eel7030 – microprocessadores prof. eduardo augusto bezerra [email protected]...
TRANSCRIPT
“EEL7030 – Microprocessadores”
Prof. Eduardo Augusto Bezerra
Florianópolis, março de 2010.
Universidade Federal de Santa Catarina
Centro Tecnológico – CTC
Departamento de Engenharia Elétrica
EEL7030 – Microprocessadores 2/143
Links:
http://eduardo.bezerra.name/ http://www.eel.ufsc.br/hari/ http://www.eel.ufsc.br/eel7030/
Microprocessadores
EEL7030 – Microprocessadores 3/143
• Objetivos: – Conhecer a arquitetura de um microprocessador CISC– Conhecer a arquitetura de um microprocessador RISC– Descrever estudo comparativo das arquiteturas RISC e CISC– Estudar e avaliar um estudo de caso de projeto com
microprocessadores
Plano de Aula
“Microprocessadores: arquitetura CISC e RISC”
EEL7030 – Microprocessadores 4/143
Projeto e Implementação de Produtos Tecnológicos Baseados em
Circuitos Eletrônicos
Sem Projeto de Dispositivos
Com Projeto de Dispositivos
Chip SetsSistema digital dedicado, programável
(microcontroladores e/ou DSPs)
Sistemas computacionais programáveis
(e.g. PC)
Dispositivos personalizáveis
(FPGAs e CPLDs)
Dispositivos projetados
e fabricados sob encomenda ASIC
(gate-arrays ou
standard cells)
Aumento de desempenho (maior velocidade e menor potência dissipada), sigilo de projeto, custo de desenvolvimento
Diminuição da complexidade de projeto
Revisão
EEL7030 – Microprocessadores 5/143
RISC e CISC
EEL7030 – Microprocessadores 6/143
Componentes básicos de sistemas computacionais processados:
– CPU– Memória de dados e programa– Sistema de entrada/saída
Microcontroladores são computadores em um único chip
– Os periféricos estão embarcados no mesmo chip da CPU– Algumas características: tamanho e custo reduzidos, alto desempenho com baixo consumo de energia, uso eficiente de espaço no PCB, baixo clock, endereçamento bit-a-bit
Microprocessadores são computadores de propósito geral
– São necessários componentes periféricos, externos, para apoio à execução das aplicações
Microprocessadores
EEL7030 – Microprocessadores 7/143
CISC – “Complex Instruction Set Computer”
• Arquiteturas projetadas para facilitar a programação (assembly), e com acesso eficiente a memória
• Memória cara e lenta representava na época situação ideal para CISC• Exemplos de arquiteturas da época incluem o PDP-11 e o DEC system 10 e
20• Por razões semelhantes, arquiteturas de microprocessadores largamente
utilizados no passado tais como o Intel 80x86 e o Motorola 68K também seguiram a filosofia CISC
• Avanços na tecnologia de software e hardware levaram a uma reavaliação na filosofia CISC, resultando em novas arquiteturas híbridas implementando princípios RISC
• CISC foi desenvolvido para facilitar o desenvolvimento de compiladores. Por exemplo, o compilador não precisa gerar longas seqüências de instruções para calcular uma raiz quadrada, uma vez que existe no hardware das arquiteturas CISC instruções com essa funcionalidade.
EEL7030 – Microprocessadores 8/143
CISC – “Complex Instruction Set Computer”
• Restrições de projeto/tecnológicas que direcionaram o desenvolvimento da arquitetura CISC (programas em assembly e memória lenta, escassa e cara) resultaram em algumas características marcantes.
• Formato de instruções com dois operandos (fonte, destino). Instruções do tipo Registrador/Registrador, Registrador/Memória e Memória/Registrador.
• Diversos modos de endereçamento a memória, incluindo modos especiais para acesso a arrays indexados.
• Instruções de tamanho variável, de acordo com o modo de endereçamento.
• Instruções que necessitam diversos ciclos de clock.
• O Pentium é um exemplo de arquitetura CISC da atualidade.
EEL7030 – Microprocessadores 9/143
CISC – “Complex Instruction Set Computer”
• Arquiteturas CISC compartilham diversas características.
• Lógica de decodificação de instruções complexa devido a necessidade de
suporte a instruções com vários modos de endereçamento.
• Conjunto reduzido de registradores de uso geral, devido a existência de
instruções que acessam diretamente a memória.
• Área reduzida no chip para lógica de decodificação de instruções, execução e
armazenamento de microcódigo.
• Diversos registradores de uso especial – ponteiros para pilha, manipulação de
interrupções, strings, entre outros.
• Isso facilita o projeto do hardware, porém o conjunto de instruções se torna
mais complexo.
• Registrador de “condição” para armazenar o resultado da última operação
(informando se foi igual a zero, se menor ou igual a, ...).
EEL7030 – Microprocessadores 10/143
CISC – “Complex Instruction Set Computer”
Desvantagens das arquiteturas CISC• Aumento na complexidade do conjunto de instruções e hardware de novas
gerações de processadores, que incluem as gerações anteriores na forma de um subconjunto por questões de compatibilidade binária.
• Devido aos requisitos de memória, arquiteturas CISC tendem a armazenar o máximo possível de instruções, de tamanhos diferentes, evitando qualquer desperdício. Dessa forma, instruções diferentes irão necessitar de número de ciclos de clocks diferentes para execução, reduzindo a velocidade de processamento.
• Instruções “especializadas” não são executadas com frequência suficiente para justificar sua existência. Apenas 20% do total de instruções são utilizadas em um programa.
• A atualização dos flags de condição realizada por diversas instruções representa custo de processamento, e o programador precisa lembrar de verificar esses flags antes que a próxima instrução seja os altere.
