Capítulo 02 Considerações sobre lógica programável

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Considerações sobre Lógica Programável 
Docente: EWERTON DE OLIVEIRA FIGUEIRÔA 
FACULDADE ESTÁCIO DO RECIFE 
CURSO: Engenharia Elétrica 
DISCIPLINA: Sistemas Embarcados 
Recife, 18de Fevereiro de 2016 
Contextualização 
Prof. Ewerton Figueirôa 
A crescente evolução do mercado de circuitos eletrônicos é 
visível. Um exemplo para esta afirmação é o mercado 
mundial, influenciado drasticamente pela produção de 
componentes eletrônicos nos países chamados de tigres 
asiáticos e no vale do silício. 
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Os Tigres Asiáticos: 
 
Inicialmente: Hong Kong, Taiwan, Cingapura e Coréia do Sul. 
Incorporados: Malásia, Tailândia e Indonésia. 
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O Vale do Silício: 
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Pode-se citar alguns pontos na história da eletrônica que 
foram marcantes para sua evolução: 
 
1. A invenção da válvula; 
Os computadores da primeira geração (de 1952 a 
1957) são caracterizados pela grande importância 
dedicada à capacidade e velocidade de cálculo 
em detrimento da velocidade de Input/Output. 
Estes computadores utilizavam tubos de vácuo 
(válvulas) e eram programados em linguagem 
Assembler. 
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2. A criação dos Transistores: 
 
Os computadores da segunda geração (de 1958 a 1963) 
utilizavam transístores em substituição das válvulas da 
primeira geração e apresentavam memórias internas de 
maior capacidade, constituídas por toros magnéticos de 
ferrite. É nesta geração que surgem as chamadas linguagens 
de programação de alto nível como por exemplo: Cobol, 
Fortran e Algol. 
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2. A criação dos Transistores: 
 
O transistor é um componente de circuito elétrico que se 
tornou popular nos anos de 1950, sendo ele o grande 
responsável pela revolução da eletrônica. Uma de suas 
principais funções é a de aumentar e chavear os sinais 
elétricos. 
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2. A criação dos Transistores: 
 
O transistor é basicamente um substituto das antigas 
válvulas eletrônicas. Sua aplicação é vantajosa, pois o custo 
de fabricação é menor, ele gasta menos energia que as 
antigas válvulas e suas dimensões são muito reduzidas. 
Atualmente o chips de processadores possuem milhões de 
nano transistores. 
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2. A criação dos Transistores: 
 
 
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3. A evolução para Circuitos Integrados (CI); 
 
A terceira geração (desde 1964) engloba avanços 
tecnológicos importantes, como a miniaturização elevada de 
circuitos integrados ( L.S.I. - Large Scale Integration) que 
permitem uma elevada capacidade e velocidade dos 
equipamentos. Surgem os chips que são pequenas pastilhas 
de circuitos integrados, constituídos por transístores e 
outros microcomponentes electrónicos. É nesta geração que 
é possível, através do desenvolvimento do software, a 
utilização de multiprogramas, multiprocessamento e do 
teleprocessamento. 
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3. A evolução para Circuitos Integrados (CI); 
 
Em eletrônica, um circuito integrado (também conhecido 
como CI, microchip ou chip) é um circuito 
eletrônico miniaturizado (composto principalmente por 
dispositivos semicondutores) sobre um substrato fino de 
material semicondutor. 
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3. A evolução para Circuitos Integrados (CI); 
 
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4. A construção de Microprocessadores; 
 
A quarta geração ( a partir de 1975, e até aos nossos dias) 
com utilização da técnica V.L.S.I. (Very Large Scale 
Integration),em que os circuitos ainda se tornarão mais 
compactos. Surgem os microprocessadores(processadores 
totalmente contidos num chip). 
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Muitas são as empresas que hoje se dedicam à construção e 
comercialização dos principais computadores da 4º geração, nas 
mais variadas classes. Entre os principais construtores podemos 
citar: 
 
IBM, Digital, Unisys, Olivetti, Apple, Toshiba , Data General e 
muitos outros. 
 
