Microcontroladores: Conceitos e Arquitetura

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Microcontroladores
Curso Engenharia de Controle e Automação
Alex Vidigal Bastos
www.decom.ufop.br/alex/
alexvbh@gmail.com
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Sumário
• Microprocessadores
– CPU
• Microcontrolador
• Firmaware
• Registrador
• Registradores de Função Especial (SFR)
• Portas (I/O)
• Interrupções
• Linguagem de Máquina
Microprocessadores
• São máquinas elétricas onde podemos armazenar instruções
lógicas, aritméticas e de tomada de decisão;
• CPU (Central Processing Unit – Unidade Central de
Processamento)
CPU (Central Processing Unit)
• Processsa as instruções contidas no programa e é dividida em: 
– Unidade de Controle (UC);
– Unidades Lógicas e Aritméticas (ULA);
– Decodificador de Instrução;
– Registradores;
CPU (Central Processing Unit)
Evolução para
microcontroladores
• Barateamento dos CI's e o surgimento de microprocessadores
(CPUs) mais poderosos, começou-se a usar as CPUs mais
simples para implementar tarefas dedicadas: controle de
impressora, reguladores de velocidade, acionadores de motores
de passos, etc
Basicamente
CPU Controle
RAM pilha e dados
Porta Serial comunicação
Timers temporização
ROM programa controle
Portas Paralela
I/O
AD / DA sinais analógicos
Por quêMicrocontroladores?
• Estas aplicações tinham o custo dependente do preço da CPU e
dos periféricos;
• A idéia foi colocar todos os periféricos dentro do chip da CPU.
Por quêMicrocontroladores?
• Por outro lado, uma CPU dedicada a um determinado controle
não precisa ser muito rápida nem tampouco ter um conjunto de
instruções extenso e poderosos;
• Não são necessárias instruções para trabalhar com ponto
flutuante, com strings ou vetores e mecanismos de
endereçamento;
Por quêMicrocontroladores?
• Os microcontroladores são específicos para controle, não tem
grande capacidade de processamento e por isso nunca haverá
computador pessoal cuja CPU seja um microcontrolador;
• Eles podem estar presentes nos PCs, apenas para controlar
periféricos;
Microprocessador x 
Microcontrolador
Diagrama de Bloco
Microprocessador x 
Microcontrolador
Microprocessor
• CPU, RAM, ROM, Timers
ficam separados;
• Expansivos;
• Versatilidade;
• Proposta Geral;
Microcontroladores
• CPU, RAM, ROM, Timres ficam
em um mesmo chip;
• Para aplicações em que o custo,
energia e espaço são críticos;
Microcontrolador
Microcontrolador
Diagrama geral de blocos de um microcontrolador
Critérios para a escolha de um 
Microcontrolador
� Satisfazer as necessidades de computação da tarefa de forma
eficiente e custo efetivo
� Velocidade, a quantidade de ROM e RAM, o número de 
portas I/O e timers, energia
� Facilidade de upgrade
� Custo por unidade
Critérios para a escolha de um 
Microcontrolador
� Avaliar as ferramentas de desenvolvimento de software;
� Debugadores, Compiladores, Simuladores, Suporte técnico, etc;
Sistemas Processados
� Programa (Software): conjunto de instruções arranjadas de
forma organizada que apresenta uma função específica;
� Firmaware: programa que está armazenado em memória não
volátil (ROM);
� Hardware: partes eletrônicas de um microcomputador
� Microcontrolador: microcomputador integrado num único chip
(microprocessador + periféricos)
Sistemas Processados
� Periféricos:
– Circuitos acessórios ao computador que realizam tarefas
específicas;
– Exemplos:
• Timers
• CCP (Comparação, Captura e PWM);
• Conversores AD/DA
• Portas de Comunicação (USART, I2C, SPI, USB, CAN...)
Arquitetura Von-Neuman
Von Neumann:
“Instruções e dados compartilham a mesma unidade física de
memória”
Arquitetura Von-Neuman
ArquiteturaHarvard
Harvard:
“Instruções e dados são armazenados em memórias
diferentes”
– Vantagem: Instruções e dados podem ser
acessados simultaneamente, aumentando o
desempenho.
– O PIC segue esta arquitetura! Um barramento de
dados de 8 bits e outro para instrucões (12, 14 ou
16 bits)
ArquiteturaHarvard
ArquiteturaHarvard
Barramento
Permite a transferência de sinais elétricos entre diferentes partes do
compuatdor.
