5 - Componentes do Microcontrolador

Mapa mental do conteúdo da aula sobre os componentes dos microcontroladores para o curso de engenharia elétrica da faculdade Metropolitana de Porto Velho, ministrada pelo professor Autran (www.profautran.com.br)

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5 - Componentes do Microcontrolador por Mind Map: 5 - Componentes do Microcontrolador

1. Composição

1.1. Imagem

2. CPU

2.1. Imagem

2.2. Definição

2.2.1. A CPU é responsável pela inteligência da máquina, ou seja, é ela que tem a capacidade de tomar decisões (ações) no sistema micro computadorizado, por meio da execução de um programa.

2.2.2. É ela que executa o programa armazenado na memória do microcomputador, que foi projetado por um programador.

2.3. Funções

2.3.1. Leitura (busca) e interpretação do programa alocado na memória, instrução por instrução

2.3.2. Execução do programa, instrução por instrução

2.4. Funcionamento

2.4.1. Esquema de Funcionamento

2.5. Unidade Lógico Aritmética

2.5.1. Como todo sistema, um sistema micro processado constantemente recebe dados e realiza um conjunto de operações sobre eles. Estas operações podem ser operações lógicas (deslocamentos, operações booleanas, etc.) ou aritméticas (somar, multiplicar, etc.)

2.5.2. é um dispositivo digital que recebe dois operandos e realiza uma operação (escolhida dentre um conjunto de possíveis) entre eles.

2.6. Registradores

2.6.1. Definição

2.6.1.1. Os operandos recebidos pela ALU devem vir de algum lugar. Da mesma forma, o resultado da operação deve também ser armazenado em algum lugar.

2.6.1.2. Este “lugar” é um conjunto de registradores.

2.6.1.3. os registradores provêm operandos para a ALU e podem armazenar o resultado da operação.

2.6.2. Tipos

2.6.2.1. Registradores visíveis ao usuário

2.6.2.1.1. Registrador de Proposito Geral

2.6.2.1.2. Registrador de Dados

2.6.2.1.3. Registrador de Endereços

2.6.2.1.4. Registrador de Condição

2.6.2.1.5. Registrador de Configuração

2.6.2.1.6. Acumulador

2.6.2.2. Registradores de controle e de estado

2.6.2.2.1. Contador de Programa

2.6.2.2.2. Registrador de Instrução

2.6.2.2.3. Registrador de Endereçamento à memória - MAR

2.6.2.2.4. Registrador de armazenamento temporário de dados - MBR

2.7. Unidade de Controle

2.7.1. Garante que os componentes do sistema estejam trabalhando em harmonia e em perfeito sincronismo

2.7.2. Funções

2.7.2.1. controlar todos os outros

2.7.2.2. sincronizar as operações

2.7.2.3. tomar decisões baseadas em seus resultados

3. Memoria Principal

3.1. Imagem

3.2. Definições

3.2.1. para armazenar as instruções que definirão as operações realizadas pela ALU

3.2.2. estas instruções são utilizadas durante todo o tempo no qual o sistema estiver ativo

3.2.3. capacidade de armazenamento muito maior que os registradores

3.2.4. podemos necessitar armazenar mais operandos que nossos registradores permitem

3.2.5. Por isto, a memória principal também é utilizada para armazenar dados

3.3. Memória de Armazenamento de Programa

3.3.1. armazena o programa que definirá as tarefas que o microcontrolador / CPU deve executar

3.3.2. O microcontrolador não funcionará se não existir um programa armazenado em sua memória de programa

3.3.3. Esse programa não pode ser perdido na ausência de energia elétrica

3.3.4. o tipo de memória em que esse programa deve ser armazenado é a memória não volátil (ROM)