Espera-se brevemente o lançamento dos computadores da 5º 
geração com novas tecnologias de fabrico ( supercondutores, etc) 
e novas arquitecturas optimizadas com múltiplos CPUs, 
processadores integrados de voz e de imagem, bancos de dados 
relacionais, sistemas integrados de inteligência artificial,etc. 
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 Porém, muitos autores citam que a verdadeira virada no 
mercado eletrônico do século XX foi a criação dos circuitos 
de aplicação específica e o aperfeiçoamento do hardware 
reconfigurável dos Dispositivos Lógicos Reprogramáveis 
(Programmable Logic Device - PLD). 
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 A promessa da computação reconfigurável é um “hardware 
virtual”, podendo emular vários sistemas complexos de 
forma transparente ao usuário. 
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 Os circuitos integrados digitais implementados em pastilha 
de silício podem ser classificados como circuitos digitais 
padrão ou circuitos digitais de aplicações específicas ASICs 
(Aplication Specific Integrated Circuits). 
 
“Os circuitos padrões são constituídos por portas lógicas 
(AND,OR,NOT e Flip – Flops) e necessitam de vários 
componentes externos para a realização de uma função 
específica. Os circuitos integrados ASICs são aqueles que 
precisam de um processo de fabricação especial, que requer 
máscaras específicas para cada projeto”. 
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 Características dos circuitos integrados ASICs: 
 
1. Requer máscaras específicas para cada projeto; 
2. Tempo de desenvolvimento longo; 
3. Altos custos de implantação. 
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 O desenvolvimento de projeto de circuitos digitais tem 
evoluído rapidamente nas últimas décadas. A utilização da 
ferramenta de software denominada EDA (Eletronic Design 
Automation) e o aperfeiçoamento dos PLDs (Programmable 
Logic Devices) têm simplificado e acelerado todo o ciclo de 
projeto. 
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 Mas o que são PLDs? 
 
Os PLD são circuitos integrados que podem ser 
configurados pelo próprio usuário. Não apresentam uma 
função lógica definida, até que sejam configurados. 
Possuem, como principal característica, a capacidade de 
programação das funções lógicas pelo usuário, eliminando-a 
do processo de fabricação do circuito integrado, o que 
facilita, assim, as prováveis mudanças de projeto. 
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 Os controladores lógicos programáveis disponíveis no 
mercado brasileiro utilizam na sua arquitetura 
microcontroladores e circuitos integrados de aplicações 
específicas ASICs. 
 
Esses microcontroladores, para executar seus programas de 
controle, necessitam realizar ciclos de busca e execução de 
instrução. O ciclo de busca da instrução não está 
diretamente relacionado com o processo no qual o 
controlador lógico programável está inserido, mas é a 
condição determinante para o microcontrolador executar o 
programa que está carregado na memória. 
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 Conclusões: 
 
1. Essa necessidade de busca da instrução demanda tempo 
do microcomputador, que poderia estar sendo utilizado 
na execução de tarefas pertinentes ao processo. 
 
2. Os microcontroladores são componentes extremamente 
flexíveis devido a sua programabilidade. Essa 
programação permite sua aplicação em diversos tipos de 
controles industriais. 
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 A execução deum algoritmo de controle depende de seu 
software, armazenado em memória, que será executado 
numa arquitetura baseada em microprocessador, com ciclo 
de buscas e execução das instruções. 
 
