Mais importante, por ter esse conhecimento, você fará melhores escolhas e tomará melhores decisões sobre quando e onde usar um microcontrolador, em vez de outras alternativas.

Microcontroladores e o aumento na integração dos circuitos

Se você abrir um equipamento eletrônico da década de 1980, como um CD player ou um videocassete (se você nunca viu um, pesquise na internet), você descobrirá que eles estão absolutamente recheados de placas de circuito e que cada placa de circuito é densamente povoada por circuitos integrados (chips) e componentes que fazem tudo funcionar.

Podemos identificar dois fatores principais para essa transformação, que ocorreu em toda a indústria de produtos eletrônicos:

• A crescente miniaturização de componentes eletrônicos, o que permitiu que mais e mais circuitos fossem colocados em chips únicos, reduzindo a contagem de chips necessária para qualquer função.



Os transistores, as células eletrônicas primordiais, na primeira família de chips lógicos (lançados no início dos anos 1970) mediam, cada um, cerca de 10 mícrons (10^-6 metros) de diâmetro. Só para se ter uma ideia da escala, um fio de cabelo humano tem, em média, cerca de 100 mícrons de largura.

Você sabia

No momento, empresas como a Intel estão produzindo em massa transistores com 14 nanômetros (10^-9 metros) de diâmetro, apenas 14 vezes mais largos que as moléculas de DNA. Isso dá uma ideia do ritmo de miniaturização que ocorreu nos circuitos integrados desde os anos 1970.

• A transição progressiva das funções de dispositivo de implementação em hardware para implementação em software executado em microcontroladores, os firmwares.



Essa transição de funções para os microcontroladores só foi possível porque mais integração de dispositivos é realizada nessas arquiteturas em cada geração. Isso permite a redução no custo de fabricação dos equipamentos, aumentando também a velocidade com que novas funcionalidades podem ser agregadas com o controle desses dispositivos no mesmo firmware.

Exemplo

Por exemplo, um projetista certamente terá mais facilidade para implementar um protocolo de comunicação Wi-Fi em um produto se este dispositivo estiver integrado no modelo de microcontrolador escolhido. Sem dúvida, este modelo de microcontrolador pode ser muito bem aceito pelo mercado, desde que integre também bom desempenho, confiabilidade e preço acessível. Não por acaso, microcontroladores mais recentes com estas características, como o ESP8266 e ESP32, têm despertado grande interesse entre projetistas.

A integração de mais dispositivos e mais funcionalidades dentro da arquitetura de um microcontrolador está na origem da sua própria invenção.

A história da invenção dos microcontroladores

O microcontrolador se tornou onipresente e invisível. Você acredita que está usando quantos microcontroladores em sua casa? Mais de uma dezena, isto é um fato. Talvez 50 ou mais. Existem mais de dois bilhões de microcontroladores sendo produzidos a cada ano. Quase todo mundo, tanto nas nações desenvolvidas quanto nas em desenvolvimento, não passa um dia sem usar microcontroladores.

Boone projetou um único chip de circuito integrado que poderia conter quase todos os circuitos essenciais para formar uma calculadora; apenas o display e o teclado não foram incorporados.

Surpreendentemente, esse avanço excepcional no campo da eletrônica e das comunicações recebeu um nome comum de TMS1802NC. No entanto, o dispositivo não era comum. Tinha cinco mil transistores fornecendo 3000 bits de memória de programa e 128 bits de memória de acesso. Parece pouco comparado ao que temos hoje. Mas, desta forma, foi possível programá-lo para realizar uma série de funções.

Embora, vistos de hoje, pareçam óbvios os benefícios de integrar circuitos em um único chip, este não foi um pensamento que tenha dominado as mentes nas empresas projetistas de chips tão rapidamente. Mas, é fato conhecido que requisitos e necessidades levam a invenções e descobertas.

