFF a 8000 0000h Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Bit 15 Bit 14 Bit 13 Bit 12 Bit 11 Bit 10 Bit 9 Bit 8 Bit 23 Bit22 Bit 21 Bit20 Bit 19 Bit18 Bit17 Bit 16 Bit 31 Bit 30 Bit 29 Bit 28 Bit 27 Bit 26 Bit 25 Bit 24 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Quantidade de Transistores 2 transistores por bit Quanto maior o número de transistores maior a quantidade possível de registradores Aumento no desempenho Frequência de Clock Ano Processador Frequência de Clock Tecnologia tamanho transistor 1971 4004 108 kHz 10 µm 1972 8008 200 kHz 1976 8085 5 MHz 1978 8086 5 a 10 MHz 1979 8088 5 a 10 MHz 1989 80486 25 a 50 MHz 1997 Pentium II 450 MHz 025 µm 1999 Pentium III 500 MHz até 12 GHz 025 µm 2004 Pentium 4 Prescott 4 GHz 90 nm 2007 Core 2 333 GHz 45 nm 2010 Core i5 333 GHz 32 nm Aumento do desempenho Índice de Desempenho de um Microprocessador velocidade de processamento 1 Aumento da frequência de clock 2 Aumento do número interno de bits 3 Aumento do número externo de bits 4 Aumento da capacidade e velocidade da memória cache 5 Redução do número de ciclos para execução de cada instrução 6 Execução de instruções em paralelo 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜𝑑𝑒𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑟𝑢çã𝑜 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑟𝑢çõ𝑒𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑔𝑟𝑎𝑚𝑎 Aumento de Clock O sinal de clock é responsável pelo sincronismo entre as unidades de processamento internas ao microprocessador e pelas unidades externas Quanto maior a frequência de clock mais rápido o processamento No entanto não se pode aumentar de forma indefinida essa frequência Isso pode causar falhas de processamento e sobreaquecimento O aumento depende de pesquisas com o objetivo de reduzir o tamanho dos componentes básicos do microprocessador e aumento da quantidade de componentes sem perda de estabilidade no funcionamento Aumento do número interno de bits Uma maior quantidade de bits dos registradores e dos barramentos internos permite a movimentação de uma maior quantidade de dados por unidade de tempo aumentando o desempenho do microprocessador Aumento do número externo de bits Um número maior de bits externos permite a movimentação de uma maior quantidade de dados por unidade de tempo com os periféricos tais como memória unidade de entrada e saída controlador de acesso direto à memória DMA Redução do número de ciclos para executar cada instrução A execução de uma instrução normalmente é feita em duas etapas busca onde a instrução é transferida da memória para a unidade de decodificação e execução onde os sinais de controle ativam em uma sequência lógica todas as unidades envolvidas na execução No microprocessador 8085 as instruções mais rápidas são executadas em quatro ciclos de clock as mais lentas em até 16 ciclos de clock A redução do número de ciclos de clock na execução de uma instrução torna o processamento mais rápido Aumento da capacidade e velocidade da memória cache Como já foi dito anteriormente ao longo dos anos o aumento de velocidade de processamento dos microprocessadores tem sido muito maior do que o aumento da velocidade de acesso à memória principal Assim a velocidade de acesso à memória principal tornase um limitador de desempenho dos processadores Em razão desse problema foi criada a memória cache A memória cache constituída de memória RAM estática é usada para acelerar a transferência de dados entre a CPU e a memória principal constituída de RAM dinâmica de menor volume porém mais lenta O aumento da capacidade e da velocidade da memória cache resulta no aumento da velocidade de transferência de dados entre a CPU e a memória principal e consequentemente resulta no aumento do desempenho global do sistema Execução de instruções em paralelo O microprocessador 8085 compartilha um barramento comum entre suas unidades internas e seus periféricos o que significa dizer que não permite a execução simultânea de duas operações que utilizem o barramento Assim apenas uma instrução é executa por vez Uma arquitetura que permita que duas ou mais operações sejam executadas simultaneamente torna o processamento mais rápido Microprocessador Microcontrolador