Numa arquitetura baseada em dispositivo lógico 
programável, por exemplo, FPGA (Field Programmable Gate 
Array),um algoritmo de controle é implementado por 
hardware, sem a necessidade de ciclos de busca e execução 
de instruções. 
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 O problema básico a ser resolvido é a implementação de 
uma arquitetura eficiente, baseada em lógica programável 
estruturada, para execução desse algoritmo de controle, 
em vez de compilá-lo para sua execução em 
microprocessador. 
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 A tarefa que faz a tradução de um algoritmo para uma 
arquitetura de hardware eficiente é denominada síntese. A 
síntese cria uma arquitetura com células lógicas que 
executam as operações do algoritmo, sem a necessidade de 
se gerar e decodificar instruções. 
 
Uma das grandes vantagens da utilização de dispositivos 
lógicos programáveis nessa nova arquitetura proposta é a 
possibilidade de se definir vários blocos de hardware, que 
operam em paralelo, aumentando muito a capacidade 
computacional do sistema. 
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 Os dispositivos lógicos programáveis (PLDs) foram os 
dispositivos eletrônicos que possibilitaram a implementação 
de Lógica Programável Estruturada. Os PLDs podem ser 
classificados em função de portas lógicas que comportam, 
conforme abaixo: 
 
 
1. SPLDs (Simple Programmable Logic Devices): 
 
2. HCPLDs (High Complex Programmable Logic Devices) 
 
 
 
SPLDs (Simple Programmable Logic Devices): 
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São dispositivos simples e de baixa capacidade, que 
tipicamente contêm menos de 600 portas lógicas, fabricados 
com tecnologia CMOS. 
 
 
 
HCPLDs (High Complex Programmable Logic Devices): 
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São dispositivos de alta capacidade, que tipicamente contêm 
mais de 600 portas lógicas; os mais modernos podem atingir 
cerca de 250.000 portas e englobam os dispositivos CPLDs 
(Complex Programmable Logic Devices) e FPGAs (Field 
Programmable Gate Arrays), todos fabricados com 
tecnologia CMOS. 
 
 
 
SPLDs (Simple Programmable Logic Devices): 
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 Os PLAs (Programmables Logic Arrays) foram os primeiros 
Dispositivos Lógicos Programáveis Simples (SPLDS) criados 
especificamente para a implementação de circuitos lógicos. 
 
Introduzidos pela empresa Philips no início de 1970, esses 
dispositivos consistem em dois níveis de portas lógicas: um plano 
de portas AND seguido por um plano de portas OR, ambos 
programáveis. 
 
Um PLA é estruturado de forma que cada saída do plano AND 
pode corresponder a qualquer produto das entradas. Da mesma 
forma, cada saída do plano OR pode ser configurada para produzir 
a soma lógica de quaisquer saídas do plano AND. 
 
 
PLAs (Programmables Logic Arrays 
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PLAs (Programmables Logic Arrays) 
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 Características: 
 
Em virtude da estrutura montada, os PLA são adequados para as 
implementações de funções lógicas na forma de produtos de 
soma, e eles se apresentam muito versáteis, pois tanto os termos 
AND como os termos OR podem possuir muitas entradas. 
(Vantagens). 
 
Entretanto, essa tecnologia também apresenta problemas como 
alto custo de fabricação e baixo desempenho em termos de 
velocidade. Essas desvantagens existem devido aos dois níveis de 
lógica configurável. Os planos lógicos programáveis são difíceis de 
serem fabricados e introduzem atrasos significativos de 
propagação dos sinais elétricos. (Desvantagens) 
 
PAL ( Programmable Array Logic ) 
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 A tecnologia PAL ( Programmable Array Logic ) foi então 
desenvolvida para suprir deficiências apresentadas pela 
tecnologia PLA. Os PALs apresentam um único plano AND 
configurável, figura 2, custo menor e melhor desempenho. 
PAL ( Programmable Array Logic ) 
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HCPLDs (High Complex Programmable Logic Devices): 
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 Quanto maior o número de portas de um PLD, maior será a 
sua complexidade. Os Dispositivos Lógicos de Alta 
Complexidade (HCPLD) dividem-se basicamente em dois 
grupos: CPLD e FPGA. 
 
