AULA3 – Introdução a Microcontrolador

Apresentação em tema: "AULA3 – Introdução a Microcontrolador"— Transcrição da apresentação:

1 AULA3 – Introdução a Microcontrolador
Disciplina: Aplicações Avançadas de Microprocessadores (AAM) Profa. Ana T. Y. Watanabe

2 AULA3 – Introdução a Microcontrolador
“Se algum de vocês tem falta de sabedoria, peça-a a Deus, que a todos dá livremente, de boa vontade; e lhe será concedida. “ Tiago 1:5 Profa. Ana T. Y. Watanabe

3 Tópicos: Microcontroladores - Evolução Principais características dos
Fabricantes de Microcontroladores HC08/HCS08 (Mapa de Memória) MCMC9S08QG/MC9S08JM60/MC9S08JM128 (Mapa de memória) e Perguntas

4 MICROCONTROLADORES - Evolução
Na década de 70 surgiram os primeiros microcomputadores encapsulados num chip, que mais tarde seria chamado de microcontroladores. Empresas como a Freescale (HCS08), ATMEL(AVR), Intel(8051), Microchip (PICs), National (COP8), Zilog (Z8), entre outros, têm uma forte concorrência na inovação e na produção em dispositivos microcontrolados. A competição ocorre em questões como a capacidade de migração bit, velocidade, variedade de periféricos de baixo consumo, entre outros.

5 MICROCONTROLADORES - Evolução
Capacidade em bits Os microcontroladores cresceram ao lado dos microprocessadores e, assim, têm sido desenvolvidos em 8, 16 e até 32 bits.

6 MICROCONTROLADORES - Evolução
Tecnologia de programação Inicialmente, o programa era gravado em ROM pelo fabricante. Havia a desvantagem no grande volume de produção para justificar a sua produção a partir do ponto de vista econômico. Depois tem as versões em OTP (One Time Programmable) de muito baixo custo, e a programação é feita pelo usuário, mas também só pode ser feito uma vez.

7 MICROCONTROLADORES - Evolução
Tecnologia de programação Surgiu depois uma programação alternativa em EPROM. A grande desvantagem é o apagamento dos dados nas lâmpadas de luz UV; A tecnologia acima é reforçada pela EEPROM, que permite a gravação e apagamento dados eletricamente, mas à custa da velocidade de processamento. Finalmente, temos a tecnologia Flash com baixo custo, velocidade e facilidade de manuseio na programação. A vantagem de ser possível reprogramar milhares de vezes (até mais do que a EEPROM).

8 MICROCONTROLADORES - Evolução
Velocidade Ao contrário de microprocessadores, o objetivo fundamental de um microcontrolador não é executar as operações em velocidades de centenas de MHz. O interessante é a de executar as operações na velocidade máxima com o mais baixo consumo de energia a um custo razoável.

9 MICROCONTROLADORES - Evolução
Memória Como o código é o fator determinante no desenvolvimento do microcontrolador, a quantidade de memória disponível se torna um fator importante na escolha da máquina. Normalmente os sistemas suportados por um microcontrolador não exigem grandes quantidades de memória para código e dados (FLASH-RAM). Para código até 1MB e para dados até 128KB.

10 MICROCONTROLADORES - Evolução
Periféricos Os microcontroladores normalmente são classificados em famílias, dependendo da aplicação a que se destinam. A partir da aplicação que a família de microcontroladores se destina, um conjunto de periféricos específicos é escolhido e integrado a um determinado microprocessador.

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Periféricos Temporizadores (PWM, OUTPUT COMPARE, INPUT CAPTURE) Conversor Analógico/Digital Entradas/saídas de propósito geral Relógio de Tempo Real Sistema de proteção de fluxo de programa (WDT, COP) Porta de Comunicação Assíncrona (UART, CAN) Porta de Comunicação Síncrona (IIC, SPI) Universal Serial Bus (USB) Porta de Depuração (BDM – Background Debug Mode: ferramenta para depuração e programação da interface para Freescale, JTAG - Joint Test Access Group: interface de programação e teste de circuitos digitais)

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Periféricos especiais(não p/ V1) Controladores Ethernet; Geração criptográfica; Geração de números aleatórios ou geração e verificação de código de redundância cíclica O CRC é calculado e anexado à informação a transmitir (ou armazenar) e verificada após a recepção ou acesso, para confirmar se não ocorreram alterações; Tratamento de aritmética (ponto flutuante);

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Linguagem de programação As línguas mais populares para programação de microcontroladores são: Assembly: É a linguagem nativa que tem uma abordagem direta ao seu núcleo. É muito importante conhecer mesmo com o melhor compilador em outras linguagens, pois possibilita desenvolver códigos com melhor eficiência, ou seja, mais rápido, melhor utilização dos recursos e menor consumo de memória.

14 MICROCONTROLADORES - Evolução
Linguagem de programação C / C + +: Por excelência, é a linguagem da engenharia por causa de sua estrutura, portabilidade e reutilização de recursos de processamento. Os compiladores dessa linguagem estão cada vez mais otimizadas.

