Post on 04-Sep-2020
ENGENHARIA ELÉTRICA
Sistemas Microcontrolados
Arquitetura dos microcontroladores
Arquitetura microprocessadores e micontroladores
Prof Me Rogerio Ottoboni
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Sistemas Microcontrolados
http://sttechboni.weebly.com/
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Lei de Lei de Moore (1965):
atual definição - a densidade de transistores dobra aproximadamente a cada
18 meses.
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Famílias de Processadores
O primeiro desenho de um microprocessador feito pelos engenheiros da Intel
ocorreu em 1971, a pedido da empresa japonesa Busicom, fabricantes de
calculadoras eletrônicas.
Esse processador foi o núcleo de processamento de 12 modelos diferentes
de calculadora, pois, os engenheiros perceberam que não teriam tempo
suficiente para produzir 12 integrados diferentes.
Decidiram então desenhar um circuito integrado central, no qual se
encontravam todas as funções de cálculo desejadas. As particularidades de
cada modelo foram colocadas em uma memória ROM independentes.
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• Primeira geração
8088: variação do 8086 (16 bits), integrava o PC-XT;
Barramento externo de 8 bits.
Processador muito potente para época mais que logo alcançou seu limite.
• Segunda geração
80286: Superou o limite de endereçamento de 1MB para RAM, alcançando
surpreendente 16MB.
Barramento externo de 16 bits;
Clock de até 25MHz.
• Terceira geração
80386: primeiro microprocessador de 32 bits;
Endereçamento de 4GB de RAM;
Modo de memória protegida que permite duas ou mais aplicações serem executadas
simultaneamente, sem risco de conflitos entre leitura e escrita de memória de cada
uma delas.
Coprocessamento matemático: (80237);
Ambientes gráficos (Windows e Linux);
o Aparecimento de dispositivos AMD e Cyrix.
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• Quarta geração
80486: 32 bits de barramento externo;
Clock de 133MHz;
Incorporado ao microprocessador um bloco especial de execução de operações
matemáticas com ponto flutuante (FPU);
Introduzido ao Microprocessador pequenos blocos de memória RAM (cache) para
aumentar o desempenho de processamento.
• Quinta geração
Impulsionada pelos processadores Pentium e seus clones, como os K5 ou os K6 da
AMD (Advanced Micro Devices), e o 6x86(M-II) da Cyrix;
Os circuitos do Pentium tinham características avançadas que permitiam a execução
de mais de uma operação por cada ciclo de clock;
Barramento externo de 64 bits possibilitando carregar até dois dados em um só ciclo;
Clock atingindo a ordem de 600MHz;
Começou a “guerra dos microprocessadores”, graças à agressiva política de inovação
tecnológica da AMD.
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• Sexta geração
Nasceu um microprocessador que foi um verdadeiro fracasso financeiro, mas que
abriu as portas do mercado a toda uma nova família de processadores: PENTIUM
PRO;
Curiosa construção de dois chips interconectados, o que o tornava mais caro;
Com ele veio a ideia de se incluir na mesma pastilha a memória cachê externa;
Deste microprocessador derivam-se os bem-sucedidos PENTIUM II, o PENTIUM II e
as primeiras variantes do CELERON.
Pentium Celeron
O Celeron, ao ser lançado, era um Pentium II sem cache L2;
Operava apenas com seus 32 kB de cache L1;
Bem mais lento que o Pentium II;
Um Celeron de 266 MHz chegava a perder para o Pentium MMX/233 em termos de
desempenho;
Outro fator que prejudicava o seu desempenho era o barramento externo de 66 MHz,
usado mesmo na época em que o Pentium II já operava com 100 MHz externos, e
que o Pentium III operava com 100 e 133 MHz externos;
o Relativo sucesso no mercado de PCs de baixo custo;
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• Sétima geração
Em 23 de Junho de 1999, a AMD apresentou o primeiro processador dessa geração:
Athlon:
o Elevado desempenho em operações com ponto flutuante;
o Superou a Intel por um curto período;
o Clock de 500 até 700MHz;
o Clock externo: 200MHz;
o Cache L1: 128kB;
o Cache L2: 512kB.
o Encapsulamento SECC (Single Edge Contact Cartridge);
o Conector SLOT A;
Athlon T-Bird
o Athlon com Cache integrada ao núcleo;
o Formato: Socket A - 462 (PGA - Pin Grid Array)
o Clock interno: 850 a 1400 MHz;
o Clock externo: 200 a 266Mhz;
o Cache L1: 128kB;
o Cache L2: 256kB.