Resposta

Que converter as especificações destas empresas em um conjunto de chips, normalmente quatro, cinco ou seis chips para executar ou implementar as especificações, talvez não fosse a maneira mais eficiente de distribuir os trabalhos entre os grupos de engenheiros.

Com isso, eles pensaram em uma matriz de necessidades do cliente de uma maneira e pedaços de circuitos ou blocos funcionais de outra. Boone pôde descobrir o que há em comum entre os dois, cobrindo todas as especificações do cliente. Como resultado desse excelente pensamento, surgiu o primeiro chip microcontrolador da série TMS1000. Este dispositivo inovador surgiu de uma visão de pontos em comum e alta demanda que estavam sendo atendidos de forma inadequada pela implantação de grandes equipes com muitos chips.

Este microcontrolador foi usado na Texas Instruments (TI) internamente em seus produtos de calculadora entre 1972 e 1974. O dispositivo foi aprimorado ainda mais ao longo dos anos. A TI ofereceu este microcontrolador para venda à indústria eletrônica em 1974. Ele foi disponibilizado em diferentes configurações de tamanhos de memória. Em 1983, quase 100 milhões de TMS1000 já haviam sido vendidos. Ano após ano, os microcontroladores estavam tendo um grande crescimento e uso.

O microcontrolador ante ao microprocessador

Mesmo com o pioneirismo da Texas Instruments, a popularização do microcontrolador em várias aplicações derivou do crescimento dos microprocessadores.

Mesmo que os microprocessadores representassem uma grande melhoria em relação ao que substituíram, eles não eram uma solução mágica completa para reduzir os custos e a complexidade do design do produto. O problema era que, para fazer um microprocessador realizar algo útil, ele precisava ser cercado por um grande número de chips adicionais para entrada e saída (E / S) e geralmente precisava de outros chips de suporte também, como chips de relógio em tempo real e decodificadores de endereços.

Na década de 1990, as técnicas aprimoradas de processamento de silício e fabricação de chips resultaram na capacidade de colocar cada vez mais circuitos em um chip. Uma das maneiras pelas quais isso foi usado foi para aumentar o chip do microprocessador com funções e recursos adicionais, que foram previamente implementados por chips externos separados, criando novas famílias de microcontroladores.

Uma vez que os microcontroladores começaram a ser usados em bens de consumo e sistemas de controle durante a década de 1990, as já impressionantes miniaturizações eletrônicas das duas décadas anteriores deram outro grande salto, tanto em termos de redução de tamanho quanto na capacidade de oferecer mais opções e recursos do que nunca.

Na primeira década dos anos 2000, ninguém pensaria seriamente em projetar outra coisa senão o dispositivo elétrico mais simples do consumidor sem o uso de algum tipo de microcontrolador.

Em resumo, a onipresença dos microcontroladores é o principal motivo pelo qual você deve saber algo sobre eles. No entanto, também é muito satisfatório usar e projetar com microcontroladores. Você pode fazer com que as coisas funcionem muito rapidamente, o que antes levaria muito mais tempo para ser concluído. Você também pode se divertir bastante no processo, isto é garantido.

Algumas famílias de microcontroladores são muito econômicas, sendo uma maneira fácil de implementar seus projetos. A popularidade cada vez maior significa que existe uma comunidade de suporte online enorme e muito ativa para ajudá-lo se você ficar preso a um problema. Isto também significa que há uma grande quantidade de software gratuito disponível, o que torna seus projetos muito mais fáceis e rápidos de concluir.

Termos frequentemente usados

Antes de nos concentrarmos na arquitetura de microcontroladores, primeiro listaremos alguns termos que você encontrará com frequência no campo de sistemas embarcados.

Sistemas baseados em microcontroladores

O microprocessador, como mencionado antes, não pode funcionar sozinho. Deve ser suportado por algumas unidades de hardware externas e módulos de software para formar um sistema funcional. Em geral, o microprocessador, as unidades de suporte e o software formam o que é chamado de “sistema baseado em microprocessador”, como mostrado na figura 5.