EEL7030 – Microprocessadores 11/143
RISC – “Reduced Instruction Set Computer”
• Processadores RISC possuem um número reduzido de instruções, e
altamente otimizadas
• Primeiros projetos RISC foram desenvolvidos pela IBM (IBM 801),
Stanford (MIPS) e Berkeley (RISC 1 e 2) no final dos anos 70 e início
dos anos 80.
• Uma instrução por ciclo: processadores RISC possuem CPI = 1, devido
a otimização das instruções na CPU e também pelo uso de pipeline.
• Pipeline: técnica que possibilita a execução em paralelo de parte (ou
estágios) das instruções.
• Aumento na quantidade de registradores: utilizados, por exemplo, para
evitar acessos seguidos a memória.
EEL7030 – Microprocessadores 12/143
RISC
EEL7030 – Microprocessadores 13/143
RISC – “Reduced Instruction Set Computer”
Processadores CISC:
• Número considerável de instruções
• Instruções complexas e eficientes
• Diversos modos de endereçamento para operações na memória
• Poucos registradores
Processadores RISC possuem características opostas:
• Quantidade reduzida de instruções
• Instruções simples, menos complexas
• Poucas opções de endereçamento a memória, basicamente por meio
de instruções LOAD e STORE
• Quantidade considerável de registradores simétricos, organizados em
uma tabela de registradores
EEL7030 – Microprocessadores 14/143
RISC – “Reduced Instruction Set Computer”
Desvantagens do RISC:
• Comunidade RISC defende que a arquitetura é rápida e econômica,
sendo a escolha ideal para os computadores do futuro
• Porém, ao simplificar o hardware, arquiteturas RISC transferem uma
grande responsabilidade para o software
• Com os avanços tecnológicos, arquiteturas não RISC acabam se
tornado também rápidas e econômicas, vale a pena o esforço a nível
de software imposto pelas arquiteturas RISC?
EEL7030 – Microprocessadores 15/143
• Implementações CISC e RISC vem se tornando cada vez mais similares
• Arquiteturas RISC da atualidade possuem um número de instruções
equivalente as arquiteturas CISC de gerações anteriores
• Com o aumento da velocidade da tecnologia atual, arquiteturas CISC passaram
a executar mais de uma instrução por ciclo, utilizando pipeline
• Com o aumento da densidade de transistores em um chip, arquiteturas RISC
passaram a incorporar instruções mais complexas, semelhantes as CISC
• Com esses avanços tecnológicos, CISC e RISC passaram a possuir diversas
similaridades, e a distinção entre as mesmas deixa de ser tão relevante
• Porém, apesar do aumento no conjunto de instruções, RISC continua
utilizando instruções de um ciclo, com um grande número de registradores.
Além disso, continua utilizando apenas instruções LOAD/STORE para acesso
a memória.
CISC e RISC
EEL7030 – Microprocessadores 16/143
CISC RISC
Ênfase no hardware Ênfase no software
Instruções complexasmulti-ciclo
Instruções simplesde um ciclo (pipeline)
Memória para memória:"LOAD" e "STORE"incorporados nas
instruções
Registrador para registrador:"LOAD" e "STORE"
são instruções independentes
Binários (executáveis) reduzidos, alta taxa de
ciclos por segundo
Binários (executáveis) longos, baixa taxa de ciclos por
segundo
Transistores usados para armazenar instruções
complexas
Transistores utilizados na implementação de
registradores
CISC e RISC
EEL7030 – Microprocessadores 17/143
Equação de desempenho:
Tempo de CPU =segundos
programa
instruções
programa
ciclos
instrução
segundos
ciclo= x x
CISC e RISC
EEL7030 – Microprocessadores 18/143
instrução
Equação de desempenho:
Tempo de CPU =segundos
programa
instruções
programa
ciclos segundos
ciclo= x x
• Arquitetura RISC diminui tempo de execução ao reduzir o número de
ciclos por instrução (instruções simples são decodificadas mais
rapidamente)
CISC e RISC
EEL7030 – Microprocessadores 19/143
programa
Equação de desempenho:
Tempo de CPU =segundos
programa
instruções ciclos
instrução
segundos
ciclo= x x
• Arquitetura RISC diminui tempo de execução ao reduzir o número de
ciclos por instrução (instruções simples são decodificadas mais
rapidamente)
• Arquitetura CISC diminui tempo de execução ao reduzir o número de
instruções em um programa
CISC e RISC
EEL7030 – Microprocessadores 20/143
CISC
mov ax, 10
mov bx, 5
mul bx, ax
RISC
mov ax, 0
mov bx, 10
mov cx, 5
add ax, bx
loop Inicio
Inicio:
CISC:
(2 movs x 1 ciclo) + (1 mul x 30 ciclos) = 32 ciclos
RISC:
(3 movs x 1 ciclo) + (5 adds x 1 ciclo) + (5 loops x 1 ciclo) = 13 ciclos
CISC e RISC
EEL7030 – Microprocessadores 21/143
• Arquitetura Intel IA32 – CISC de sucesso
• Alto volume de fabricação de chips
• Compatibilidade binária com enorme quantidade de
software legado padrão IBM-PC
• Conversão interna CISC para RISC – aumenta eficiência
do pipeline
• Escala suficiente para suportar todo o hardware extra
CISC e RISC
EEL7030 – Microprocessadores 22/143Milhões
Comparação entre CISC (Alpha) e RISC (Pentium Pro) no SPEC
•Pentium Pro converte instruções CISC para RISC, on the fly, gerando uops.
•Para esse tipo de conversão em hardware, e “por instrução”, espera-se um número maior de uops do que o gerado por um compilador.
•Para benchmarks de inteiros e para o spice (menor conteúdo de FP), o número de uops é próximo ao de instruções RISC.
•Em benchmarks FP, RISC gera menos instruções, exceto para ora onde Alpha precisa de diversas instruções para calcular SQRT.
CISC e RISC
EEL7030 – Microprocessadores 23/143
Arquitetura ideal?