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• Pentium 4
Lançado no final de 2000;
Inicialmente operava com clocks de 1.5 a 1.6GHz. Atualmente 3.8GHz;
FSB (Font Side Bus) de 400MHz;
Superando o 133MHz do P3 e 266MHz do Athlon T-Bird;
Necessidade de Chipset de 400Mhz: Intel 850;
Primeiras placas de memórias equipadas com RAMBUS(RDRAM);
No seu lançamento, o socket utilizado era o 423, em formato provisório;
Alguns meses após seu lançamento, passou a utilizar o Socket 478;
Quem comprou as primeiras placas de Pentium 4 ficou sem opção de upgrade, pois
os modelos 423 pinos foram fabricados apenas até 2GHz.
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• Oitava geração
Nos últimos anos o mercado de máquinas de alto desempenho consolidou os
primeiros microprocessadores de oitava geração:
Itanium2 (Intel) e Opteron (AMD)
Desenhados para trabalhar com palavras de 64 bits
Atualmente, suas aplicações são limitadas a grandes servidores
empresariais;
AMD saiu na frente e apresentou simultaneamente, seus processadores de
64 bits para o mercado comum:
Athlon 64 e Athlon 64FX
Ambos os processadores tiveram uma boa aceitação pelo mercado devido a seu
desempenho x custo.
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Processadores de oitava geração: Dual core e Quad core
O Pentium D a versão de dois núcleos do Pentium 4;
O Pentium Extreme Edition é a versão do Pentium D com tecnologia Hyper Threading
habilitada;
O Pentium D e o Pentium Extreme Edition são baseados na microarquitetura x86 de
sétima geração da Intel, chamada Netburst, ou seja, apesar do nome diferente, eles
são internamente um Pentium 4 (ou melhor, dois processadores Pentium 4 em um
único encapsulamento).
Processo de 65 nm – Permitiu a redução do custo de produção, já que em um único
waffer é possível produzir um número maior de chips.
Depois de chegar a 800 MHz em 2003, esses novos chips chegam ao novo patamar
de clock externo. São na verdade 266 MHz em modo QDR (Quad Data Rate),
resultando em 1066 milhões de transferências por segundo.
Nova tecnologia que permite a execução simultânea de múltiplos sistemas
operacionais pelo mesmo processador.
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Conceitos
– Microprocessador vs Microcontrolador
• Microprocessadores necessitam de componentes externos para
que possa ser usado
• Microcontroladores apresentam diversos componentes integrados
em um único CI
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Processadores quanto ao acesso à memória
Von Neumann – os programas e dados ficam numa mesma memória;
Harvard – memória de dados e memória de programa são separadas
Arquitetura Harvard modificada: programas e dados são carregados em
caches separadamente mas a memória principal é única
Arquitetura de Harvard Arquitetura de Von-Neumann
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Processadores quanto ao acesso à memória
Os processadores de uso geral (GPPs) usam a arquitetura Von Neumann
pela simplicidade.
Os processadores sinais digitais (DSPs) e microcontroladores usam
geralmente a arquitetura Harvard para torrente de dados (streamming data),
pois permite uma largura de banda (bandwidth) de memória mais previsível.
Arquiteturas de Microcontroladores
Arquitetura de Von-Neumann (4004, 8080, 8051, 8085, Z80)
CPU interligada à memória por um único barramento (bus)
Sistema composto por uma única memória, onde são
armazenados dados e instruções
Arquitetura de Harvard (8086, 8088, PIC)
CPU interligada à memória de dados e a memória de programa
por barramentos diferentes
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Sistema microprocessador
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Estrutura de microprocessador
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Estrutura interna
– Principais componentes
1. Unidade de memória
2. Unidade central de processamento (CPU)
3. Barramento
4. Dispositivos de Entrada/Saída (I/O)
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Estrutura interna
– Principais componentes
1. Unidade de memória
– Função principal:
armazenamento de dados
(provisória ou
permanentemente)
– Endereçamento: acesso ao
conteúdo através do seu
respectivo endereço
– Tipos:
» Memória Principal
• Menor capacidade,
rápida (ex.: RAM)
» Memória Secundária
• Maior capacidade,
lenta (ex.: HD)
Modelo simplificado de uma unidade de
memória
Para uma entrada específica, obtém-se a
saída correspondente.