Instruction Set
• Conjunto de instruções que um processador compreende;
• Cada processador possui seu próprio conjunto de instruções,
inviabilizando, na maioria dos casos, a portabilidade;
Instruction Set
CISC – Complex Instruction Set Computing
- Computação onde o número de instruções é muito grande;
RISC – (Reduced Instruction Set Computing)
- Computação onde um número reduzido de instruções estão
disponíveis.
O PIC possui um número reduzido de
Instruction Set (RISC)
Instruction Set
Considerações sobre o RISC e CISC:
– Uma única instrução CISC pode equivaler a várias instruções
RISC;
– Uma instrução CISC precisa realizar passos semelhantes aos
realizados pelas RISC;
– CISC minimiza o número de acessos a memória de programa;
– RISC simplifica a decodificação de instruções, deixando esta
etapa mais rápida;
Instruction Set
Vantagens CISC:
� Apesar do conjunto de instruções ser muito grande, oferece um
número maior de instruções (“ferramentas”) ao programador
Assembly;
�Menor quantidade de instruções são necessárias para
desenvolver um programa (programas ocupam menos memória).
Instruction Set
Vantagens RISC:
� Etapa de decodificação tão simples que pode, em alguns casos, ser
eliminada;
� Com um número menor de instruções, os parâmetros destas podem
ser agregados no opcode (código de máquina de uma instrução),
simplificando inclusive o FETCH.
� Simplificação dos circuitos eletrônicos.
Ciclo de vida de uma CPU
PIC
São uma família de microcontroladores fabricados pela Microship
Technology que processam dados de 8bits, 16 bits e 32 bits.
PIC
Firmware
• Conjunto de instruções operacionais programadas diretamente
no HARDWARE de um equipamento eletrônico;
• É armazenado permanentemente em um circuito integrado
(chip);
Registradores
• Responsável por armazenar todos os dados sobre os quais serão
realizados algum tipo de operação (ADD, MOVE, SHIFT, etc);
Registradores
• No PIC18F4550 esses registradores são chamados de GPR
(General Purpose Register – Registradores de Propósito Geral);
Registradores de função especial 
(SFR)
• São registradores cujas funções são pré-determinadas pelo
fabricante.
Ex:
• temporizadores (timers);
• Conversores (A/D)
• Osciladores
Registradores de função especial 
(SFR)
No caso dos registradores de 8 bits, cada SFR funcionará como
8 chaves (liga/desliga) que comandam alguns pequenos
circuitos dentro do microcontrolador.
Registradores de função especial 
(SFR)
No PIC18F4550 este circuito está associado a um SFR chamado
TRIS.
- Bit ajustado para lógica 1 – Entrada (Input)
- Bit ajustado para lógica 0 – Saída (Output)
Registradores de função especial 
(SFR)
Exemplos:
STATUS – utilizado para armazenamento de flags matemáticos e de
estado da CPU, além dos bits da seleção do banco de memória
RAM;
INTCON – utilizado para controle de interrupções;
Registradores de função especial 
(SFR)
Exemplos:
OPTON_REG – utilizado para configurar o funcionamento de alguns
periféricos internos ao PIC;
PORT– utilizado para a leitura ou escrita nos pinos do PIC;
TRIS – utilizado para configurar os pinos das portas como entrada
ou saída(input/output);
Portas I/O (Entrada / Saída)
Os microcontroladores possuem um ou mais registradores de
funções especiais chamadas de PORT conectados aos seus pinos de
I/O (pinos de entrada/saída);
*** Valor máximo de corrente por pino I/O(operando
isoladamente) e por conjunto de pinos ;
Portas I/O (Entrada / Saída)
Interrupções
Sem interrupções,o fluxo do programa é determinado pelo
programa principal;
Problema:
– Alguns periféricos precisam de tempo para executar suas
tarefas;
– Espera ocupada: Não faz nada até que uma variável ou um flag
mude de valor – pooling!
Interrupções
Solução: Interrupção
– Sistema capaz de avisar quando uma determinada tarefa
acabou.
– A tarefa então é executada, sem prejuízo para o fluxo do
programa principal.
Interrupções
Interrupções
Arquitetura de um computador
genérico
Arquitetura de um Sistema
Embutido
Exercícios
50
• PIC18F4550
Perguntas