 
Definição 
Prof. Ewerton Figueirôa 
Sistemas embarcados estão relacionados ao uso de hardware 
(eletrônica) e software (instruções) incorporados em um 
dispositivo com um objetivo predefinido. 
 
A diferença entre um sistema embarcado e um computador de 
propósito geral está justamente na objetividade. Computadores 
como PCs, notebooks e afins são máquinas multiobjetivo, ou 
seja, foram criadas e dimensionadas para atuar num domínio de 
funções muito grande. Já os Sistemas Embarcados ou SEs 
possuem dimensionamento de recursos direcionado a um 
domínio de objetivos bem menor, ou mesmo singular 
Definição 
Prof. Ewerton Figueirôa 
Sistemas embarcados estão relacionados ao uso de hardware 
(eletrônica) e software (instruções) incorporados em um 
dispositivo com um objetivo predefinido. 
 
A diferença entre um sistema embarcado e um computador de 
propósito geral está justamente na objetividade. Computadores 
como PCs, notebooks e afins são máquinas multiobjetivo, ou 
seja, foram criadas e dimensionadas para atuar num domínio de 
funções muito grande. Já os Sistemas Embarcados ou SEs 
possuem dimensionamento de recursos direcionado a um 
domínio de objetivos bem menor, ou mesmo singular 
Modelo de subdivisão de um sistema embarcado 
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Destrinchando um projeto de SE, normalmente encontramos 
um subdivisão clara, que corresponde as seguintes partes 
que compõem um SE: 
 
1. Unidade de processamento; 
2. Memória; 
3. Periféricos. 
Modelo de subdivisão de um sistema embarcado 
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Componentes de um Sistema Embarcado 
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Unidade de processamento: 
 
Executa as instruções (software/firmware) responsáveis por 
realizar cálculos, tomar decisões e tratar eventos (como 
aquele do botão do elevador). Possui normalmente a 
arquitetura elementar clássica de um processador de 
computador convencional, como a Unidade 
lógica/Aritmética (ULA), Unidade de controle 
(UC), registradores, etc. 
Componentes de um Sistema Embarcado 
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Unidade de processamento: 
 
Unidade lógica/Aritmética (ULA): 
 
A unidade lógica e aritmética pode realizar diversas 
operações, entre elas: Adição Subtração Operações lógicas 
(E, OU, XOR, INVERSÃO) Deslocamento (à esquerda e à 
direita) Comparação. As unidades aritméticas e lógicas mais 
modernas realizam também as operações de multiplicação e 
divisão. As operações são realizadas pela leitura de dois 
registradores fontes do banco de registradores, e com a 
escrita do resultado no registrador de destino. 
Componentes de um Sistema Embarcado 
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Componentes de um Sistema Embarcado 
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Componentes de um Sistema Embarcado 
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Unidade de processamento: 
 
Unidade lógica/Aritmética (ULA): Quanto ao desing as ULAs 
podem ser: 
 
 
 
 
 
Componentes de um Sistema Embarcado 
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1. Accumulator: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Geralmente esta arquitetura é utilizada em calculadoras de 
mão. 
Componentes de um Sistema Embarcado 
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Quanto as principais operações: 
 
1. NOT; 
2. Inversão; 
3. AND – E lógico; 
4. OR – OU lógico; 
5. XOR – OU exclusivo; 
6. Shift ; 
7. +, -, *, / ; 
8. =, >, < e etc.Operadores Booleanos 
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Representação de Grandeza com Sinal 
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O tipo de representação vai depender do projeto a ser 
realizado. Pode ser utilizada representações com 8 bits 
variando de 0 a 255, ou de -127 a +127, conforme 
representação que segue abaixo. 
 
 
 
Representação de Grandeza com Sinal 
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O bit mais significativo representa o sinal: 0 (indica um 
número positivo) e o bit 1 (indica um número negativo). Os 
demais bits representam a grandeza (magnitude). 
 