3.4. Memória de Armazenamento de Informações

3.4.1. Armazena informações definidas pelo mundo externo por meio de chaves, sensores, teclados etc.,

3.4.2. Essa memória deve permitir a escrita e a leitura de informações (RAM).

3.5. Tipos de Memória

3.5.1. RAM

3.5.1.1. O processador pode ler e escrever

3.5.1.2. Perde os dados sem alimentação

3.5.2. ROM

3.5.2.1. Memória somente de leitura

3.5.2.2. Gravada uma única vez na fábrica

3.5.3. PROM

3.5.3.1. Memória somente de leitura

3.5.3.2. Gravadas 1 vez por gravador PROM

3.5.4. EPROM

3.5.4.1. Memória somente de leitura

3.5.4.2. Memória apagável por luz ultravioleta

3.5.4.3. Pode ser gravada n vezes por gravador EPROM, em que não é definido pelo fabricante

3.5.5. EEPROM

3.5.5.1. Memória somente de leitura

3.5.5.2. Memória apagável por luz ultravioleta e por tensão elétrica (15 a 30V)

3.5.5.3. Pode ser gravada n vezes por gravador EEPROM, em que não é definido pelo fabricante

3.5.6. EEPROM Flash

3.5.6.1. MCU conseguem escrever nesta memória ao longo da execução do programa

4. Dispositivos de Entrada e Saída

4.1. Imagem

4.2. Definição

4.2.1. fonte externa que prove dados ao sistema

4.2.2. apresenta um resultado ao mundo exterior

4.2.3. conversores A/D e D/A, teclado (keypad), visores de cristal líquido, push-button, porta serial, PIO, etc.

4.3. Entrada

4.3.1. detectam a tensão presente externamente no pino correspondente

4.3.2. Quando abaixo de determinado valor de tensão, o nível lógico lido é 0, já se dentro de uma faixa próxima do valor de alimentação, o nível lógico lido é 1.

4.3.3. chaves ou interruptores quando conectados a pinos de entrada podem alterar estados de variáveis dentro do software em execução no microcontrolador

4.4. Saída

4.4.1. Pinos configurados como saídas digitais podem ser comandados por meio do software e ter seu valor de tensão assim alterado

4.4.2. Nível lógico 0 representa valor de tensão nulo, já nível lógico 1 representa valor de tensão de alimentação do circuito.

4.4.3. A saída digital dos microcontroladores é a principal interface deste componente com o mundo real, bastando conectar um LED e fazê-lo piscar, ou um pequeno alto-falante para emitir um sinal sonoro.

5. Barramento

5.1. Imagem

5.2. Definição

5.2.1. Interligam Registradores, memórias, operandos, instruções, dispositivos de E/S, todos estes itens que fazem parte do mesmo sistema.

5.2.2. Cada barramento é constituído por um número de vias (trilhas de cobre), nas quais fluem informações em paralelo

5.3. Barramento de Endereços

5.3.1. A CPU utiliza esse barramento para definir os endereços das posições de memória de programa em que ela irá buscar as instruções a serem executadas

5.3.2. para definir os endereços de memória de dados ou dos dispositivos de entrada e saída para a troca de informações

5.3.3. . Esse barramento é unidirecional.

5.4. Barramento de Temporização e Controle

5.4.1. A CPU utiliza esse barramento para definir os sinais de temporização e controle para gerenciar o tempo e a direção do fluxo de informações nas operações de leitura e escrita nos dispositivos

5.4.2. Esse barramento é unidirecional.

5.5. Barramento de Dados

5.5.1. A CPU utiliza esse barramento para receber as informações vindas da memória ou dos dispositivos de entrada e saída

5.5.2. ou então definir as informações para a memória ou para os dispositivos de entrada e saída

5.5.3. Esse barramento é bidirecional

6. Outros Componentes

6.1. Oscilador

6.1.1. É o elemento que gera o “marcapasso” da CPU

6.1.2. permite que o microprocessador realize as suas tarefas internas e externas de maneira sincronizada e com velocidade predeterminada

6.1.3. A unidade de temporização gera sinais em intervalos de tempos regulares

6.2. WatchDog

6.2.1. Tambem chamado de RESET

6.2.2. É o elemento que faz a CPU iniciar suas rotinas internas e realizar também a primeira leitura de instrução no endereço 0000h

6.2.3. contador que está sempre contando, e que o programa sempre o coloca a zero quando é executado corretamente

6.2.4. No caso do programa "travar", o zero não será escrito e o contador, irá fazer o reset do microcontrolador

6.3. Interrupções

6.3.1. São pinos de acesso externo que permitem interromper o microprocessador, que então interrompe suas tarefas atuais e atende aquelas planejadas pela interrupção solicitada

6.4. Conversor AD

6.4.1. os sinais dos periféricos são substancialmente diferentes daqueles que o microcontrolador pode entender

6.4.2. devem ser convertidos num formato que possa ser compreendido pelo microcontrolador.