• Soluções híbridas– Core RISC com interface CISC
• ISA desejado– Meio termo entre RISC e CISC– Poucas instruções complexas, cuidadosamente
escolhidas e úteis
CISC e RISC
EEL7030 – Microprocessadores 24/143
CISC: Pentium Pro - Arquitetura IA32
EEL7030 – Microprocessadores 25/143
CISC: Pentium Pro
• Diversas instruções complexas, com tamanhos variando de 1 a 15 bytes
• Necessidade de recursos consideráveis de hardware para implementação da lógica de decodificação e execução de instruções
• Uma única instrução pode realizar uma ou mais leituras/escritas na memória e uma ou mais operações na ULA
• Desafio para execução de mais de uma instrução por ciclo em um hardware super-escalar
EEL7030 – Microprocessadores 26/143
CISC: Pentium Pro
• Instruções CISC obtidas da memória (geradas por compilador) são colocadas nas caches L2 e L1 – instruções possuem tamanhos variados
• Arquitetura realiza tradução das instruções CISC contidas em L1, decodificando e transformando em instruções RISC de tamanho fixo (micro-operações ou uOPs)
• As uOPs são colocadas em reservatório com capacidade para armazenar 40 instruções, onde aguardam para entrar no fluxo de execução
• Quando os operandos necessários por uma determinada instrução estiverem disponíveis, e quando a unidade de execução a ser utilizada estiver livre, a instrução é retirada do reservatório e executada – EXECUÇÃO FORA DE ORDEM
• Após execução da uOP, os resultados são escritos nos registradores, na ordem original do fluxo do programa
• Esse processo é descrito a seguir, onde estágios 1 a 14 são operações do reservatório de uOPs, e do estágio 15 em diante uOPs são executadas
EEL7030 – Microprocessadores 27/143
CISC: IA32
TC Nxt IP: “Trace Cache Next Instruction Pointer”Ponteiro do Branch Target Buffer indica a localização
da próxima uOP (já transformada p/ RISC)
EEL7030 – Microprocessadores 28/143
CISC: IA32
TC Fetch: “Trace Cache Fetch”Realiza leitura da uOP RISC na Execution Trace
Cache
EEL7030 – Microprocessadores 29/143
CISC: IA32
Drive: “Atraso nos barramentos”Direciona as uOPs para a unidade de alocação
EEL7030 – Microprocessadores 30/143
CISC: IA32
Alloc: “Allocate”Alocação de recursos necessários para execução da uOP como, por exemplo, buffers para load/store, entre outros
EEL7030 – Microprocessadores 31/143
CISC: IA32
Rename: “Register renaming”Renomeia os registradores locais (EAX, ...)
associando aos registradores de trabalho existentes no hardware (128 no total)
EEL7030 – Microprocessadores 32/143
CISC: IA32
Que: “Write into the uOP Queue”As uOPs são colocadas nas filas, onde permanecem
até que os escalonadores estejam disponíveis
EEL7030 – Microprocessadores 33/143
CISC: IA32
Sch: “Schedule”Escrita nos escalonadores e verificação de dependências.
Procura dependências a serem resolvidas
EEL7030 – Microprocessadores 34/143
CISC: IA32
Disp: “Dispatch”Envio das uOPs para a unidade de execução
apropriada
EEL7030 – Microprocessadores 35/143
CISC: IA32
RF: “Register File”Leitura dos registradores, que contém os operandos das operações pendentes (operandos das ULAs, ...)
EEL7030 – Microprocessadores 36/143
CISC: IA32
Ex: “Execute”Executa as uOPs na unidade apropriada (recurso
alocado)
EEL7030 – Microprocessadores 37/143
CISC: IA32
Flgs: “Flags”Cálculo dos flags (zero, negativo, ...).
Flags normalmente servem de entrada para instruções de desvio.
EEL7030 – Microprocessadores 38/143
CISC: IA32
Br Ck: “Branch Check”Esse estágio compara o resultado obtido (calculado)
para uma operação de desvio, com a predição realizada originalmente
EEL7030 – Microprocessadores 39/143
CISC: IA32
Drive: “Atraso no barramento”Resultado da verificação do desvio (erro ou acerto na
predição) é informado para o início do processo
EEL7030 – Microprocessadores 40/143
CISC: IA32
EEL7030 – Microprocessadores 41/143
MIPS: arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 42/143
MIPS – arquitetura interna
• Instruções simples, todas de 32 bits• Bastante estruturada, sem componentes desnecessários• Apenas três formatos de instrução
• Depende dos compiladores para alcançar desempenho• Auxílio ao compilador sempre que possível
op rs rt rd shamt funct
op rs rt 16 bit address
op 26 bit address
R
I
J
EEL7030 – Microprocessadores 43/143
MIPS – arquitetura interna
• Instruções:bne $t4,$t5,Label
beq $t4,$t5,Label
j Label
• Formatos:
• Endereços de desvio não são de 32 bits
op rs rt 16 bit address
op 26 bit address
I
J
EEL7030 – Microprocessadores 44/143
MIPS – arquitetura internaMIPS operands
Name Example Comments$s0-$s7, $t0-$t9, $zero, Fast locations for data. In MIPS, data must be in registers to perform
32 registers $a0-$a3, $v0-$v1, $gp, arithmetic. MIPS register $zero always equals 0. Register $at is $fp, $sp, $ra, $at reserved for the assembler to handle large constants.
Memory[0], Accessed only by data transfer instructions. MIPS uses byte addresses, so
230 memory Memory[4], ..., sequential words differ by 4. Memory holds data structures, such as arrays,
words Memory[4294967292] and spilled registers, such as those saved on procedure calls.
