Microprocessadores e microcontroladores (parte 1)

Microprocessadores e microcontroladores (parte 1)

1. Relembrando

   • Circuitos lógicos
     • Podem ser utilizados para controle por meio das funções lógicas que consideram o estado anterior ou não consideram
     • Entradas e saídas podem ser convertidas(D/A e A/D) para interfaceamento com sensores e atuadores externos
     • Circuitos lógicos complexos
       • Podem ser encapsulados num circuito integrado
   • Circuitos combinacionais
     • Podem ser sintetizados em unidades lógicas aritméticas(ULA) que podem realizar operações aritméticas com eficiência
   • Circuitos sequenciais síncronos
     • Podem ser utilizados para todos os circuitos digitais operarem sincronizados por um sinal de clock

2. Unidade central de processamento(UCP-CPU)

   • Circuitos eletrônicos digitais capazes de executar instruções de um software armazenado em memória
     • As instruções são operações aritméticas, lógicas, de controle e de entrada/saída cujos operandos e resultados são chamados de dados
       • Possui
         • Unidade lógica aritmética(ULA)
           • Executa as operações lógicas e aritméticas
         • Registradores
           • Armazenam os operandos e resultados das operações
           • Elementos de memória de alta velocidade
         • Unidade de controle(UC)
           • Responsável por buscar as instruções, decodificá-la e controlar os demais circuitos responsáveis por sua execução
         • Entrada de clock
           • A partir do sinal de relógio, os ciclos de busca e execução são encadeados pela unidade de controle

3. Barramentos

   • Conjunto de caminhos físicos onde trafegam sinais elétricos
     • Controle de fluxo
       • Indicações de leitura9(RD), escrita(WR), seleção(CS)
     • Endereço
       • Pode ser um barramento paralelo ou serial
       • Conjunto de bits que buscam a informação
   • A unidade de controle envia sinais de controle e endereço para que ocorra transmissão/recepção de dados entre as unidades
   • Outro barramento deve ser utilizado para os operandos e resultados das instruções, bem como dados lidos nas entradas e escritos nas saídas
     • Sistema computacional
       • Diagrama de blocos básico

4. Arquiteturas

   • Von Neumann
     • Pode utilizar o mesmo barramento para tudo
     • Instruções e dados (mesma unidade de memória)
     • Um acesso por vez
   • Harvard
     • Instruções e dados estão em unidades ou áreas diferentes de memória
     • Pode utilizar barramentos diferentes para instruções e dados
     • Pode fazer acessos simultâneos aos dados e instruções
     • Harvard modificado
       • Sinais em vermelho indicam controle das outras unidades
       • Dados entre unidades representado por caminhos em preto
       • Usa-se a mesma unidade de memória com barramentos separados para instruções e dados

5. Exemplo microprocessador

   • Microprocessador de silicia com 16 terminais
   • São 16 posições de memórias diferentes com 4 bits cada posição
   • Dados e instruções usam o mesmo barramento

6. Microprocessadores

   • CPUs em CIs semicondutores
   • Usualmente utilizam arquitetura Von Neumann
     • Dependem de memória externa para armazenar as instruções e os dados
     • Mesma área de memória para instrução e dados
   • Modelos atuais
     • Registradores
     • Memória cache de acesso rápido dentro do CI
   • Em muitos casos acessam CIs externos para periféricos de entrada e saída
   • Sinais de clock de alta velocidade acima de 1GHZ
     • Conjunto complexo de instruções(CISC)

7. Microcontroladores

   • CPUs com memória e circuitos de entrada/saída em CIs semicondutores
   • Usualmente utilizam arquitetura Harvard(padrão ou modificado)
     • Memórias não-voláteis para instruções
     • Memórias voláteis para dados
   • Tem usualmente conjunto reduzido de instruções(RISC) e trabalham com frequências de clock mais baixas que microprocessador
     • Executadas normalmente em apenas 1 ciclo de clock
   • Menor custo de implementação
     • Mesmo circuito integrado possui diversos funcionalidades como circuito de clock, controle de interrupção, portas de entrada e saída e conversores A/D
   • Baixos requisitos de consumo
     • Aplicações móveis

8. Outros CIs

   • SoC (System on Chip)
     • Cis que contém microprocessadores e microcontroladores e todos os outros circuitos necessários para um sistema microprocessado completo
     • Usualmente utilizados em aplicações móveis com memória externa
   • ASIC (circuitos integrados de aplicação específica)
     • Executam um grupo específico de instruções
       • Não podendo ser reprogramados
     • Normalmente encontrados em eletrodomésticos
   • PLD (dispositivos lógicos programáveis)
     • Possuem matrizes programáveis de circuitos combinacionais e sequenciais
     • Alta velocidade
     • Computação de alto desempenho
     • FPGA (field programmable gate array)
       • Usa uma linguagem de descrição de hardware
       • Modelos mais complexos possuem memórias e conversores A/D

9. Conceitos

   • Ciclos comandados
     • Busca
     • Decodificação
     • Execução
     • Resultado
   • Prefixos para múltiplos binários
   • Barramento de dados/instruções
     • Número de bits determina a representação máxima dos operandos
   • Barramento de endereços
     • Determina a quantidade de memória endereçável
       • Quantidades de lugares para armazenar
     • Exemplo com 32 bits
   • Contador de programa
     • Ponteiro que aponta para a posição de memória da instrução atual
     • Verificação de bug é um exemplo
   • Interrupções
     • Sinais de controle que permitem que um microcontrolador ou microprocessador desvie imediatamente do programa atual para uma tarefa prioritária
   • Arquitetura do conjunto de instruções(ISA)
     • Tipos de instruções existentes e o que cada uma realiza
   • RISC vs CISC ( Computador com um conjunto reduzido de instruções vs complexo)
     • RISC- conjunto pequeno de instruções simples e generalistas
     • CISC- conjunto grande de instruções complexas e especializadas
   • Conceitos avançados
     • Unidade de gerenciamento de memória
       • Traduzem endereços lógicos em físicos
       • Permitem proteção e paginação
       • Presente em microprocessadores mais complexos
       • Fundamental para processamento eficiente de um alto volume de dados armazenados
     • Processamento sequencial vs paralelo
       • Computação de alto desempenho(HPC)
     • GPU vs CPU
     • Sistemas heterogêneos

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