15 MICROCONTROLADORES - Evolução
Linguagem de programação Felizmente, muitos aplicativos permitem a mistura de da linguagem assembly e outras linguagens de alto nível, dando ao usuário a possibilidade de código otimizado.

16 MICROCONTROLADORES - Evolução
Os compiladores de várias linguagens de alto nível fazem a compilação dos programas em duas etapas, na primeira transformando o código fonte em código Assembly e em seguida gerando o binário com a ajuda de um Assembler. Montador Assembler. Este é o programa que transforma o código escrito na linguagem Assembly em linguagem de máquina, substituindo as instruções, variáveis pelos códigos binários e endereços de memória correspondentes.

17 MICROCONTROLADORES - Evolução
O FUTURO A evolução dos microcontroladores é ligada à evolução dos microprocessadores: velocidade de execução, baixo consumo de energia, um elevado grau de miniaturização, aumento da capacidade de manipulação de dados e a capacidade de dispositivos de memória e periféricos. O futuro prevê uma migração acelerada de máquinas de 8 e 16 bits para 32-bits e superior. O fator preponderante é o fenômeno de mercado, o que provoca a queda de preço da capacidade em bits.

18 Principais características dos Microcontroladores:
Memória e periféricos integrados no chip Bus de endereços estreito só permitindo o gerenciamento de pequena quantidade de memória Tratamento de poucos formatos de dados (tipicamente 8 ou 16 bits) Ausência de co-processador e com unidade aritmética e lógica limitada Limitados modos de endereçamento (tratamento ineficiente de funções de linguagens de alto nível) Baixo custo Baixo consumo Pequena área de silício

19 O PIC (Microchip) e o MSP430 (Texas Instruments), AVR(Atmel).
MICROCONTROLADORES - Arquitetura: Alguns exemplos de microcontroladores que utilizam microprocessadores com arquitetura RISC: O PIC (Microchip) e o MSP430 (Texas Instruments), AVR(Atmel). arquitetura CISC: MC68HC08 e HCS08 (Freescale) e o (Intel).

20 Fabricantes de Microcontroladores:
Microchip Atmel Freescale (NXP Semic. 2015)

21 Fabricantes de Microcontroladores: MICROCHIP
Aplicações: Tem se destacado no mercado de microcontroladores, pois oferece uma gama muito grande destes. Existem microcontroladores para pequenos, médios e grandes projetos com aproveitamento tanto pela indústria quanto pelo hobbista e estudante. Isso atraiu a atenção de desenvolvedores que criaram muitos dispositivos como gravadores e emuladores para o microcontrolador.

22 Arquitetura Harvard RISC Possui 35 instruções
Fabricantes de Microcontroladores:Microchip Arquitetura Harvard RISC Possui 35 instruções Barramento de dados separados para memória de dados e memória de programa.

23 Vantagens: portabilidade: maior velocidade no desenvolvimento;
Fabricantes de Microcontroladores:Microchip Compilador “C” Vantagens: portabilidade: maior velocidade no desenvolvimento; maior aproveitamento de rotinas e subrotinas específicas (bibliotecas próprias) gerando maior agilidade no desenvolvimento do trabalho (homem/hora);

24 Fabricantes de Microcontroladores:Microchip Compilador “C”
Desvantagens: A maioria dos compiladores para linha Microchip devem ser registrados, ou seja, não são distribuídos gratuitamente;

25 Fabricantes de Microcontroladores: Atmega (AVR)
Microcontrolador RISC Arquitetura Harvard Licença Atmel ( Projetado para atender aplicações específicas Operação com consumo bastante reduzido de energia Uma instrução por ciclo para maioria das instruções (pipeline) Operações registrador-registrador Projetado para implementar soluções “single chip”

26 Fabricantes de Microcontroladores: Atmega (AVR)
Core RISC com ~100 instruções Velocidades de clock modestas (4-16 MHz) Barramento de 8 bits 32 registradores de uso geral de 8 bits Flash programável in-circuit Pequena quantidade de EEPROM e SRAM Diversos periféricos embarcados (UART, SPI, ADC, PWM, WDT)

27 Fabricantes de Microcontroladores:Freescale (NXP Semic.)
Aplicações: A Freescale Semicondutores é líder global em design e manufatura de semicondutores para os mercados automotivo (sistema de luz, sistema eletrônico, sistema de controle de combustível, sistema de suspensão, F1- Ferrari, etc.), de bens de consumo, industrial, de rede e de comunicação sem fio. Foi comprada em 2015 pela NXP da Holanda. E quase a NXP foi comprada pela Qualcomm, mas não ocorrreu!

28 Arquitetura do HC08/HCS08 As CPUs HCS08 são aprimoramentos das da familia HC08, portanto como o 68000, os microcontroladores HCS08 se baseiam na arquitetura Von Neumann (programa armazenado em memória junto com os dados), com um conjunto de instruções CISC (instruções complexas e especializadas).