MIPS assembly language
Category Instruction Example Meaning Commentsadd add $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 + $s3 Three operands; data in registers
Arithmetic subtract sub $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 - $s3 Three operands; data in registers
add immediate addi $s1, $s2, 100 $s1 = $s2 + 100 Used to add constants
load word lw $s1, 100($s2) $s1 = Memory[$s2 + 100] Word from memory to register
store word sw $s1, 100($s2) Memory[$s2 + 100] = $s1 Word from register to memory
Data transfer load byte lb $s1, 100($s2) $s1 = Memory[$s2 + 100] Byte from memory to register
store byte sb $s1, 100($s2) Memory[$s2 + 100] = $s1 Byte from register to memory
load upper immediate lui $s1, 100 $s1 = 100 * 216 Loads constant in upper 16 bits
branch on equal beq $s1, $s2, 25 if ($s1 == $s2) go to PC + 4 + 100
Equal test; PC-relative branch
Conditional
branch on not equal bne $s1, $s2, 25 if ($s1 != $s2) go to PC + 4 + 100
Not equal test; PC-relative
branch set on less than slt $s1, $s2, $s3 if ($s2 < $s3) $s1 = 1; else $s1 = 0
Compare less than; for beq, bne
set less than immediate
slti $s1, $s2, 100 if ($s2 < 100) $s1 = 1; else $s1 = 0
Compare less than constant
jump j 2500 go to 10000 Jump to target address
Uncondi- jump register jr $ra go to $ra For switch, procedure return
tional jump jump and link jal 2500 $ra = PC + 4; go to 10000 For procedure call
EEL7030 – Microprocessadores 45/143
MIPS – Bloco de dados (data path)
Can you find a problem even if there are no dependencies? What instructions can we execute to manifest the problem?
Instructionmemory
Address
4
32
0
Add Addresult
Shiftleft 2
Inst
ruct
ion
IF/ID EX/MEM MEM/WB
Mux
0
1
Add
PC
0Writedata
Mux
1Registers
Readdata 1
Readdata 2
Readregister 1
Readregister 2
16Sign
extend
Writeregister
Writedata
Readdata
1
ALUresult
Mux
ALUZero
ID/EX
Datamemory
Address
EEL7030 – Microprocessadores 46/143
MIPS – Forwarding e Hazard Detection Unit
Unidade de detecção de hazard: parada no pipeline, deixando um nop prosseguir
PCInstruction
memory
Registers
Mux
Mux
Mux
Control
ALU
EX
M
WB
M
WB
WB
ID/EX
EX/MEM
MEM/WB
Datamemory
Mux
Hazarddetection
unit
Forwardingunit
0
Mux
IF/ID
Inst
ruct
ion
ID/EX.MemReadIF
/ID
Wri
te
PC
Wri
te
ID/EX.RegisterRt
IF/ID.RegisterRd
IF/ID.RegisterRt
IF/ID.RegisterRt
IF/ID.RegisterRs
Rt
Rs
Rd
Rt EX/MEM.RegisterRd
MEM/WB.RegisterRd
EEL7030 – Microprocessadores 47/143
MIPS - Flush
PC Instructionmemory
4
Registers
Mux
Mux
Mux
ALU
EX
M
WB
M
WB
WB
ID/EX
0
EX/MEM
MEM/WB
Datamemory
Mux
Hazarddetection
unit
Forwardingunit
IF.Flush
IF/ID
Signextend
Control
Mux
=
Shiftleft 2
Mux
EEL7030 – Microprocessadores 48/143
PIC: arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 49/143
• Fabricante Microchip
• Arquitetura Harvard
• RISC
• Série 16 possui 35 instruções
• Barramento de dados
separados para memória de
dados e memória de programa.
PIC – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 50/143
PIC – arquitetura interna
– Conversor A/D– Serial assíncrona– Serial síncrona– Timers– Memória de dados– Portas (I/O)
– Pilha para chamada de sub-rotinas
– Memória de programa
EEL7030 – Microprocessadores 51/143
PIC – arquitetura interna
– PC de 13 bits
– 4 bancos, cada um com SFR e GPR próprios
– Max 8 calls aninhados
• SFR x GPR
• RAM: 0x0C a 0x4F– 68 registradores (GPR)
– Dados
– Programa• 0x0000 a 0x1FFF• 1k x 14bits
• EEPROM: 0x00 a 0x3F– 64 bytes
EEL7030 – Microprocessadores 52/143
Apenas 35 instruções
PIC – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 53/143
AVR: arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 54/143
AVR – arquitetura interna
• Microcontrolador RISC
• Arquitetura Harvard
• Licença Atmel (http://www.atmel.com)
• Projetado para atender aplicações específicas
• Operação com consumo bastante reduzido de energia
• 118 instruções
• Uma instrução por ciclo para maioria das instruções (pipeline)
• Operações registrador-registrador
• Projetado para implementar soluções “single chip”
EEL7030 – Microprocessadores 55/143
• Core RISC com ~100 instruções
• Velocidades de clock modestas (4-16 MHz)
• Barramento de 8 bits e 32 registradores de uso geral de 8 bits
• Flash programável in-circuit (~1000 ciclos)
• Pequena quantidade de EEPROM e SRAM
• Diversos periféricos embarcados (UART, SPI, ADC, PWM, WDT)
AVR – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 56/143
MemóriaFlash Memory 128 kBEEPROM Data Memory 4096 BSRAM Data Memory 4096 BGeneral Purpose Registers (Accumulators) 32
External data memory interface (64kB) SimMCUClock Frequency 0 - 16 MHzSupply Voltage 4.5 - 5.5 VSleep Modes 6Hardware Multiplier SimI/O Pins 53On Chip Oscillator SimInterrupts 34Interrupts, External pins 8Brown-out Detection SimPower-on Reset SimFully Static Operation SimOn-Chip Debug support via JTAG port SimIEEE 1149.1 (JTAG) Boundary Scan Sim
AVR – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 57/143
Temporizadores / ContadoresTimer/Counters (8-bit) 2Watchdog Timer with On-chip Oscillator SimReal Time Counter SimTimer/Counters (16-bit) 2Pulse Width Modulator 6+2 chEntrada / saída analógicaAnalog Comparator SimAnalog-to-Digital Converter (10-bit) 8 chAnalog Gain Stage 2 chModos de programaçãoIn-System Programming via SPI Port SimHigh Voltage Parallel Programming (12V) Sim
Self-Programming via on-chip Boot Program SimIn-System Programming via JTAG port SimEntrada / saída serialFull Duplex Serial Peripheral Interface (SPI) Sim2-wire Serial Interface (I2C compatible) SimFull Duplex USART 2
AVR – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 58/143
AVR ATMega 128 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 59/143
Pinagem:
• pinos compartilhados
• uso de latches e mux
AVR ATMega 128 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 60/143
Registradores:
•32 registradores de 32 bits (r0 a r31)
•Os seis primeiros (r0 .. r5) podem ser utilizados como três registradores de índice de 16 bits (x, y e z)
AVR ATMega 128 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 61/143
Organização da memória:
• Espaços de endereçamento separado para programas e dados.
