SISTEMAS EMBARCADOS I UNIDADE 2 – ARQUITETURA MSP430 TURMA: 7º Período DISCIPLINA: Sistemas Embarcados I PROFESSOR: Pedro Pacheco Bacheti

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1 SISTEMAS EMBARCADOS I UNIDADE 2 – ARQUITETURA MSP430 TURMA: 7º Período DISCIPLINA: Sistemas Embarcados I PROFESSOR: Pedro Pacheco Bacheti pedro.exercicios@gmail.com www.sites.google.com/site/professorengpedro Serra (ES), Agosto de 2014.

2 CARACTERÍSTICAS GERAIS ________________________________________________________________________________  Baixo consumo Os MSP430 são chips conhecidos pelo seu consumo incrivelmente baixo (da ordem de uA para retenção dos dados na RAM, 0,8uA para funcionamento no modo de relógio de tempo real e cerca de 250 uA/MIPS em funcionamento normal). O baixo consumo é obtido graças aos diversos modos de funcionamento da CPU, conforme veremos mais adiante.  Baixa tensão de operação Os MSP430 podem operar com tensões a partir de 1,8V até 3,6 Volts (a tensão mínima para programação da FLASH é 2,2V para os dispositivos da família 2xx e 2,7V para os demais). SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

3 CARACTERÍSTICAS GERAIS ________________________________________________________________________________  Alta performance Utilizando um barramento de dados de 16 bits (ao contrário da grande maioria dos seus competidores diretos, que são chips de 8 bits), diversos modos de endereçamento e um conjunto de instruções pequeno, mas muitíssimo poderoso, os MSP430 permitem realizar tarefas complexas com um código bastante pequeno e rápido.  Conjunto de instruções ortogonais A disponibilidade de qualquer modo de endereçamento para qualquer instrução e qualquer operando permite que se escrevam códigos pequenos e eficientes, facilitando a tarefa dos compiladores de linguagens de alto nível como a linguagem C. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

4 CARACTERÍSTICAS GERAIS ________________________________________________________________________________  Número reduzido de instruções - arquitetura RISC com apenas 27 instruções físicas (op-codes) e mais 24 instruções emuladas (variações das 27 instruções que utilizam os geradores de constantes), resultando um conjunto de 51 instruções.  Grande quantidade de periféricos - os chips MSP430 contam com um conjunto bastante extenso de periféricos internos, com uma ênfase especial para os conversores AD de até 16 bits, conversores DA, comparador analógico, amplificador operacional programável, controladores de DMA, timers com diversos modos de funcionamento (incluindo PWM), controlador de LCD, USARTs com capacidade de endereçamento, multiplicador por hardware com capacidade de executar operações de multiplicação e acúmulo, etc. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

5 CPU ________________________________________________________________________________ Os microcontroladores MSP430 possuem um design simples e ao mesmo tempo poderoso mesmo sendo na arquitetura RISC. Em primeiro lugar, é importante saber que a CPU desses chips possui três barramentos distintos (endereços, dados e controle), sendo os dois primeiros de 16 bits. Uma vez que o barramento de endereços possui largura de 16 bits, significa que podemos acessar até 65.536 posições de memória. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

6 CPU ________________________________________________________________________________ Já com relação ao barramento de dados, a largura de 16 bits significa que a CPU pode processar informações em lotes de 16 bits (a maioria dos concorrentes diretos dos MSP430 são chips de 8 bits). Isso facilita muito o trabalho do programador, pois muitas aplicações atuais trabalham com dados de 16 ou mais bits. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

7 CPU ________________________________________________________________________________ Além disso, a CPU possui também 16 registradores internos (todos de 16 bits), nomeados de R0 a R15. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

8 ORGANIZAÇÃO DA MEMÓRIA ________________________________________________________________________________ SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

9 CPU ________________________________________________________________________________ Os quatro primeiros registradores possuem finalidades dedicadas (especificadas pelo fabricante) e via de regra não podem ser utilizados para outros propósitos. Os demais registradores (R4 a R15) podem ser utilizados para propósitos gerais (como o armazenamento de variáveis do usuário, apontadores, etc.). Repare que os MSP430 não possuem um registrador acumulador específico: qualquer um dos 16 registradores da CPU pode funcionar como fonte ou destino de uma operação. Além disso, qualquer dos registradores da CPU e qualquer endereço da memória pode funcionar como fonte e/ou destino para uma operação. Isso garante uma enorme flexibilidade na escrita de programas. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

10 CPU ________________________________________________________________________________ Os MSP430 permitem ainda que se realizem operações envolvendo operandos de 8 ou 16 bits. Numa operação de escrita de 8 bits, tendo um registrador da CPU como destino, o byte mais significativo do registrador é preenchido com o valor zero, ao passo que numa operação de leitura de 8 bits, tendo um registrador da CPU como fonte, somente os 8 bits menos significativos são considerados. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

