José Alexandre de França Disciplina de Microprocessadores Curso de Engenharia Elétrica

122 Pages·2001·1.41 MB·Portuguese

Curso de Engenharia Elétrica - UEL

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Londrina, 22 de outubro de 2001
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2 Universidade Estadual de Londrina – Professor José Alexandre de França - http://www.josealexandre.rg3.net/
Índice Geral
CAPÍTULO 1 - VISÃO GERAL................................................................................................8
1.1 Um Pouco de História.............................................................................8
1.2 Componentes do Sistema.........................................................................10
1.3 Execução de Instruções..........................................................................13
1.4 Mais um Pouco Sobre a Arquitetura de von Neumann.........................................14
1.5 Microprocessadores e a Memória Principal.....................................................15
1.5.1. Ordem dos Bytes............................................................................................................................................15
1.6 Controladores de Dispositivos ...................................................................16
1.7 Compartilhando as Informações.................................................................18
1.7.1. Pinagem e Encapsulamento............................................................................................................................18
1.8 Comentários.......................................................................................20
CAPÍTULO 2 - MICROPROGRAMAÇÃO.............................................................................21
2.1 Um Exemplo de Microarquitetura ...............................................................21
2.1.1. Componentes Básicos.....................................................................................................................................22
2.1.1.1. ALU e Deslocador.................................................................................................................................22
2.1.1.2. Relógio (clock)........................................................................................................................................22
2.1.1.3. Memória Principal..................................................................................................................................23
2.1.2. As Vias de Dados............................................................................................................................................24
2.1.3. Microinstruções..............................................................................................................................................26
2.1.4. Temporização de Microinstruções..............................................................................................................27
2.1.5. Seqüenciamento de Microinstruções.........................................................................................................29
2.2 Um Exemplo de Macroarquitetura...............................................................30
2.2.1. Pilhas.................................................................................................................................................................30
2.2.2. O Conjunto de Macroinstruções.............................................................................................................31
2.3 Um Exemplo de Microprograma..................................................................33
2.3.1. A Microlinguagem de Montagem.................................................................................................................33
2.3.2. Um Exemplo de Microprograma..............................................................................................................34
2.3.2.1. 3.3.2.1. Comentários sobre o Microprograma.................................................................................35
2.4 Mais um Pouco Sobre Endereçamento...........................................................36
2.4.1. Endereçamento Imediato.............................................................................................................................36
2.4.2. Endereçamento Direto.............................................................................................................................36
2.4.3. Endereçamento de Registrador..............................................................................................................36
2.4.4. Endereçamento Indireto..........................................................................................................................37
2.4.5. Indexação....................................................................................................................................................38
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2.5 Nossa Macroarquitetura Real................................................................... 38
2.5.1. Conjunto de Registradores..........................................................................................................................38
2.5.2. Pinagem e Sinais de Barramento............................................................................................................40
2.5.3. Modos de Endereçamento.......................................................................................................................40
2.5.3.1. Endereçamento Imediato (IMM)......................................................................................................40
2.5.3.2. Endereçamento Estendido (EXT).......................................................................................................41
2.5.3.3. Endereçamento Direto (DIR)..............................................................................................................41
2.5.3.4. Endereçamento Indexado (IND)........................................................................................................41
2.5.3.5. Endereçamento Inerente (INH)........................................................................................................41
2.5.3.6. Endereçamento Relativo (REL)...........................................................................................................41
2.5.4. Conjunto de Instruções...........................................................................................................................42
2.6 Comentários...................................................................................... 43
CAPÍTULO 3 - ENTRADA E SAÍDA......................................................................................50
3.1 E/S Programada ................................................................................. 50
3.2 Interrupção ...................................................................................... 51
3.2.1. Modo de Operação.........................................................................................................................................52
3.2.1.1. Vetor de Interrupção..........................................................................................................................52
3.2.1.2. Tempo de Latência...............................................................................................................................53
3.2.1.3. Prioridade...............................................................................................................................................54
3.2.1.4. Interrupções Mascaráveis e Não-Mascaráveis..............................................................................55
3.2.2. O Controlador 8259A...............................................................................................................................56
3.2.2.1. Diagrama de Blocos..............................................................................................................................56
3.2.2.2. Seqüência de Interrupção..................................................................................................................57
3.2.2.3. Interfaceamento..................................................................................................................................58
3.2.2.4. Programação...........................................................................................................................................59
3.2.3. Interrupções no 68HC11..........................................................................................................................59
3.2.3.1. O vetor de interrupção.......................................................................................................................59
3.2.3.2. Interrupção IRQ e XIRQ................................................................................................................60
3.2.3.3. Interrupção do Timer Overflow (TOI)............................................................................................61
3.2.3.4. Interrupções na placa EVB.................................................................................................................62
3.2.4. Interrupções no IBM PC AT...................................................................................................................63
3.2.4.1. O Vetor de Interrupção do IBM PC AT..........................................................................................63
3.2.4.2. Trabalhando com Interrupção na Linguagem C..............................................................................64
3.3 E/S via DMA..................................................................................... 67
3.3.1. Como o DMA funciona...................................................................................................................................68
3.3.2. Tipos e modos de transferências...........................................................................................................68
3.3.3. Operação do controlador.........................................................................................................................69
3.3.4. Implementação de DMA no IBM PC e no PC/XT................................................................................69
3.3.5. Implementação de DMA no PC AT.........................................................................................................69
3.3.6. Gerenciando o controlador de DMA......................................................................................................70
3.4 Interface de Comunicação Serial............................................................... 70
3.4.1. Especificações................................................................................................................................................70
3.4.1.1. Características Elétricas....................................................................................................................70
3.4.1.2. Sinais de Controle e Handshake........................................................................................................70