• Endereçamento até 8 Mbytes
AVR ATMega 128 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 62/143
Próxima aula
– Arquitetura de um microcontrolador genérico– Arquitetura de famílias de microcontroladores largamente
utilizados– Aplicações de microcontroladores– Estudo de caso de projeto com microcontroladores– Limitações para o uso de microcontroladores em projetos de
sistemas digitais
“Microcontroladores: arquitetura interna, aplicações e limitações”
EEL7030 – Microprocessadores 63/143
Microcontroladores
EEL7030 – Microprocessadores 64/143
Componentes básicos de sistemas computacionais processados:
– CPU– Memória de dados e programa– Sistema de entrada/saída
Microprocessadores são computadores de propósito geral
– São necessários componentes periféricos, externos, para apoio à execução das aplicações
Microcontroladores são computadores em um único chip
– Os periféricos estão embarcados no mesmo chip da CPU– Algumas características, tamanho e custo reduzidos, alto desempenho com baixo consumo de energia, uso eficiente de espaço no PCB, baixo clock, endereçamento bit-a-bit
Microcontroladores
EEL7030 – Microprocessadores 65/143
Componentes básicos de sistemas embarcados:
– CPU– Memória de dados e programa– Sistema de entrada/saída
Memória Cache
Memória
Microcontroladores
EEL7030 – Microprocessadores 66/143
Microcontroladores são computadores em um único chip
– Os periféricos estão embarcados no mesmo chip da CPU– Algumas características, tamanho e custo reduzidos, alto desempenho com baixo consumo de energia, uso eficiente de espaço no PCB, baixo clock, endereçamento bit-a-bit
MemóriaMemória
ConversorA/D
ConversorD/A
MICROCONTROLADOR
Microcontroladores
EEL7030 – Microprocessadores 67/143
ConversorA/D
ConversorD/A
Sensores Atuadores
Memória
Interface humana
Ferramentas
diagnósitcoSistemas auxiliares power, ...
Ambiente externo
Eletromecânicos(by-pass e segurança)
MICROCONTROLADOR
Microcontroladores
EEL7030 – Microprocessadores 68/143
- Memória de Dados e Programa; Portas de Entrada e Saída (I/O); Temporizadores (Timers); EEPROM; Conversores AD/DA; USB.
Microcontroladores
MCU – Microcontroller UnitComposta por CPU e periféricos no mesmo encapsulamento
EEL7030 – Microprocessadores 69/143
– Registradores– RAM– Flash– EEPROM– Portas digitais– Portas Analógicas– Timers– Gerador de relógio– DMA
Microcontroladores
I/O
Periféricos
CPU Memória
MCU – Microcontroller UnitComposta por CPU e periféricos no mesmo encapsulamento
EEL7030 – Microprocessadores 70/143
Microcontroladores
Fluxo de dados
EEL7030 – Microprocessadores 71/143
Diversidade de fabricantes e modelos
– LINHA PIC (Microchip)– LINHA AVR (Atmel)– LINHA 8051 (Philips, Dallas, Intel,
Cygnal, Texas, TDK, Siemens ... )– Z8 Encore (Zilog)– HC08 (Motorola)– ...
Escolha do dispositivo
– Capacidade de processamento• 8 bits, 16 bits, 32 bits• Clock, 4MHz, 40Mhz, ...
– Periféricos necessários– Capacidade de memória
• Programa• Dados
– Outros fatores• Ferramentas disponíveis• Formato físico• Continuidade / Reaproveitamento
de projeto
Microcontroladores
EEL7030 – Microprocessadores 72/143
8051: arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 73/143
Características do 8051:
• 111 Instruções:- 1 ciclo → 64 → 58%- 2 ciclos → 45 → 40%- 4 ciclos → 2 → 2%- 1 byte → 49 → 44%- 2 bytes → 46 → 41%- 3 bytes → 16 → 15%
• 98% de 1 ou 2 ciclos → velocidade
• 85% de 1 ou 2 bytes → compacto
8051 – arquitetura interna
- 1 ciclo → 64 → 58%- 2 ciclos → 45 → 40%
- 1 byte → 49 → 44%- 2 bytes → 46 → 41%
EEL7030 – Microprocessadores 74/143
8051 – arquitetura interna
• 5 Interrupções (2 externas, 2 dos timers/counters e 1 da porta serial)
EEL7030 – Microprocessadores 75/143
4 KB de ROM interna ativada pelo pino EA (External Access Enable):
→ se EA=0 → 64 KB de programa externo→ se EA=1 → 4 KB de ROM interna e 60 KB de programa externo
8051 – arquitetura interna
Arquitetura Harvard- 64 KB de Memória de Programa (PC=16 bits)- 64 KB de Memória de Dados
EEL7030 – Microprocessadores 76/143
RAM interna
8051 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 77/143
Bancos de registradores para salvamento de contexto (ex. interrupções).