Os sistemas baseados em microprocessador são sistemas de uso geral que podem ser programados e reprogramados dependendo da tarefa ou do aplicativo e normalmente os chamamos de computadores. O computador pessoal destaca-se como uma das aplicações mais importantes e úteis dos sistemas baseados em microprocessadores.

O sistema baseado em microcontrolador (Figura 6) é geralmente identificado como o mais conhecido sistema embutido, ou sistema embarcado, como é mais comumente conhecido em português.

Os usuários de tais produtos muitas vezes desconhecem a existência de microcontroladores: Para eles, os componentes internos são apenas um detalhe do projeto. Considere como exemplos fornos de micro-ondas, termostatos programáveis, balanças eletrônicas, câmeras digitais e até carros. A eletrônica dentro de cada um desses produtos normalmente incorpora uma interface de microcontrolador para botões, interruptores, luzes e alarmes em um painel frontal. Ainda assim, a operação do usuário imita a dos predecessores eletromecânicos, com exceção de alguns recursos adicionais. O microcontrolador, onipresente, é invisível para o usuário.

Arquitetura básica de microcontroladores

Pela sua grande integração de dispositivos, os microcontroladores são frequentemente descritos como computadores de chip único. Isso porque um microcontrolador já contém todos os componentes que permitem operá-lo sozinho, em particular para tarefas de monitoramento e/ou controle. Em consequência, eles contêm um núcleo de microprocessador, alguma memória e vários dispositivos periféricos, como portas de E/S paralelas, portas de E/S seriais, temporizadores, conversores analógicos para digital (ADCs) e vários outros subsistemas de funções especiais. Os principais, como mostrado na Figura 6, são descritos a seguir.

Os registradores da CPU são como áreas de armazenamento da memória interna. Eles são úteis para resultados de cálculos provisórios. Isso reduz o número de leituras/gravações na memória externa, que geralmente é mais lenta. Alguns registradores têm funções especiais, como controlar onde a próxima instrução deve vir da memória.

A unidade lógica aritmética é responsável por realizar os cálculos. Em algumas CPUs, são bastante simples, com suporte apenas a adicionar, subtrair e operações lógicas básicas. Em CPUs mais sofisticadas, pode haver várias unidades aritméticas, algumas capazes de realizar operações avançadas de ponto flutuante.

O trabalho do decodificador de instruções é traduzir opcodes numéricos em sequências de ações. O barramento de dados é uma coleção de fios ou trilhas usados para transportar números para dentro e para fora da CPU. Um '1' lógico em cada linha do barramento é representado por uma tensão particular ‒ comumente 5V ou 3,3V. O '0' lógico é comumente representado por um sinal de 0V. Qualquer dispositivo com o qual a CPU precisa se comunicar está conectado (em paralelo com outros) ao barramento de dados.

O barramento de endereços é outra coleção de fios/trilhas. Seu objetivo é selecionar qual dos dispositivos externos (ou locais de memória) tem permissão para usar o barramento de dados. Lembre-se de que cada fio do barramento de dados é apenas uma condução simples e só é capaz de transmitir um bit de dados por vez. Se, por exemplo, dois dispositivos tentarem gravar no barramento de dados ao mesmo tempo, seus sinais ficarão confusos e perdidos. Em sistemas simples, a CPU sozinha controla o barramento de endereço.

Memórias

A RAM é usada para armazenar valores que podem mudar durante a execução de um programa. A RAM é volátil, ou seja, o seu conteúdo é perdido toda vez que os sistemas são desligados. Como resultado disso, a RAM não é muito útil para armazenamento de programas de longo prazo.

A ROM não perde seu conteúdo quando a alimentação é removida. Portanto, é geralmente usada para armazenar programas, mas não variáveis. Existem diferentes tecnologias usadas para implementar memória de programa ROM, como EPROM, EEPROM e memória Flash.