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3.4.1.3. Características Mecânicas..................................................................................................................71
CAPÍTULO 4 - CONVERSORES A/D E D/A.........................................................................72
4.1 Discretização .....................................................................................72
4.2 Teorema da Amostragem ........................................................................72
4.3 Quantização.......................................................................................75
4.4 Codificação........................................................................................77
4.5 Recuperação do Sinal Codificado................................................................78
4.6 Critérios de Performance........................................................................79
4.6.1. Resolução..........................................................................................................................................................79
4.6.2. Velocidade...................................................................................................................................................79
4.6.3. Linearidade..................................................................................................................................................80
4.7 Tipos de Conversores D/A.......................................................................80
4.7.1. Conversor D/A à Resistores Ponderados..................................................................................................80
4.7.2. Conversor D/A à Rede R-2R....................................................................................................................82
4.8 Tipos de Conversores A/D.......................................................................83
4.8.1. Paralelo ou Flash.............................................................................................................................................83
4.8.2. Aproximações Sucessivas........................................................................................................................84
CAPÍTULO 5 - PROJETO DE SISTEMAS MICROCONTROLADOS...................................86
5.1 Principais Componentes de um Sistema Microprocessado......................................86
5.1.1. Memória RAM..................................................................................................................................................86
5.1.2. Memória EPROM.............................................................................................................................................87
5.1.3. Microcontrolador 68HC11.............................................................................................................................88
5.2 Interface entre o 68HC11 com Outros Dispositivos ..........................................88
5.3 Cristal Oscilador .................................................................................94
5.4 RESET.............................................................................................95
5.5 Projetos com o 80C31. ..........................................................................96
3
Índice de Figuras
Figura 1 – Uma pequena fração do ENIAC......................................................................................................................8
Figura 2 - A máquina original de von Neumann..............................................................................................................9
Figura 3 - Diagrama de blocos de um sistema microprocessado.............................................................................11
Figura 4 – Fluxo de dados de uma máquina de von Neumann típica.........................................................................15
Figura 5 – (a) Memória big endian. (b) Memória little endian..................................................................................16
Figura 6 – Esquema de ligação de um dispositivo de E/S e um CPU, através de um controlador de
dispositivo....................................................................................................................................................................17
Figura 7 – Pinagem lógica de um MCU bastante simples (hipotético).....................................................................19
Figura 8 – (a) encapsulamento DIP, (b) encapsulamento PLCC, (c) encapsulamento PGA, (d) encapsulamento
SMD...............................................................................................................................................................................19
Figura 9 – Encaixe de um circuito integrado DIP em seu respectivo soquete....................................................20
Figura 10 –(a) ALU e (b) deslocador utilizados no exemplo.....................................................................................22
Figura 11 – (a) Relógio com 4 saídas em atraso. (b) O diagrama de temporização das saídas.........................23
Figura 12 – Os registradores utilizados para acionar os barramentos de endereço e dados..........................24
Figura 13 – As vias de dados da microarquitetura exemplo....................................................................................25
Figura 14 – O layout e a descrição de alguns dos campos da microinstrução que controla as vias de dados
da Figura 13................................................................................................................................................................27
Figura 15 – O diagrama de blocos completo de nossa microarquitetura exemplo..............................................28
Figura 16 – (a) Uma pilha. (b) A mesma pilha após o armazenamento da constante 5........................................31
Figura 18 – Comparações entre os endereçamentos direto e indireto. (a) Endereçamento direto. (b)
Endereçamento indireto..........................................................................................................................................37
Figura 19 – Conjunto de registradores do 68HC11....................................................................................................39
Figura 20 – Notação utilizada pela Tabela 4...............................................................................................................42
Figura 21 – Esquema de compartilhamento de um pino de IRQ por até oito dispositivos................................53
Figura 22 – Seqüência temporal de um exemplo de múltiplas interrupções. (RSI = Rotina de Serviço de
Interrupção.)..............................................................................................................................................................55
Figura 23 – Diagrama de blocos do 8259A..................................................................................................................56
Figura 24 – Interface padrão do 8259A com o barramento...................................................................................58
Figura 25 – O 8259A utilizado em cascata.................................................................................................................59
Figura 26 – Registrador OPTION..................................................................................................................................61
Figura 27 – Registrador TFLG2.....................................................................................................................................62
Figura 28 – Registrador TMSK2....................................................................................................................................62
Figura 29 - (a) representação de um discretizador, (b) representação gráfica de um discretizador e (c)
sinal analógico (linha contínua) e sinal discreto (pontos grossos) .................................................................73
Figura 30 – (a) sinal analógico f(t), (b) Transformada de Fourier de f(t), F(ω), (c) representação gráfica de
um discretizador de Nyquist, (d) Transformada de Fourier do discretizador de Nyquist, (e) sinal
discreto no tempo e em amplitude e (f) Transformada de Fourier do sinal discreto no tempo e em
amplitude.....................................................................................................................................................................74
Figura 31 – (a) sinal discretizado, f(n), (b) Transformada de Fourier de f(n), (c) gráfico da função sinc, (d)
Transformada de Fourier da função sinc, (e) sinal analógico f(t) e (f) Transformada de f(t)...............75
Figura 32 – Diversos exemplos da Transformada de Fourier de um sinal amostrado a uma freqüência
inferior a de Nyquist................................................................................................................................................76
Figura 33 – Esboço da função de transferência de um filtro passa-baixas real (apenas as componentes de
freqüência positivas)................................................................................................................................................76
Figura 34 – Quantização da temperatura em sete níveis de quantização............................................................77
Figura 35 – Processo de quantização e o erro intrínseco ao processo..................................................................78