Troca de contexto executando apenas uma instrução.
Exemplo de uso dos bancos:
BK3 → interrupção porta serialBK2 → interrupção INT1BK1 → interrupção INT0BK0 → trabalho
8051 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 78/143
RAM interna com 256 bytes com nomes simbólicos para acesso direto
128 bytes (dos 256) reservados para Registros de Funções Especiais (SFR).
8051 possui conjunto mínimo, outros ‘51 podem possuir mais SFRs
8051 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 79/143
Mapa da RAM interna
8051 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 80/143
Bit de uma das portas paralelas
8051 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 81/143
Família 8051
Chip 8051
Memória
Saída porta paralela (LEDs)
Entrada porta paralela e INT
Comunicação serial
Single step
Cristal clock
externo
Reset
EEL7030 – Microprocessadores 82/143
EA ES ET1 EX1 EX0
External interrupt 0 enablebitTimer 0 interrupt enablebit
ET0
Serial interface interrupt enablebit
sable all interrupts
IE - Interrupt Enable Register - Bit Addressable
07 123456
External interrupt 1 enablebitTimer 1 interrupt enable
A8H
Fontes de Interrupção
EEL7030 – Microprocessadores 83/143
EA ES ET1 EX1 EX0
External interrupt 0 enable bit Timer 0 interrupt enable bit
ET0
Serial interface interrupt enable bit
Disable all interrupts
IE - Interrupt Enable Register - Bit Addressable
0 7 1 2 3 4 5 6
External interrupt 1 enable bit Timer 1 interrupt enable
A8H
Fontes de Interrupção
MOV IE,#10000101B; habilita INT0 E INT1
EEL7030 – Microprocessadores 84/143
As interrupcões externas INT0 e INT1 podem ser ativadas por nível ou borda.
Depende dos bits IT0 e IT1 do registrador TCON.
Os flags que identificam ocorrência destas interrupcões externas são os flags IE0 e IE1 de TCON.
Interrupções Externas
EEL7030 – Microprocessadores 85/143
Temporizadores / Contadores Registradores
LSBMSB
TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 88H
TCON
IEx - External Interrupt flag. Setado pelo hardware quando interrupção detectada. Apagada pelo software qdo salta para o tratador int.
ITx - Interrupt control bit. 1 => borda de descida 0 => nível lógico baixo
EEL7030 – Microprocessadores 86/143
Temporizadores / Contadores Registradores
LSBMSB
TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 88H
TCON
MOV A,TCONORL A,#00000101B; habilita INTs por bordaMOV TCON,A
EEL7030 – Microprocessadores 87/143
Interrupções
PS PT1 PX1 PX0
External interrupt 0 prioritybitTimer 0 interrupt prioritybit
PT0
Serial interface
IP - Interrupt Priority Register - BitAddressable 07 123456
External interrupt 1 prioritybitTimer 1 interrupt priority
B8H
interrupt priority bit
EEL7030 – Microprocessadores 88/143
Interrupções
PS PT1 PX1 PX0
External interrupt 0 prioritybitTimer 0 interrupt prioritybit
PT0
Serial interface
IP - Interrupt Priority Register - BitAddressable 07 123456
External interrupt 1 prioritybitTimer 1 interrupt priority
B8H
interrupt priority bit
MOV IP,#00000100B; prioridade INT1 superior às demais
EEL7030 – Microprocessadores 89/143
Faça um programa que aceite int0 (acionada por borda). Qdo a int0 for solicitada, escrever na porta P1, caractere por caractere, a cadeia de 16 caracteres: ‘Microcontrolador’.
EEL7030 – Microprocessadores 90/143
reset equ 00hltint0 equ 03h ; local tratadorstate equ 20h
org reset ;PC=0 depois de reset jmp inicio
org ltint0 jmp handler
inicio: mov ie,#10000001b ; habilita int mov tcon,#00000001b ; borda
mov state,#0h ;inicialização mov r0,# state mov dptr,#tabela mov r1,#0
volta: cjne @r0,#1,voltamov state,#0h
mov a,r1 movc a,@a+dptr mov p1,a inc r1
cjne r1,#16,volta jmp $
handler: mov state,#1h reti
tabela: db 'Microcontrolador' end
EEL7030 – Microprocessadores 91/143
PIC: arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 92/143
• Fabricante Microchip
• Arquitetura Harvard
• RISC
• Série 16 possui 35 instruções
• Barramento de dados
separados para memória de
dados e memória de programa.