Tanto a ROM quanto a RAM consistem em conjuntos de locais de armazenamento, geralmente organizados em bytes ou múltiplos de bytes em algum tipo de módulo, como um chip. Esses módulos possuem um barramento de endereço que é controlado pela CPU. O barramento de endereço seleciona qual das localizações da memória interna está conectada ao barramento de dados do módulo, devendo possuir um número de bits necessário para endereçar a quantidade de memória existente.

Se existe, por exemplo, um total de 64kB de memória (entre memória de dados e programa) para endereçar, temos 64 x 1024 = 65536 de posições de memória para endereçar.

Um barramento de endereços, neste caso, precisaria ter n bits, onde n é calculado pela equação 2ⁿ = 65536. Como n é um valor inteiro, ele deve ser o suficiente para tornar 2ⁿ maior ou igual a 65536. Assim, n = 16, ou seja, o barramento para endereçar 64kB de memória deve ter pelo menos 16 bits.

E/S digital paralela

Microcontroladores enviam e recebem informações para o mundo exterior usando portas. Existem muitos tipos diferentes de porta, mas a mais simples é a porta de entrada e saída (E/S) paralela. Essas portas podem ser vistas como células de memória ou registradores, que são conectados ao núcleo da CPU usando o barramento de dados e ao mundo externo por meio de pinos do microcontrolador.

No caso de portas paralelas, cada bit no registrador da porta é conectado a um pino no chip. Se um determinado bit está em nível lógico alto, o pino é acionado para qualquer tensão que represente a lógica '1' para aquele sistema (geralmente 5V ou 3,3V). Da mesma forma, bits na lógica '0' conduzem 0V no pino apropriado.

E/S serial

As comunicações seriais exigem que o remetente envie dados de 1 bit por vez, a uma taxa acordada com o receptor pretendido. Cada bit recebe um “intervalo de tempo”, que define o fio/trilha de transmissão para o nível lógico correto para cada intervalo de tempo do bit.

O receptor mede a voltagem que chega do emissor no meio de cada intervalo de tempo de bit. Ele pode, portanto, decidir se um '1' ou '0' foi enviado para um determinado bit. A operação confiável requer um tempo preciso. O receptor deve olhar os tempos corretos para cada bit. Existem duas maneiras comuns de se conseguir isso:

Temporizadores

Os temporizadores são normalmente construídos usando uma fonte de clock e um registrador específico com função de contador. Os contadores contam os períodos de clock que são inseridos neles. Alguns contadores aumentam, outros diminuem. Os contadores têm um número de bits limitado e, como resultado, só podem contar para cima ou para baixo até este limite sem reiniciar a contagem.

Um contador de 8 bits, por exemplo, pode contar apenas até 255 decimais; mais uma entrada de período fará com que ele transborde e reverta para zero. Um contador decrescente de 16 bits diminuirá para zero e, dada mais uma entrada, ele rolará para 65535 (0xffff em hexadecimal). Os contadores podem ser usados simplesmente como contadores de eventos, permitindo que a CPU execute outras tarefas.

ADCs e DACs

Frequentemente, os microprocessadores são necessários para processar sinais não digitais, os sinais analógicos (ou contínuos). Para que eles façam isso, é necessário um dispositivo especial denominado conversor analógico para digital (ADC). Este dispositivo aceita uma entrada analógica e a traduz em um número digital cujo tamanho é proporcional à magnitude do sinal analógico. Cada conversor analógico para digital tem uma faixa de tensão de entrada associada e uma faixa numérica de saída.

E o que implica um maior ou menor número de bits em uma ADC? Imagine que a conversão de uma tensão de entrada em um número binário significa dividir este valor de tensão em dados discretos, ou seja, que podem ter apenas valores específicos. Os valores de tensão são contínuos, ou seja, podem assumir infinitos valores em um intervalo. A Figura 9 ilustra a conversão de valores de um sinal contínuo (as curvas em vermelho) para valores discretos (em azul) no caso de dados digitais representados com 2 e 3 bits.