29 HC08/HCS08 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO HC08:
Frequência de Barramento: até 8MHz; 64kBytes de endereços de memória para programa (até 4096 bytes) , dados (128 bytes) e periféricos; Modo de baixo consumo Stop e Wait; Registrador de 16 bits para SP e HX;

30 HC08/HCS08 16 modos de endereçamento;
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO HC08: 16 modos de endereçamento; Instrução rápida Multiplicação (8 bits) e Divisão (16 por 8 bits); 4 canais A/D de 8 bits;

31 HC08/HCS08 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO HCS08:
Frequência de Barramento: até 20MHz; São até 2,5 vezes mais rápidos que os HC08; 64kBytes de endereços de memória para programa (até 8112 bytes) , dados (512 bytes) e periféricos; Modo de baixo consumo: Além do Wait, tem- se Stop1(até 20nA), Stop2 e Stop3;

32 HC08/HCS08 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO HCS08: Além dos 16 modos de endereçamento (novos modos de endereçamento para: CPHX, LDHX, STHX) => privilegia o uso de compilador C; 8 canais A/D de 8 e 10 bits;

33 HC08/HCS08 Interrupção de tempo real (RTI);
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO HCS08: Interrupção de tempo real (RTI); Contador/Temporizador de 8 e 16 bits; Comunicação Serial Assincrona: SCI Comunicação Serial Síncrono (mestre/escravo): SPI => memória e conversores A/D; Comunicação Serial IIC (mestre/escravo) => Memórias, relógios de tempo real, etc;

34 HC08/HCS08 (Diagrama de Blocos)

35 HC08/HCS08 Característica HC08 HCS08 pinagem 8/16 pinos 8/16/28 DIP
Até 64 LQFP Tensão de operação 3 ou 5V 1,8 à 3,6V A/D 4 canais 8bits 8 canais 10 bits Interrupção de Tempo Real 1 módulo (relógio) Baixo consumo 2 Modos 5 Modos Frequência 8MHz (5V) 4MHz (3V) Até 40MHz Corrente de saída 15 a 25mA 2 a 10mA

36 HC08/HCS08 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO HCS08:

37 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO JM60:

38 Descrição do HCS08/JM60 Compatível com as famílias anteriores de 8 bits; O modelo de programação conserva a estrutura das primeiras famílias de microcontroladores de 8 bits. O núcleo da CPU possui possui 5 registradores especiais: Acumulador (A) de 8 bits; Contador de programa (PC) de 16 bits; Registrador de Índice(H:X) de 16 bits; Apontador de Pilha(SP) de 16 bits; Registrador de Condição do processador(CCR) de 8 bits.

39 Descrição do JM60 • Direct-page registers (0x0000 through 0x00AF) Estes registradores estão localizados nas primeiras 176 posições do mapa de memória, portanto são acessados com instruções de modo direto. • High-page registers (0x1800 through 0x185F) Os registradores de alta de página são usados com muito menos frequência (estão localizados acima 0x1800 no mapa de memória).Os registradores e variáveis mais usados ficam no espaço da página direta.

40 Descrição do JM60 Distribuição de módulos do microcontrolador HCS família JM60

41 Descrição do JM60 Distribuição de módulos do microcontrolador HCS família JM60

42 Família de Microcontroladores 32-bit ColdFire ® V1
ColdFire: Microprocessador que deriva da arquitetura da família Motorola

43 Conceito Flexis Freescale se tornou a primeira empresa que desenvolveu máquinas de 8 bits que podem migrar para máquinas de 32 bits. Tem a filosofia de consumir a menor quantidade de tempo, energia e desenvolvimento mais curto. Tudo emoldurado na estratégia denominada Controller Continuum.

44 Conceito Flexis A estratégia Controller Continuum visa a gradual migração da 8 bits para arquiteturas mais poderosas ColdFire ®, assim versões do V2 a V4. A  versão  V1 pode ser chamado de "elo perdido", o que não é tão poderoso quanto versões posteriores, mas permite a migração gradual para máquinas mais complexas.

45 Conceito Flexis As aplicações nesta família podem migrar, com algumas modificações da família ColdFire V1 ® de 32 bits para HCS08 e vice-versa.  A coisa interessante da migração, é o poder de expansão que podem ter projetos em 8 bits para arquiteturas de 32 bits num custo muito reduzido.  Nas migrações são considerados três aspectos: o esquema de utilização dos módulos, o mecanismo de interrupção, a  distribuição de E/S, o mecanismo do relógio, entre outros.

46 JM60/JM128 Mapa de Memória

47 Tabela Flexis JM60/128

48 Tabela Flexis JM60/128

49 Tabela Flexis JM60/128

50 Perguntas: 1) Quais são os recursos de microcontroladores discutidos neste texto? 2) Por que é importante o conceito de microcontrolador de baixo consumo? 3) Qual é a razão para a baixa quantidade de memória implementada em um microcontrolador? 4) Cite três periféricos de microcontroladores. 5) Por que a linguagem C é muito utilizada em programação de microcontroladores? 6) Cite uma razão para migrar para máquinas de maior número de bits. Cite algumas diferenças do microcontrolador HC08 e HCS08? E entre HCS08 e JM60? Em que memórias são alocadas os dados e as instruções? Para que serve a estratégia Controller Continuum?