 
 
O valor dos bits usados para representar a magnitude 
independe do sinal (sendo o número positivo ou negativo, a 
representação binária da magnitude será a mesma). 
 
 
 
Componentes de um Sistema Embarcado 
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Unidade de processamento: 
 
Unidade de Controle (UC): 
 
É a unidade que armazena a posição de memória que 
contém a instrução que o computador está executando 
nesse momento. Ela informa à ULA qual operação a 
executar, buscando a informação (da memória) que a ULA 
precisa para executá-la. Depois, transfere o resultado de 
volta para o local apropriado da memória. A seguir, a 
unidade de controle vai para a próxima instrução 
Componentes de um Sistema Embarcado 
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A memória armazena dados e instruções relacionados às 
operações da unidade de processamento. As instruções e 
dados podem dividir a mesma memória, como nos PCs 
(arquitetura Von Neumann) ou separados em memórias 
distintas (arquitetura Harvard), sendo a segunda a mais 
comum em Sistemas Embarcados. 
 
Componentes de um Sistema Embarcado 
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Os periféricos são as interfaces da unidade de 
processamento com o mundo externo, trazendo ou 
enviando informações para ele. Um exemplo de um 
periférico seria um conversor analógico/digital acoplado a 
um sensor térmico que converte a temperatura de um 
ambiente em números binários para que a unidade de 
processamento consiga interpretar e processar a 
informação. 
 
Objetivo de um Sistema Embarcado 
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O objetivo de um sistema embarcado é o de controlar 
processos, em outras palavras, atuar sobre um problema. 
Um processo pode ir de um simples acender e apagar de 
lâmpadas automatizado, até gerenciamento autônomo de 
um avião (piloto automático). Isso é feito por intermédio dos 
periféricos, que são escalados e dimensionados com base no 
problema alvo. 
Arquitetura da Interface com o Processo 
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Sensores e Atuadores em Sistemas Embarcados 
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Sensores são responsáveis em adquirir informação do 
processo a ser controlado. Essas informações são 
primordiais para a unidade de processamento, pois com 
base nelas decisões podem ser tomadas. Bons sensores 
devem fornecer informação confiável e não promover 
alterações no processo alvo. Isso significa que um sensor 
não pode mudar os valores da grandeza física do qual é 
responsável por medir, como por exemplo diminuir a 
velocidade de um motor em monitoramento. 
Sensores e Atuadores em Sistemas Embarcados 
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Isso na prática pode difícil de conseguir dependendo da 
tecnologia do sensor (contato mecânico por exemplo). 
Exemplos desses tipos de periféricos são sensores de 
temperatura (termistores), pressão (piezos), contato (chaves 
mecânicas), toque (touchscreen), distância 
(sonar/infravermelho), movimento (acelerômetros), óticos 
(câmeras), etc. Esses são periféricos que enviam informação 
do processo para o SE. 
Sensores e Atuadores em Sistemas Embarcados 
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Atuadores proporcionam ao Sistema Embarcado a 
habilidade de intervir no meio onde atua. Como o próprio 
nome diz, são dispositivos que realizam ações que 
interferem no processo em controle, como motores, 
ventiladores, luzes, aquecedores, resfriadores, chaveadores, 
etc. Esses são periféricos que enviam informação do Sistema 
Embarcado para o processo. 
Sensores e Atuadores em Sistemas Embarcados 
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Normalmente a unidade de processamento toma a decisão 
de acionar os atuadores com base nas informações 
recebidas dos sensores, isso é conhecido como sistema em 
malha fechada ou sistema realimentado. Outra forma 
também usada para acionar os atuadores é com base no 
tempo, em um sistema conhecido como malha aberta, onde 
não há informações advindas do processo (não há sensores 
nele). 
Prof. Ewerton Figueirôa