Observa-se que o aumento no número de bits implica no aumento no número de valores específicos na representação digital. Esse aumento no número de bits permite, portanto, o aumento na resolução da representação binária do valor de entrada. Por exemplo, para um ADC de 10 bits, a representação do sinal de entrada terá 1024 (2¹⁰) valores discretos.

Os conversores digitais para analógico (DACs) executam o inverso dos ADCs. Eles aceitam um sinal de entrada digital e emitem um sinal analógico proporcional. Historicamente, os DACs raramente foram encontrados integrados a microcontroladores por motivos de fabricação. Se uma saída analógica for necessária para um microcontrolador sem um DAC interno, um IC externo e um circuito de suporte devem ser adicionados.

Controle de interrupções

Frequentemente, são construídos sistemas embutidos muito simples que executam apenas uma tarefa. Por exemplo, um sistema de alarme contra roubo pode gastar todo o seu tempo lendo o status de vários sensores e verificando uma condição de alarme.

Da mesma forma, um microprocessador em um cartão musical pode gastar seu tempo gerando saídas analógicas. Algumas vezes, são necessários sistemas de microprocessador mais complexos para monitorar e controlar as entradas e saídas do usuário. Em tais circunstâncias, a alocação de tempo de CPU para conduzir as saídas e monitorar as entradas deve ser cuidadosamente balanceada. Uma maneira de fazer isso é espalhar as chamadas para as várias rotinas de E/S por todo o código do programa.

Considere, por exemplo, um PC moderno executando um aplicativo de jogos. A CPU deve “rodar” os drivers de mouse e teclado para verificar se há novas entradas e, ao mesmo tempo, atualizar a exibição do vídeo. À medida que os sistemas se tornam mais complexos, essa "correria" se torna mais complicada e, em última análise, impraticável. As interrupções oferecem uma solução.

Resposta

As interrupções são sinais que fazem com que a CPU suspenda sua atividade atual e execute outra tarefa.

Os sinais de interrupção frequentemente são produzidos por dispositivos de hardware que requerem atenção urgente (por exemplo, uma placa de rede sinaliza que recebeu um bloco de entrada de dados). Um determinado sistema de computador pode precisar suportar vários subsistemas de hardware, cada um dos quais ocasionalmente requer atenção urgente.

Microcontroladores possuem controladores de interrupções para, por exemplo, contarem pulsos de entrada, realizarem uma determinada função a cada intervalo de tempo, receberem dados por porta serial. Interrupções possibilitam retirar alguns microcontroladores de um estado de baixo consumo de energia, permitindo que este esteja sempre disponível mesmo mantendo boa parte de seus circuitos desligados.

Vamos examinar as diferenças.

A arquitetura CISC tem a capacidade de realizar operações de várias etapas ou modos de endereçamento dentro de um conjunto de instruções. É o projeto da CPU em que uma instrução opera vários atos de baixo nível. Por exemplo, armazenamento na memória, carregamento da memória e uma operação aritmética.

Nestas arquiteturas, os conjuntos de instruções são modestos e simples, o que ajuda a compreender comandos mais complexos. Cada instrução tem um comprimento semelhante; estes são compostos para realizar tarefas em uma única operação. A maioria dos comandos são concluídos em um ciclo da máquina. O pipelining (tunelamento) é uma técnica crucial usada para acelerar máquinas RISC.

Como funciona o pipelining?

Pipelining, um recurso padrão em processadores RISC, é muito parecido com uma linha de montagem. Como o processador trabalha em diferentes etapas da instrução ao mesmo tempo, mais instruções podem ser executadas em um período de tempo menor.

Um pipeline de processador RISC opera da mesma maneira, embora os estágios no pipeline sejam diferentes.