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Figura 36 – Processo de quantização e codificação...................................................................................................78
Figura 37 – (a) sinal digitalizado, quantizado e codificado, (b) sinal na saída do conversor D/A e (c) sinal na
saída do filtro "suavizador".....................................................................................................................................79
Figura 38 – Conversão A/D com 4 bits de resolução.................................................................................................80
Figura 39 – Linha reta aparente adquirida com um conversor A/D e o gráfico do desvio dos postos
digitalizados em relação a linha reta real............................................................................................................81
Figura 40 – Característica ideal de um conversor A/D e característica de um A/D com uma linearidade
diferencial pobre (com um código faltando em 120 µs)....................................................................................81
Figura 41 – Conversor D/A à resistores ponderados.................................................................................................82
Figura 42 – (a) Conversor R-2R de 3 bits e (b) conversor R-2R com saída amplificada....................................82
Figura 43 – Diagrama de blocos de um conversor A/D Flash..................................................................................84
Figura 44 - Conversor A/D de 16 bits baseado em dois conversores de 8 bits..................................................84
Figura 45 – Diagrama de blocos de um conversor A/D baseado em aproximações sucessivas........................85
Figura 46 – Pinagem física de uma chip de memória 6264.......................................................................................86
Figura 47 – Gravador para a família de microcontroladores da Microchip..........................................................87
Figura 48 – Pinagem do EPROM 2764...........................................................................................................................88
Figura 49 –(a) Todos os 52 pinos do 68HC11, (b) Os pinos mais importantes quando deseja-se interfacea-lo
com dispositivos externos, e (c) Configuração sugerida para alguns desses pinos.....................................89
Figura 50 – (a) Diagrama de tempo de um ciclo de escrita típico no 68HC11; (b) Diagrama de tempo de um
ciclo de leitura típico no 68HC11............................................................................................................................90
Figura 51 – Barramento de um sistema baseado no 68HC11. O 74HC373 é utilizado para “separar” as linhas
de endereço das linhas de dados............................................................................................................................90
Figura 52 – Interface entre o 68HC11 e uma memória 6264..................................................................................91
Figura 53 - Interface entre o 68HC11 e uma memória 6264. Neste caso, a memória possui endereço base
$0000...........................................................................................................................................................................92
Figura 54 – Interface entre o 68HC11 e uma memória 6264 (base $0000) e uma memória EPROM 2764
($E000)........................................................................................................................................................................92
Figura 55 - Interface entre o 68HC11 e uma memória 6264 (base $4000) e uma memória EPROM 2764
($E000). Neste caso, foi utilizado o 74HC138 para atribuir os endereços base.......................................93
Figura 56 – Mapa de memória do 68HC11....................................................................................................................94
Figura 57 – (a) esquema de ligação do cristal oscilador no 68HC11. (b) sugestão para confecção da placa de
circuito impresso.......................................................................................................................................................95
Figura 58 – Diversas configurações para RESET.......................................................................................................96
Figura 59 – Pinagem do microcontrolador 80C31.......................................................................................................96
Figura 60 – Sistema microprocessado baseado no 80C31........................................................................................96
Figura 61 - Sistema microprocessado baseado no 80C31 com espaços de endereçamentos diferentes para
dados e instruções.....................................................................................................................................................97

