Cap 3 Software Basico

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Software básico 
Cap 3 – lógica digital e E/S 
Lógica digital 
§  Implementação em hardware das portas 
lógicas e circuitos combinacionais 
§  Uso de circuitos integrados para 
representar informações em binário 
§  Bit 0 – voltagem baixa 
§  Bit 1 – voltagem alta 
§  Ou outras combinações possíveis 
Lógica digital – implementando portas 
lógicas 
Figure 3-1. (a) A transistor inverter. 
(b) A NAND gate. (c) A NOR gate. 
Portas lógicas básicas 
Construindo unidades lógicas mais 
complexas 
§  Toda operação de uma CPU é uma 
combinação de portas lógicas 
§  Existem diversas técnicas de simplificação 
e equivalência de circuitos para chegar a 
desenhos mais eficientes 
Construindo unidades lógicas mais 
complexas – ALU de 1 bit 
Clocks 
§  Devemos saber em qual momento o sinal 
de saída está estável em circuitos 
complexos 
§  Instabilidade da saída devido a feedback 
§  Tempo de propagação do sinal do início ao fim 
da unidade lógica 
§  Uso de um sinal regulador, o sinal de 
relógio 
Clock 
Figure 3-20. (a) A clock. (b) The timing diagram for the 
clock. 
(c) Generation of an asymmetric clock. 
Armazenando dados 
§  Muitas vezes queremos armazenar um 
dado para uso posterior 
§  Manter um sinal constante na entrada do 
circuito 
§  Memórias internas do processador 
§  As unidades básicas de uma memória em 
um circuito são os latches e flip-flops 
Clocked SR Latches 
Registradores 
§  Registradores são um conjunto de flip-
flops ou latches que são acionados ao 
mesmo tempo 
Registradores e chips de memória 
§  Empregando latches, flip flops e 
capacitores, podemos construir sistemas 
de memória RAM e de memórias rápidas 
§  Assunto para outro curso (circuitos 
digitais, introdução aos sistemas 
lógicos…) 
Lógica digital e software básico 
§  A lógica digital muitas vezes aparece para 
“assustar” os programadores de software 
básico 
§  Interação entre processadores 
§  Dispositivos de E/S 
§  Processadores e microcontroladores 
suportam alguns padrões (mas nem todos) 
§  Microcontroladores: SPI, I2C 
§  CPUs para PC: com. serial e paralela, 
barramentos PCI, etc 
Lógica digital e software básico 
§  Programação de barramentos e E/S é 
muito comum em sistemas embarcados 
§  Popularização de sistemas baratos e de 
alto poder computacional, que são 
empregados para projetos de controle e 
automação 
Arduino e Raspberry Pi 
§  Placa com microcontrolador, desenhadas 
para projetos pequenos de controle/
atuação e para hobbistas 
§  Arudino uno: 
§  Processador ATMEGA 328 
§  16 MHz 
§  32KB de flash 
§  2KB SRAM 
§  1KB EEPROM 
Arduino Uno 
Programando dispositivos de E/S 
§  Existem muitas bibliotecas em linguagens 
de alto nível para Arduino, mas… 
§  E se você precisar de um processador 
mais potente? 
§  E se você empregar um sensor “exótico”? 
Barramentos 
Barramentos 
Controlando barramentos 
§  A ação dos dispositivos de E/S depende 
dos sinais de controle do barramento 
§  Organização escravo-mestre 
§  Mestre controla os sinais do barramento e 
quem pode comunicar 
§  Escravos seguem as ordens do mestre 
Controlando barramentos 
Barramentos síncronos e assíncronos 
§  Barramento síncrono: utiliza sinal de clock 
de referência 
§  Operações de barramento medidas em ciclos 
de clock 
§  Barramento assíncrono: não tem clock de 
referência 
§  Permite dispositivos com velocidades 
diferentes no mesmo barramento 
Barramento síncrono 
Barramento assíncrono 
Arbitragem do barramento 
§  Como definir qual dispositivo pode acessar 
o barramento? 