Mesmo que diferentes processadores tenham diferentes números de etapas, estas são basicamente variações desses cinco:

• Buscar instruções da memória.
• Ler registradores e decodificar a instrução.
• Executar a instrução ou calcular um endereço.
• Acessar um operando na memória de dados.
• Escrever o resultado em um registro.

Se você olhar novamente para o esquema de operação da lavanderia, perceberá que, embora a lavadora termine em meia hora, a secadora leva dez minutos extras e, portanto, as roupas molhadas devem esperar dez minutos para que a secadora seja liberada. Portanto, o comprimento do pipelining depende do comprimento da etapa mais longa.

Como as instruções RISC são mais simples do que as usadas em processadores CISC, elas são mais propícias ao pipelining. Enquanto as instruções CISC variam em comprimento, as instruções RISC têm todas o mesmo comprimento e podem ser obtidas em uma única operação.

RISC versus CISC

A maneira mais simples de examinar as vantagens e desvantagens das arquiteturas RISC e CISC é compará-las em sua abordagem. Vamos a um exemplo:

Multiplicando dois números na memória

Em um sistema computacional genérico, a memória principal é dividida em locais numerados. A unidade de execução de cálculo, uma unidade lógica e aritmética, só pode operar com os dados que foram carregados em um dos seus registradores internos. Digamos que queremos encontrar o produto de dois números ‒ um armazenado no local 21 e outro armazenado no local 49 da memória ‒ e então armazenar o produto de volta no local 21.

A abordagem CISC

O objetivo principal da arquitetura CISC é completar uma tarefa com o mínimo de linhas de instrução possível. Isso é conseguido construindo um hardware de processador que é capaz de compreender e executar uma série de operações. Para esta tarefa em particular, um processador CISC poderia ser preparado com uma instrução específica (vamos chamá-la de "MULT").

Quando executada, esta instrução carrega os dois valores em registros separados, multiplica os operandos na unidade de execução e, a seguir, armazena o produto na posição de memória indicada (21). Assim, toda a tarefa de multiplicar dois números pode ser concluída com uma única instrução:

MULT é o que é conhecido como "instrução complexa". Ela opera diretamente nos bancos de memória do computador e não exige que o programador chame explicitamente nenhuma função de carregamento ou armazenamento. É muito parecido com um comando em uma linguagem de alto nível.

Uma das principais vantagens desse sistema é que o compilador precisa fazer muito pouco trabalho para traduzir uma instrução em linguagem de alto nível para linguagem de montagem (assembly). Como o comprimento do código é relativamente curto, muito pouca RAM é necessária para armazenar as instruções. A ênfase é colocada na construção de instruções complexas diretamente no hardware.

A abordagem RISC

Os processadores RISC usam apenas instruções simples que podem ser executadas em um ciclo de clock. Assim, o comando "MULT" descrito acima pode ser dividido em três comandos separados: "LOAD", que move os dados do banco de memória para um registrador, "PROD", que encontra o produto de dois operandos localizados dentro dos registradores, e " STORE, "que move os dados de um registrador para os bancos de memória. Para executar a série exata de etapas descritas na abordagem CISC, um programador precisaria codificar quatro linhas de montagem:

A princípio, essa pode parecer uma forma muito menos eficiente de concluir a operação. Como há mais linhas de código, mais RAM é necessária para armazenar as instruções no nível de montagem. O compilador também terá mais trabalho para converter uma instrução de linguagem de alto nível em código de máquina desta forma.

No entanto, a estratégia RISC também traz algumas vantagens muito importantes. Como cada instrução requer apenas um ciclo de clock para ser executada, o programa inteiro será executado aproximadamente na mesma quantidade de tempo que o comando "MULT" de vários ciclos. Essas "instruções reduzidas" RISC requerem menos transistores em espaço de hardware do que as instruções complexas, deixando mais espaço para registradores de uso geral. Como todas as instruções são executadas em um período de tempo uniforme (ou seja, um ciclo de clock), o pipelining é possível.