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Capítulo 1 - Visão Geral
Índice de Tabelas
Tabela 1 – Exemplos dispositivos de E/S e a maneira de como eles representam as informações.................17
Tabela 2 – O Conjunto de instruções do Mac-1..........................................................................................................32
Tabela 3 – Significado dos bits do registrador CCR.................................................................................................39
Tabela 4 – Conjunto de macroinstruções do 68HC11.................................................................................................44
Tabela 5 – Descrição dos pinos do 8259A...................................................................................................................57
Tabela 6 - Fonte de interrupção, vetor de interrupção e a sua máscara.............................................................60
Tabela 7 – Conteúdo do vetor de interrupção da placa EVB....................................................................................63
Tabela 8 – Canais de interrupção dos dois controladores 8259A do PC AT e suas posições no vetor de
interrupção..................................................................................................................................................................64
Tabela 9 – Descrição de cada uma das posições do vetor de interrupção do PC AT..........................................67

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Curso de Microprocessadores

Capítulo 1 - Visão Geral
1.1 Um Pouco de História1
O estímulo para o computador eletrônico foi a Segunda Guerra Mundial. O exército americano
precisava de tabelas de alcance para calibragem de mira de sua artilharia pesada, e achava que calculá-las
manualmente consumia muito tempo e era sujeito a erros.
John Mauchley, um desconhecido professor de física da Universidade da Pennsylvania, sabia que o
exército estava interessado em calculadoras mecânicas. Da mesma maneira que muitos cientistas da
computação que vieram depois dele, Mauchley apresentou um pedido de auxílio ao exército para
financiamento da construção de um computador eletrônico. A proposta foi aceita em 1943, e Mauchley e
seu aluno de pós-graduação, J. Presper Eckert, construíram um computador eletrônico que eles
denominaram ENIAC (Electronic Numerical, Integrator And Computer, ou seja, Computador e Integrador
Numérico Eletrônico). Ele era constituído de 18.000 válvulas e 1.500 relés. O ENIAC pesava 30 toneladas
e consumia 140 KW de potência. Arquiteturalmente, a máquina possuía 20 registradores, cada um capaz de
armazenar um número decimal de 10 dígitos. Sua programação era feita através de cerca de 6.000 chaves
multiposicionais e da interconexão de um grande número de soquetes através de um verdadeiro
emaranhado de cabos.

Figura 1 – Uma pequena fração do ENIAC.
A máquina só ficou pronta em 1946, quando já era muito tarde para ter qualquer uso em seus
objetivos originais. Entretanto, logo que a guerra acabou, Mauchley e Eckert obtiveram permissão para
organizar um curso de verão para descrever o trabalho deles para seus colegas cientistas. Aquele curso de
verão deu início a uma explosão de interesse na construção de grandes computadores digitais.
Após esse histórico curso de verão, muitos outros pesquisadores começaram a construir
computadores eletrônicos. O primeiro computador operacional foi o EDSAC (1949), construído na
Universidade de Cambridge, na Inglaterra, por Maurice Wilkes. Dentre outros, temos o JOHNIAC, na
Rand Corporation, o ILLIAC, na University of Illinois, o MANIAC, no Los Alamos Laboratory, e o WEIZAC,
no Weizmann Institute, em Israel.
Eckert e Mauchley começaram a construir uma nova máquina, o EDVAC (Electronic Discrete Variable
Automatic Computer, ou seja, Computador Automático Eletrônico de Variáveis Discretas), mas este
projeto foi seriamente afetado quando eles deixaram a Universidade da Pennsylvania para criar uma
companhia, a Eckert-Mauchley Computer Corporation, em Philadelphia (o Vale do Silício não existia ainda).
Após uma série de fusões, esta companhia tornou-se a atual Unisys Corporation.

1 A maior parte desta seção foi retirada do livro Organização Estruturada de Computadores, de Tanenbaun, ed. Prentice/Hall.

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