PIC – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 93/143
PIC – arquitetura interna
– Conversor A/D– Serial assíncrona– Serial síncrona– Timers– Memória de dados– Portas (I/O)
– Pilha para chamada de sub-rotinas
– Memória de programa
EEL7030 – Microprocessadores 94/143
PIC – arquitetura interna
– PC de 13 bits
– 4 bancos, cada um com SFR e GPR próprios
– Max 8 calls aninhados
• SFR x GPR
• RAM: 0x0C a 0x4F– 68 registradores (GPR)
– Dados
– Programa• 0x0000 a 0x1FFF• 1k x 14bits
• EEPROM: 0x00 a 0x3F– 64 bytes
EEL7030 – Microprocessadores 95/143
Apenas 35 instruções
PIC – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 96/143
AVR: arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 97/143
AVR – arquitetura interna
• Microcontrolador RISC
• Arquitetura Harvard
• Licença Atmel (http://www.atmel.com)
• Projetado para atender aplicações específicas
• Operação com consumo bastante reduzido de energia
• 118 instruções
• Uma instrução por ciclo para maioria das instruções (pipeline)
• Operações registrador-registrador
• Projetado para implementar soluções “single chip”
EEL7030 – Microprocessadores 98/143
• Core RISC com ~100 instruções
• Velocidades de clock modestas (4-16 MHz)
• Barramento de 8 bits e 32 registradores de uso geral de 8 bits
• Flash programável in-circuit (~1000 ciclos)
• Pequena quantidade de EEPROM e SRAM
• Diversos periféricos embarcados (UART, SPI, ADC, PWM, WDT)
AVR – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 99/143
MemóriaFlash Memory 128 kBEEPROM Data Memory 4096 BSRAM Data Memory 4096 BGeneral Purpose Registers (Accumulators) 32
External data memory interface (64kB) SimMCUClock Frequency 0 - 16 MHzSupply Voltage 4.5 - 5.5 VSleep Modes 6Hardware Multiplier SimI/O Pins 53On Chip Oscillator SimInterrupts 34Interrupts, External pins 8Brown-out Detection SimPower-on Reset SimFully Static Operation SimOn-Chip Debug support via JTAG port SimIEEE 1149.1 (JTAG) Boundary Scan Sim
AVR – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 100/143
Temporizadores / ContadoresTimer/Counters (8-bit) 2Watchdog Timer with On-chip Oscillator SimReal Time Counter SimTimer/Counters (16-bit) 2Pulse Width Modulator 6+2 chEntrada / saída analógicaAnalog Comparator SimAnalog-to-Digital Converter (10-bit) 8 chAnalog Gain Stage 2 chModos de programaçãoIn-System Programming via SPI Port SimHigh Voltage Parallel Programming (12V) Sim
Self-Programming via on-chip Boot Program SimIn-System Programming via JTAG port SimEntrada / saída serialFull Duplex Serial Peripheral Interface (SPI) Sim2-wire Serial Interface (I2C compatible) SimFull Duplex USART 2
AVR – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 101/143
AVR ATMega 128 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 102/143
Pinagem:
• pinos compartilhados
• uso de latches e mux
AVR ATMega 128 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 103/143
Registradores:
•32 registradores de 32 bits (r0 a r31)
•Os seis primeiros (r0 .. r5) podem ser utilizados como três registradores de índice de 16 bits (x, y e z)
AVR ATMega 128 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 104/143
Organização da memória:
• Espaços de endereçamento separado para programas e dados.
• Endereçamento até 8 Mbytes
AVR ATMega 128 – arquitetura interna
EEL7030 – Microprocessadores 105/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 106/143
FPGA: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 107/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 108/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 109/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 110/143
Microcontroladores: aplicações
• Embarcados em:– Sistemas automotivos– Aviônicos– Brinquedos– Dispositivos médicos– Eletrodomésticos
• Bilhões de unidades
EEL7030 – Microprocessadores 111/143
• Produtos de uso pessoal: Celulares, pagers, relógios,
gravadores portáteis, calculadoras, câmeras fotográficas
• Laptops: mouse, teclado, modem, fax, placa de som,
carregador de bateria
• Domótica: tranca eletromagnética, despertador, termostato,
ar condicionado, controle remoto de TV, secador de cabelo,
aparelho de DVD, geladeira, lavadora de roupa/louça, forno
de microondas
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 112/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 113/143
Microcontroladores: aplicações
Espátula eletrônica
EEL7030 – Microprocessadores 114/143
Microcontroladores: aplicações
Espátula eletrônica
EEL7030 – Microprocessadores 115/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 116/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 117/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 118/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 119/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 120/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 121/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 122/143
Microcontroladores: aplicações
EEL7030 – Microprocessadores 123/143
RequisitosEspecificações
Restrições
• Reuniões com o cliente para levantamento de requisitos, funcionalidades, restrições, prazos, ...
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
• Uso de ferramentas para modelagem da solução proposta (ex. FSMs; fluxogramas; diagramas UML; entre outros) – auxilia o entendimento não apenas da equipe de software/hardware, mas também a interface com o cliente
EEL7030 – Microprocessadores 124/143
RequisitosEspecificações
Restrições
• Reuniões com o cliente para levantamento de requisitos, funcionalidades, restrições, prazos, ...
• Uso de ferramentas para modelagem da solução proposta (ex. FSMs; fluxogramas; diagramas UML; entre outros) – auxilia o entendimento não apenas da equipe de software/hardware, mas também a interface com o cliente
• Se disponível, uso de simulador, cross-compiler e plataforma de protipação para desenvolvimento do software e primeiros contatos com o projeto de hardware
Teste do software embarcado e idéias
para projeto do hardware: plataforma de prototipação com
processador alvo
Desenvolvimento do software embarcado:
Simulador, cross-compiler
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
EEL7030 – Microprocessadores 125/143
RequisitosEspecificações
Restrições
• Reuniões com o cliente para levantamento de requisitos, funcionalidades, restrições, prazos, ...
• Uso de ferramentas para modelagem da solução proposta (ex. FSMs; fluxogramas; diagramas UML; entre outros) – auxilia o entendimento não apenas da equipe de software/hardware, mas também a interface com o cliente
• Se disponível, uso de simulador, cross-compiler e plataforma de protipação para desenvolvimento do software e primeiros contatos com o projeto de hardware
• Busca e compra de componentes (procurement) • Uso de ferramentas de CAD (ex. Orcad) para projeto do hardware. Projeto do
PCB, roteamento, layout, planta baixa. Uso de simuladores de hardware para validação do circuito (ex. Spice)
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
EEL7030 – Microprocessadores 126/143
RequisitosEspecificações
Restrições
• Para projetos simples, é interessante uma prototipagem inicial do circuito em um proto-board, de forma a corrigir bugs de SW/HW a partir dos requisitos iniciais. O desenvolvimento das placas finais e soldagem possui um custo mais elevado em relação ao protótipo em proto-board.