A linha ler/escrever determina as operações
de leitura/escrita
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Estrutura interna
– Principais componentes
2. Unidade central de
processamento (CPU)
– Função principal:
processamento de dados
(soma, multiplicação,
transporte, etc.)
– Contém essencialmente
» Unidade Lógica e
Aritmética (ULA)
» Registradores
• acumulador e
outros
» Unidade de controle
Modelo simplificado de uma CPU
Neste caso, existem três conjuntos de
registradores.
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Diagrama funcional de uma CPU
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Estrutura interna
– Principais componentes
2. Unidade central de processamento (CPU)
– ULA: processa operações lógicas e aritméticas sobre
dados que passam por ela
» Operações lógicas: NOT, AND, OR, XOR, shift
(deslocamento)
» Operações aritméticas: soma, subtração,
multiplicação, divisão
A e B – Operandos
R – Saída
F – Entrada da Unidade
de Controle
D – Saída de Status
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Estrutura interna
– Principais componentes
2. Unidade central de processamento (CPU)
– Registradores: circuitos capazes de receber
informações, guardá-las e transferi-las
» ACUMULADOR - armazena os resultados de um
cálculo
» REGISTRADOR DE ENDEREÇO - guarda o
endereço de uma locação de memória ou de um
dispositivo
» REGISTRADOR DE INSTRUÇÃO - guarda a
instrução que deve ser interpretada e executada
» APONTADOR DE INSTRUÇÕES - IP ou PC
(Program Counter) - aponta para a instrução a ser
executada
» REGISTRADORES DE USO GERAL - guardam
diversos tipos de dados
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Estrutura interna
– Principais componentes
2. Unidade central de processamento (CPU)
– Unidade de controle: ela gera e gerencia os sinais de
controle necessários para sincronizar operações
» SINAIS INTERNOS – Exemplos:
• Para a ULA executar uma soma
• Para o conteúdo de um registrador ser
transferido para a ULA
» SINAIS EXTERNOS – Exemplos:
• Para um dispositivo de entrada e saída
• Para a memória principal
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Estrutura interna
– Principais componentes
3. Barramento (Bus)
– Função principal:
transmitir padrões
de bits entre a CPU,
os dispositivos de
E/S e a memória
principal
Ligação da memória à CPU através dos
barramentos
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Estrutura interna
– Principais componentes
3. Barramento (Bus)
– Tipos:
» Barramento de
dados
» Barramento de
endereços
» Barramento de
controle
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Estrutura interna
– Principais componentes
4. Dispositivos de Entrada/Saída (I/O)
– Função: comunicação com o mundo externo
– Tipos:
Entrada: botões, teclados, sensores, etc
Saídas: LEDs, impressoras, caixas de som,
etc
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Microcontroladores
Tipicamente os microcontroladores se caracterizam por incorporarem internamente CPU, memórias de programa e dados e vários periféricos como timers, watchdog timers, comunicação serial, conversores analógicos digitais, geradores de PWM, etc. Fazendo com que a aplicação final fique extremamente compactada.
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CISC - Set de Instrução mais Complexo
Quanto maior a complexidade da instrução que deve ser executada, mais
espaço ela ocupa no chip.
Desse modo, chegará um momento que passaremos a ter um set de
instruções tão grande que começará a afetar o desempenho, dificultando a
possibilidade de implementar outras funções importantes.
Ter um complexo (grande) set de instruções “CISC” nem sempre é
interessante para um bom desempenho do processador.
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RISC - Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções
É uma linha de arquitetura de processadores que favorece um conjunto
simples e pequeno de instruções que levam aproximadamente a mesma
quantidade de tempo para serem executadas.
• Uma Instrução por Ciclo de Máquina: todas as instruções são executadas
em um único ciclo, fazendo com que o processador execute várias instruções
ao mesmo tempo, tornando o processamento muito mais rápido, isto é
possível, devido a um tipo de tecnologia chamada de Pipeline.