MCO018703 2020 1 AULA01

Apresentação

Nesta unidade curricular vamos aprender sobre como implementar e projetar circuitos eletrônicos digitais com microcontroladores. Para isso precisamos identificar as diferentes arquiteturas de microcontroladores, bem como conhecer as técnicas de programação de microcontroladores. Ainda, vamos apresentar a simbologia e linguagem técnica, bem como programar e gravar microcontroladores. Entre outros assuntos, abordaremos os conteúdos: de Memória, arquitetura interna do Arduino e linguagem C para microcontroladores.

Introdução aos Microcontroladores

Os avanços tecnológicos demandam cada vez mais dispositivos eletrônicos. Os Microcontroladores têm alcançado grande desenvolvimento nas últimas décadas. Sua facilidade de uso com ampla faixa de aplicações permite o projeto relativamente rápido e fácil de novos equipamentos. O Microcontrolador é o agrupamento de vários componentes em um sistema microprocessado. Basicamente o Microcontrolador é um microprocessador com memória RAM e de programa, temporizadores e circuitos de clock embutidos. O único componente externo é o cristal para determinar a frequência de trabalho. Os Microcontroladores têm agregado inúmeras funcionalidades como: gerador interno de clock; memória SRAM, EEPROM e FLASH; conversores A/D, D/A; vários temporizadores/contadores; comparadores analógicos; PWM; diferentes tipos de interface de comunicação, incluindo USB, UART, I2C, CAN, SPI, JTAG; relógios de tempo real; circuitos para gerenciamento de energia no chip; circuitos para controle de reset, alguns tipos de sensores; interface para LCD; e outras funcionalidades de acordo com o fabricante.

Arquiteturas: Von-Neumann x Harvard

Existem duas arquiteturas clássicas para os microprocessadores em geral: a arquitetura Von-Neumann, onde existe apenas um barramento interno por onde circulam instruções e dados e a arquitetura Harvard, que é caracterizada por dois barramentos internos, sendo um de instruções e outro de dados. Pode-se dizer que a primeira é uma arquitetura serial e a segunda paralela; da mesma forma, pode-se dizer que a arquitetura Von-Neumann permite produzir um conjunto complexo de código de instruções para o processador (CISC – Complex Instructions Set Computer), com um tempo de execução por instrução de vários ciclos de clock. Já a arquitetura Havard produz um conjunto simples de códigos de instruções e, dado ao paralelismo de sua estrutura, é capaz de executar uma instrução por ciclo de clock. A arquitetura Von-Neumann é mais simples, com menor número de portas lógicas, entretanto, sua velocidade é menor que a Havard. A arquitetura Havard necessidade de mais linhas de código para executar a mesma tarefa que uma arquitetura Von-Neumann, a qual possui muito mais tipos de instruções.

Figura - Arquiteturas clássicas de processadores: Von-Neumann x Harvard.

Atualmente nas modernas arquiteturas de microcontroladores está havendo o domínio da Harvard, que evoluiu para uma arquitetura que pode ser chamada de Harvard estendida ou avançada. Sendo composta por um grande número de instruções e ainda com a redução da quantidade necessária de portas lógicas, produzindo um núcleo de processamento compacto, veloz e com programação eficiente com menor número de linhas de código. Devido às questões de desempenho, compatibilidade eletromagnética e economia de energia, hoje é praticamente inaceitável que um microcontrolador não execute a maioria das instruções em poucos ciclos de clock diminuindo o consumo e a dissipação de energia.

Microcontroladores AVR

Os microcontroladores AVR foram desenvolvidos na Noruega em 1995 e são produzidos pela ATMEL, apresentam ótima eficiência de processamento e núcleo compacto com poucos milhares de portas lógicas. Com uma estrutura RISC avançada, apresentam mais de uma centena de instruções e uma arquitetura voltada à programação C, que permite produzir códigos compactos. Também, dado sua arquitetura, o desempenho do seu núcleo de 8 bits é equivalente ao desenvolvido por microcontroladores de 16bits.

As principais características dos μcontroladores AVR são

• Executam poderosas instruções em um simples ciclo de clock e operam com tensões entre 1,8 e 5,5 V, com velocidades de até 20 MHz. Sendo disponíveis em diversos encapsulamentos (de 8 até 64 pinos).
• Alta integração e grande número de periféricos com efetiva compatibilidade entre toda a família AVR.
• Possuem vários modos para redução do consumo de energia e características adicionais (picoPower) para sistemas críticos.
• Possuem 32 registradores de propósito geral, memória de acesso load-store e a maioria das instruções é de 16bits.
• Memória de programação FLASH programável in-system, SRAM e EEPROM, para desenvolvimentos rápidos e flexibilidade de projeto.
• Facilmente programados e com debug in-system via interface simples, ou com interfaces JTAG compatível com 6 ou 10 pinos.
• Um conjunto completo e gratuito de softwares.
• Preço acessível.

Existem μcontroladores AVR específicos para diversas áreas, tais como: automotiva, controle de LCDs, redes de trabalho CAN, USB, controle de motores, controle de lâmpadas, monitoração de bateria, 802.15.4/ZigBeeTM e controle por acesso remoto.

Referências

[1] https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/d/dd/Microcapostila.pdf

[2] Apostila ATMega8

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