Unidade Lógica e Aritmética ULA Unidade de Temporização e Controle Registro de Instruções e Decodificador de Instruções Registradores Microprocessador Memória de Programa Memória de Dados Unidade de Entrada e Saída Microcontrolador Unidade Lógica e Aritmética ULA Unidade de Temporização e Controle Registro de Instruções e Decodificador de Instruções Registradores Microprocessador Memória de Programa Memória de Dados Unidade de Entrada e Saída Microcontrolador Registradores São usados para o armazenamentos internos da CPU Existem diversos registradores na CPU e o principal deles é chamado de Acumulador Os registradores são construídos com flipflops que podem reter armazenar dados O acumulador contém um dos dados usados na operação que se deseja e ainda o resultado da operação que substitui o dado original Unidade Lógica e Aritmética ULA ou ALU realiza funções básicas de processamento de dados adição subtração funções lógicas etc Unidade Lógica e Aritmética ULA Unidade de Temporização e Controle Registro de Instruções e Decodificador de Instruções Registradores Microprocessador Memória de Programa Memória de Dados Unidade de Entrada e Saída Microcontrolador Unidade de Decodificação Registrador de Instruções e Decodificador de Instruções Responsável pela identificação da instrução a ser executada a partir do código de operação opcode Unidade de Temporização e Controle Responsável pela geração dos sinais de controle para todas as unidades a partir da informação da Unidade de Decodificação Os sinais de controle são sincronizados de acordo com o sinal de clock Unidade Lógica e Aritmética ULA Unidade de Temporização e Controle Registro de Instruções e Decodificador de Instruções Registradores Microprocessador Memória de Programa Memória de Dados Unidade de Entrada e Saída Microcontrolador Memória de Programa ROM ReadOnly Memory Memória que permite apenas a leitura ou seja as suas informações são gravadas pelo fabricante uma única vez e após isso não podem ser alteradas ou apagadas somente acessadas EPROM Erasable Programmable ReadOnly Memory Podem ser apagadas pelo uso de radiação ultravioleta permitindo sua reutilização Exemplo para o caso do 8051 Microcontrolador 8751 EEPROM Permite apagar eletricamente e gravar várias vezes FLASH Equivalente à memória EEPROM Porém ocupa menos espaço menor consumo de energia alta durabilidade Unidade Lógica e Aritmética ULA Unidade de Temporização e Controle Registro de Instruções e Decodificador de Instruções Registradores Microprocessador Memória de Programa Memória de Dados Unidade de Entrada e Saída Microcontrolador PROM Programmable ReadOnly Memory Podem ser escritas com dispositivos especiais mas não podem mais ser apagadas Memória de Dados Memória RAM Permite a leitura e a gravação de dados Memória Dinâmica DRAM Baixa densidade mas lenta Capacitores com circuitos com atualização de dados refresh Memória estática SRAM Alta densidade Rápida Baseada em Flipflops Memória CACHE Pequena quantidade de memória RAM estática SRAM usada para acelerar o acesso à memória principal RAM dinâmica Quando há necessidade de transferir dados da para memória dinâmica estes são antes transferidos para a memória cache Unidade Lógica e Aritmética ULA Unidade de Temporização e Controle Registro de Instruções e Decodificador de Instruções Registradores Microprocessador Memória de Programa Memória de Dados Unidade de Entrada e Saída Microcontrolador Unidade de Entrada e Saída IO A entrada de dados de um microprocessador via teclado mouse ou outros dispositivos e a saída de dados via vídeo impressora ou outros exige circuito integrado adicional como interface O microcontrolador já possui essa unidade internamente Exemplos de periféricos usados como unidade de entrada e saída CI 8156 RAM e porta de entrada e saída CI 8355 ROM e portas de entrada e saída Unidade Lógica e Aritmética ULA Unidade de Temporização e Controle Registro de Instruções e Decodificador de Instruções Registradores Microprocessador Memória de Programa Memória de Dados Unidade de Entrada e Saída Microcontrolador Ferramentas do Curso 1 Programas aplicados ao microcontrolador 8051 Edição e Compilação MCU 8051 IDE Simulação MCU 8051 IDE e Proteus 3 Simulador do PIC MPLAB X IDE