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
EEL7030 – Microprocessadores 127/143
RequisitosEspecificações
Restrições
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
EEL7030 – Microprocessadores 128/143
Projetar o circuito de controle para gerência das operações de uma máquina de venda de refrigerantes.
Especificação:
A máquina fornece dois tipos de refrigerantes, denominados MEET e ETIRPS. Estes estão disponíveis para escolha pelo usuário a partir de duas teclas no painel com o nome dos refrigerantes. Ambos refrigerantes custam R$1,50 e existe na máquina uma fenda para inserir moedas com um sistema eletromecânico capaz de reconhecer moedas de R$1,00, R$0,50 e R$0,25, e capaz de devolver automaticamente qualquer outro tipo de moeda ou objeto não reconhecido. Além disso, durante a compra, o usuário pode desistir da transação e apertar a tecla DEV que devolve as moedas inseridas até o momento. Somente após acumular um crédito mínimo de R$1,50 o usuário pode obter um refrigerante. A devolução de excesso de moedas é automática sempre que o valor inserido antes de retirar um refrigerante ultrapassar R$1,50. Uma terceira simplificadora consiste em ignorar a composição exata das moedas inseridas na máquina, atendo-se apenas ao montante total inserido.
Link para a especificação completa.
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
EEL7030 – Microprocessadores 129/143
Solução: Diagrama de blocos
Informações fornecidas pelos sensores
Informações enviadas para os atuadores (eletro-mecânicos
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
EEL7030 – Microprocessadores 130/143
Solução: Tabela de estados
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
EEL7030 – Microprocessadores 131/143
Solução: Tabela de estados
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
EEL7030 – Microprocessadores 132/143
Solução: Representação gráfica
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
Reset
EEL7030 – Microprocessadores 133/143
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
EEL7030 – Microprocessadores 134/143
Estudo de caso: Controlador máquina refrigerantes
Link para a solução completa
EEL7030 – Microprocessadores 135/143
Estudo de caso: Controlador de uma máquina de venda de refrigerantes
Microcontrolador Renesas: plataforma de prototipação•Renesas foi criada por divisões da Mitsubishi e Hitachi •Microcontrolador da família M16C/26•M16C/26 – MCU de 16 bits com CPU da série M16C/60•Kit QSK26A conectado via USB (usado também como fonte)
EEL7030 – Microprocessadores 136/143
Próxima tarefa: desenvolvimento de aplicação com smart-card I2C e código de barras no microcontrolador Renesas
EEL7030 – Microprocessadores 137/143
Microcontroladores: Limitações
EEL7030 – Microprocessadores 138/143
•Tamanho dos programas e dados
(recursos de memória escassos)
•Programas sequenciais
•Limitação importante: velocidade de processamento
•Não adequados para aplicações com tempo de resposta abaixo de
poucos microsegundos
•Ambiente de desenvolvimento (compiladores, montadores, linkers,
bibliotecas, plataformas de software e hardware, ...) – pode ser de uso
complexo e custo elevado
Limitações
EEL7030 – Microprocessadores 139/143
PIC
• Disponibilidade em encapsulamento DIP para uso direto em placas de
prototipação
• Valores na ordem de US$1 a US$9
• Limitação: Custo das ferramentas – Compilador ~US$200; Debug ~US$150.
AVR
• Ferramentas gratuitas (gcc)
• IDE disponível para Windows, Mac e Linux, incluindo debug
• AVR-Dragon da Atmel custa em torno de US$50 e pode ser utilizado para
programação e depuração
• Limitação: poucas famílias de dispositivos disponíveis (pouca variedade) ao se
comparar com o PIC
Limitações
EEL7030 – Microprocessadores 140/143
Microcontrolador:
Vantagens:
Desvantagens:
CPLD:
Vantagens:
Desvantagens:
Limitações
- Mais versátil que CPLD, especialmente para aplicações analógicas (A/D, D/A).
- Temporização eficiente e precisa
- Temporização difícil de ser determinada para aplicações mais complexas (em C)
- Limitação para aplicações complexas e lógicas densas
- Facilidade para implementar algoritmos complexos e funções densas
- Normalmente, menos desempenho em tempo de execução do que CPLD
- Normalmente, melhor desempenho em tempo de execução do que microcontroladores
EEL7030 – Microprocessadores 141/143
Limitações
Programa Exemplo: Loop/* pulses pin PORTB<3> eight times */
pulse: movlw 0x08 movwf counter
pulse_lp0: bsf PORTB, 3 bcf PORTB, 3 decfsz counter, F goto pulse_lp0 return
/* pulses pin PORTB<3> eight times */
void pulse() { int i;
for (i=0; i<8; i++) { output_high(PIN_B3);
output_low(PIN_B3); }
return; }
Assembly C
EEL7030 – Microprocessadores 142/143
Limitações
Compilador Ineficiente
/* pulses pin PORTB<3> eight times */
0000: movlw 0x8 0001: movwf 0x20 0002: bsf 0x6,0x3 0003: bcf 0x6,0x3 0004: decfsz 0x20
/* pulses pin PORTB<3> eight times */ 0005: CLRF 21 0006: MOVF 21,W 0007: SUBLW 07 0008: BTFSS 03,0 0009: GOTO 014 000A: BSF 03,5 000B: BCF 06,3 000C: BCF 03,5 000D: BSF 06,3 000E: BSF 03,5 000F: BCF 06,3 0010: BCF 03,5 0011: BCF 06,3 0012: INCF 21,F 0013: GOTO 006
Assembly gerado pelo compilador
Assembly escrito pelo desenvolvedor
EEL7030 – Microprocessadores 143/143
Próxima aula
– Arquitetura de um microprocessador CISC– Arquitetura de um microprocessador RISC– Estudo comparativo das arquiteturas RISC e CISC– Estudo de caso de projeto com microprocessadores
“Microprocessadores: arquitetura CISC e RISC”