§  Exemplo: CPU e disco tentando acessar a 
memória ao mesmo tempo 
§  Duas abordagens principais: 
§  Centralizada 
§  Distribuída 
Arbitragem centralizada 
§  Um dispositivo controla o acesso 
§  Pode ser multi-nível 
§  Daisy chaining 
Arbitragem distribuída 
§  Não há coordenador 
§  Problema de dois pedidos de acesso ao 
mesmo tempo 
§  Similar a uma rede de computadores 
Arbitragem e interrupções 
§  Interrupções geram pedidos que precisam 
ser ativados rapidamente 
§  Linha separada para interrupções: mais 
prioritário que acesso de E/S 
Sentido da comunicação 
§  Simplex – Dados trafegam em um único 
sentido 
§  Exemplo: impressora 
§  Duplex – Dados trafegam nos dois 
sentidos 
§  Exemplo: Porta USB 
§  Full Duplex – Tráfego simultâneo de dados 
nos dois sentidos 
§  Half Duplex – Tráfego de dados em um 
sentido a cada vez 
Sistemas duplex 
Linhas de um barramento 
§  Linhas de controle: empregadas para 
sinalização nas transferência de dados 
§  Linhas de dados: empregadas para 
transferência de dados 
§  Linhas de endereço: identificam posições 
na memória interna do dispositivo de E/S 
Linhas de um barramento 
Portas seriais e paralelas 
§  Barramentos síncronos 
§  Muitos processadores possuem sistemas 
internos para controlar E/S serial e 
paralela 
§  Leitura/escrita em registradores ou endereços 
de memória específicos 
§  Serial – 1 bit por vez 
§  Paralela – Um byte por ciclo de clock 
Portas seriais e paralelas 
Comunicação Serial 
§  Padrão RS232 – Recommended Standard 
232 
§  Suporta comunicação síncrona e 
assíncrona 
§  Sinalização de transmissão dos dados 
§  Clock variável 
Comunicação serial - sinalização 
Comunicação Serial com “Handshaking”
DTEDTE DCEDCE
TxDTxD
RTSRTS
CTSCTS
RTSRTS
CTSCTS
TxDTxD DADO SERIAL
RTS – Request to Send
CTS – Clear to Send
Comunicação Serial RS 232 Comunicação Serial RS 232 -- CC
Porta serial – formatando os dados 
§  Start bits: Indicam o início de um byte 
§  Serve para diferenciar barramento livre de 
barramento em uso 
§  Bit de paridade 
§  Para fins de detecção de erro (ruído na linha) 
§  Bits de parada: 
§  Indicam o fim da palavra 
§  Conhecidos como siglas (8N1, 8N2, …) 
Start, stop e parity bits 
a. Formato do Caractere
1, 1e 1/2 ou 2 stop bits
próximo
caracter
repouso
5 a 8 bits de dados
bit de paridadestart bit
bits de repouso
1 0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/01 1 1 1
start bit
b. Sincronismo
O sincronismo é feito a cada caractere, através de um clock localizado no
receptor, cujo período é K vezes menor do que o período de duração do bit.
TB = K.Tc
TB - tempo de duração do bit
Tc - período do clock de sincronismo do caractere
Comunicação Serial AssíncronaComunicação Serial AssíncronaComunicação Serial Assíncrona
39 
Serial Transmission Using UARTs 
embedde
d device 1 0 
0 1 
1 0 1 1 
Sending UART 
1 0 0 1 1 0 1 1 
Receiving UART 
1 0 0 1 1 0 1 1 
start bit 
dat
a 
end bit 
1 0 0 1 1 0 1 1
§  UART: Universal 
Asynchronous Receiver 
Transmitter 
§  Takes parallel data and 
transmits serially 
§  Receives serial data and 
converts to parallel 
Barramentos I2C e SPI 
I2C e SPI 
§  Barramentos muito usados para sensores 
digitais 
§  Uso em sistemas embarcados, por 
exemplo controle de temperatura, 
umidade, LCDs, comunicação, etc 
Sensores analógicos 
§  Não iremos tratar no curso 
proportionality 
Vmax = 7.5V 
0V 
1111 
1110 
0000 
0010 
0100 
0110 
1000 
1010 
1100 
0001 
0011 
0101 
0111 
1001 
1011 
1101 
0.5V 
1.0V 
1.5V 
2.0V 
2.5V 
3.0V 
3.5V 
4.0V 
4.5V 
5.0V 
5.5V 
6.0V 
6.5V 
7.0V 
analog to digital 
4 
3 
2 
1 
t1 t2 t3 t4 
0100 1000 0110 0101 
time 
an
al
og
 in
pu
t (
V
) 
Digital output 
digital to analog4 
3 
2 
1 
0100 1000 0110 0101 
t1 t2 t3 t4 
time 
an
al
og
 o
ut
pu
t (
V
) 
Digital input 
SPI – Serial Parallel Interface 
§  Interface síncrona, com arbitragem 
centralizada, serial 
I2C - Inter Integrated Circuit 
§  Comunicação serial de baixa velocidade 
master 1 master 2 
slave 1 slave 2 
SCL 
SDL 
data line 
clock line 
E/S no I2C 
§  Todo dispositivo tem um endereço (7 ou 
10 bits) 
§  Bit 8 indica se é leitura ou escrita 
§  Permite sinal enviado para todos os 
dispositivos 
I2C transmissions 
multi-byte write 
read from slave 
write, then read 
S adrs 0 data data P 
S adrs 1 data P 
S adrs 0 data S adrs 1 data P 
Fieldbus 
§  Used for industrial control and 
instrumentation---factories, etc. 