6.4.3. responsável pela conversão de uma informação de valor analógico para um número binário

6.5. Comunicação Serial

6.5.1. A comunicação serial permite a interligação entre um microcontrolador e um computador, ou outros dispositivos

6.5.2. leitura de dados de sensores, ou interfaces de entrada

6.5.3. acionar motores por meio de comandos oriundos de um computador

6.5.4. Onde se conectam módulos de comunicação sem fio

6.5.4.1. Bluetooth

6.5.4.2. WiFi

6.6. Conjunto de Instruções

6.6.1. Definição

6.6.1.1. Cada instrução é dada por uma sequência de bits

6.6.1.2. Cada processador possui seu próprio conjunto de instruções

6.6.2. CISC

6.6.2.1. Conjunto de instruções complexas

6.6.2.2. Compiladores mais complexos

6.6.2.3. Vantagens

6.6.2.3.1. Apesar do conjunto de instruções ser muito grande, oferece um número maior de instruções(“ferramentas”) ao programador

6.6.2.3.2. Menor quantidade de instruções são necessárias para desenvolver um programa (programas ocupam menos memória)

6.6.3. RISC

6.6.3.1. Conjunto menor de instruções

6.6.3.2. Grande número de registradores de propósito geral.

6.6.3.3. Instruções mais complexas são construídas a partir das mais simples

6.6.3.4. Utiliza Arquitetura Harvard e Pipeline

6.6.3.5. Vantagens

6.6.3.5.1. Etapa de decodificação tão simples que pode, em alguns casos, ser eliminada

6.6.3.5.2. Simplificação dos circuitos eletrônicos.

6.6.4. Considerações

6.6.4.1. Uma única instrução CISC pode equivaler a várias instruções RISC

6.6.4.2. Uma instrução CISC precisa realizar passos semelhantes aos realizados pelas RISC

6.6.4.3. CISC minimiza o número de acessos a memória de programa

6.6.4.4. RISC simplifica a decodificação de instruções, deixando esta etapa mais rápida

6.6.5. Comparativo

6.6.5.1. Risc X Cisc

7. Funcionamento do Microcontrolador

7.1. Simulação

7.2. A saga

7.3. Pipeline

7.3.1. Sem Pipeline

7.3.1.1. Os processadores eram capazes de processar apenas uma instrução de cada vez

7.3.1.2. Uma instrução simples podia ser executada em apenas um ciclo de clock, enquanto instruções mais complexas demoravam vários ciclos de clock para serem concluídas

7.3.1.3. Seria mais ou menos como montar um carro de maneira artesanal, peça por peça

7.3.2. Com Pipeline

7.3.2.1. inicialmente usada em processadores RISC

7.3.2.2. consiste em dividir o processador em vários estágios distintos.

7.3.2.3. Quando é carregada uma nova instrução, ela primeiramente passa pelo primeiro estágio

7.3.2.4. passando-a adiante para o segundo estágio ou outros estágio se tiver.

7.3.2.5. A vantagem desta técnica, é que o primeiro estágio não precisa ficar esperando a instrução passar por todos os demais para carregar a próxima, e sim carregar uma nova instrução assim que se livra da primeira, ou seja, depois do primeiro pulso de clock.

7.3.2.6. Desta maneira, conseguimos que o processador seja capaz de processar simultaneamente, em um único ciclo de clock, várias instruções que normalmente demorariam vários ciclos para serem processadas.

7.3.2.7. Voltando ao exemplo do carro, seria como se trocássemos a produção artesanal por uma linha de produção, onde cada departamento cuida de uma parte da montagem, permitindo montar vários carros simultaneamente.