11 CPU ________________________________________________________________________________ SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

12 CPU ________________________________________________________________________________ O MSP430, apesar de ter uma arquitetura do tipo von-Neumann, trabalha com um set de instruções reduzido (RISC). São apenas 27 instruções físicas (core instructions). Com o uso dos registradores que geram constantes (R2 e R3) é possível emular mais 24 instruções, totalizando 51 instruções. Basicamente as instruções são de três tipos: Dual-operand: dois operandos  fonte e destino; Single-operand: apenas um operando, que pode ser uma fonte ou um destino; Jump: instruções de salto no programa. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

13 MODOS DE OPERAÇÃO ________________________________________________________________________________ A arquitetura dos MSP430 disponibiliza diversos modos de funcionamento que permitem um controle bastante preciso do consumo de corrente pelo chip. Existem ao todo seis modos de operação disponíveis, controlados de acordo com o estado dos bits CPUOFF, OSCOFF, SCGOe SCG1 do registrador SR. A transição do modo normal para um dos modos de baixo consumo (LPM) é feita simplesmente setando/ressetando os bits supracitados do registrador SR. O modo selecionado é ativado logo após a operação de escrita no registrador SR. Uma vez que o chip tenha entrado em um dos modos de baixo consumo (LPMO a LPM4), a CPU vai parar a execução do programa, no entanto o estado dos registradores, pinos de E/S e conteúdo da memória RAM são preservados. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

14 MODOS DE OPERAÇÃO ________________________________________________________________________________ A ocorrência de uma interrupção que esteja internamente habilitada fará com que o chip saia do modo de baixo consumo, retornando ao modo de funcionamento normal. A sequência desencadeada dentro do chip é a seguinte: primeiramente ocorre o salvamento automático dos registradores PC e SR na pilha. Em seguida, os bits CPUOFF, OSCOFF e SCG1 (registrador SR) são automaticamente zerados, fazendo com que a CPU seja ativada no modo normal. Observe que, ao término da RTI (Rotina de Tratamento de Interrupção), o conteúdo dos registradores PC e SR é automaticamente restaurado da pilha, fazendo com que a CPU retorne ao modo em que se encontrava antes da interrupção. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

15 MODOS DE OPERAÇÃO ________________________________________________________________________________ SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

16 EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO ________________________________________________________________________________ 1)Quantos registradores estão presentes na CPU do micrcontrolador de MSP430G2553? 2)Explique o processo de escrita e leitura envolvendo registradores de 16 bits e operandos de 8 bits. 3)Cite pelo menos 03 periféricos presentes nos microcontroladores da família MPS430. 4)Qual é a estratégia adotada pela família MSP430 para a redução de consumo de energia? SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

17 NOMENCLATURA DOS MODELOS ________________________________________________________________________________ A linha MSP430 é composta de diversos membros divididos em famílias, de acordo com parâmetros como o tipo de memória de programa e aplicação. MSP430x1xx - dispositivos dotados de memória de programa PROM ou ROM (MSP430C1xx) ou FLASH (MSP430F1xx). São dispositivos de uso geral, dotados de uma grande variedade de periféricos. MSP430x2xx - a família 2xx, baseadas na família 1xx, com velocidades de até 16MIPS, menor consumo e novos periféricos. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

18 NOMENCLATURA DOS MODELOS ________________________________________________________________________________ MSP430C3xx - são chips dotados de memória de programa do tipo PROM ou ROM e incluem periféricos básicos, além de um controlador de LCD interno. Esta foi a primeira família MSP disponível e sua principal aplicação é em equipamentos de medição. MSP430x4xx - dispositivos dotados de memória de programa PROM ou ROM (MSP430C4xx) ou FLASH (MSP430F4xx). São chips voltados principalmente para o mercado de medidores, pois incluem uma grande quantidade de periféricos, além de um controlador de LCD interno. MSP430xSxx - a família 5xx, maior velocidade da CPU para até 25MIPS, além de maior quantidade de memória e novos periféricos. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

19 NOMENCLATURA DOS MODELOS ________________________________________________________________________________ SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

20 ENCAPSULAMENTOS ________________________________________________________________________________ SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

21 PINAGEM ________________________________________________________________________________ SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

22 LAUCHPAD MSP430 – G2553 ________________________________________________________________________________ SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430 MSP430G2553

23 LAUCHPAD MSP430 – G2553 ________________________________________________________________________________ SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430

24 REFERÊNCIAS ________________________________________________________________________________ - PEREIRA, FÁBIO. Microcontroladores Família MSP430, 1 ed. São Paulo: Érica, 2005. SISTEMAS EMBARCADOS I – ARQUITETURA MSP430