§  H1 standard based on 31.25 MB/s twisted 
pair medium. 
§  High Speed Ethernet (HSE) standard 
based on 100 Mb/s Ethernet. 
Fieldbus 
§  Padrão na indústria em sistemas de 
controle 
Barramentos de um PC 
Barramento ISA 
§  Industry Standard Architecture 
§  Defunto 
§  Primeiro padrão de 
barramento (interesse das 
fabricantes de periféricos) 
§  Compatível com o primeiro 
barramento do PC AT 
§  8,33MHz 
§  EISA: Extended ISA 
Barramento PCI 
§  Peripheral Component Interconnect bus 
§  Surgiu com o advento das interfaces 
gráficas 
§  Patentes em domínio público: até algumas 
SUN usam 
§  ISA: 16,7Mbps, EISA: 33,3Mbps 
§  PCI 1.0: 133Mbps 
§  PCI 2.0: 528Mbps 
§  Operando em 5V e 3.3V (compatibilidade) 
Conectores PCI 
Barramento AGP 
§  Surgiu com as placas gráficas 
aceleradoras e redes de computadores de 
alta velocidade 
§  Accelerated Graphics Port Bus 
§  Versões: 
§  1x – 264Mbps 
§  … 
§  8x – 2.1Gbps 
Conexões PCI e AGP 
Barramentos “comutados” 
§  O aumento do número de linhas dos 
barramentos gera muita interferência 
§  Limitação de distância física entre placas 
de E/S e controlador do barramento 
§  Solução: voltar à transmissão serial de 
dados, mas em alta velocidade 
Barramentos “comutados” 
§  O barramento funciona como uma rede de 
computadores 
§  Controlador do barramento vira um 
“switch” (comutador) 
§  Dados são enviados em “pacotes”, que 
são comeutados pelo controlador do 
barramento 
Barramentos “comutados” 
§  Pacotes possuem diversos tipos: 
§  Dados 
§  Serviços (interrupções, pedir exclusividade do 
barramento, alocar tempo do barramento, 
consultar dispositivos ligados) 
§  Gerenciamento dos dispositivos (ligar, desligar, 
modificar parâmetros de funcionamento) 
§  Pacotes possuem campos específicos que 
identificam o seu tipo 
PCI Express 
PCI Express - Camadas 
Camadas do PCI Express 
§  Camadas física e de enlace transmitem os 
dados 
§  Camada de transação implementa 
interrupções, DMA, etc 
§  Camada de software faz interface com 
SO, e.g. emulação de interface ISA ou PCI 
tradicional 
USB – Universal Serial Bus 
§  Barramento serial para dispositivos 
externos 
§  Dispositivos externos: normalmente mais 
lentos que as placas internas 
Pacotes USB 
The Universal Serial Bus (2) 
§ Figure 3-58. The USB root hub sends out 
frames 
every 1.00 msec. 
The Universal Serial Bus 
Goals of USB developers: 
•  Users must not have to set switches or jumpers 
•  Users must not have to open the case to install new devices 
•  There should be only one kind of cable 
•  I/O devices should get power from the cable 
•  Up to 127 devices should be attachable to a single computer 
•  The system should support real-time devices (e.g., sound) 
•  Devices should be installable while the computer is running 
•  No reboot should be needed after installing a new device 
•  The bus and devices should be inexpensive to manufacture 
Muitos barramentos, muitos problemas 
§  Acesso à memória pede maior velocidade 
a cada nova geração de processador 
§  Barramentos devem evoluir a cada geração 
§  Compatibilidade com placas antigas 
§  Uso das pontes (bridges) ligando 
barramentos lentos a barramentos rápidos 
Compatibilidade: bridges