Separar as instruções "LOAD" e "STORE" realmente reduz a quantidade de trabalho que o computador deve realizar. Depois que um comando "MULT" no estilo CISC é executado, o processador apaga automaticamente os registradores. Se um dos operandos precisar ser usado para outro cálculo, o processador deve recarregar os dados do banco de memória em um registrador. No RISC, o operando permanecerá no registrador até que outro valor seja carregado em seu lugar.

RISC ou CISC?

A escolha da maioria dos fabricantes hoje recai nos modelos RISC. Mas, existe uma tendência histórica que mantem o seu computador pessoal como CISC. Antigamente, as memórias eram pequenas e, portanto, os programas eram forçosamente pequenos. Além disso, os compiladores não eram muito inteligentes e muitos programas eram escritos em assembly.

Desta forma, era considerado bom poder escrever um programa usando poucas instruções. Os pipelines de instrução eram simples e os processadores pegavam uma instrução de cada vez para executá-la. A arquitetura dentro do processador era bastante complexa de qualquer maneira e as instruções de decodificação não eram consideradas um grande fardo.

Na década de 1980, os designers da CPU e do compilador começaram a perceber que ter instruções tão complexas não era tão útil assim. Era difícil projetar processadores em que essas instruções fossem realmente eficientes e era difícil projetar compiladores que realmente tirassem proveito dessas instruções. A complexidade da área do chip e do compilador foi mais bem gasta em atividades mais genéricas, como registradores de uso geral.

No mundo de hoje, RISC e CISC não são mais a distinção preto e branco que poderiam ter sido antes. A maioria das arquiteturas de CPU evoluiu para diferentes tons de cinza. Do lado do RISC, algumas variantes modernas de arquiteturas adicionaram instruções de multiplicação e divisão, com uma codificação não uniforme, mais próxima da abordagem CISC.

Hoje, o Intel x86 é o único chip que mantém a arquitetura CISC. Isso se deve principalmente ao fato que manter a compatibilidade é uma prioridade. O preço da RAM diminuiu drasticamente e a tecnologia de compiladores também se tornou mais sofisticada, o que conduz a um melhor aproveitamento da arquitetura RISC. No caso dos microcontroladores, não foi diferente e o uso da arquitetura RISC se tornou predominante. Mas, um microcontrolador de muito sucesso e ainda utilizado em algumas áreas, o 8051, é de arquitetura CISC.

Microcontroladores e arquitetura de memória

No projeto de uma arquitetura de processador, uma decisão importante diz respeito ao acesso à memória, onde se define se a faixa de endereços da memória de dados será a mesma da memória de instruções (memória de programa). De acordo com o uso da memória, pode-se classificar duas arquiteturas de processador: Arquitetura von Neumann e arquitetura Harvard.

Arquitetura von Neumann

Em uma arquitetura von Neumann, a mesma memória e barramento são usados para armazenar dados e instruções que executam o programa. Como você não pode acessar a memória de programa e memória de dados simultaneamente, a arquitetura von Neumann é suscetível a gargalos e o desempenho do sistema é afetado. A Figura 13 mostra a configuração de memória nesta arquitetura.

Neste caso, as instruções estariam em uma faixa de endereços que ative a memória que possui as instruções e os dados estão em outra faixa de endereços que ative outra memória, onde se pode ler e escrever os dados. Nesta arquitetura, só é possível o acesso a uma memória de cada vez.

Arquitetura Harvard

A arquitetura Harvard armazena instruções de máquina e dados em unidades de memória separadas que são conectadas por diferentes barramentos. Nesse caso, há pelo menos dois espaços de endereço de memória para trabalhar. Logo, há um registro de memória para instruções de máquina e outro registro de memória para dados.

Os computadores projetados com a arquitetura Harvard são capazes de executar um programa e acessar dados de forma independente e, portanto, simultaneamente. A arquitetura Harvard tem uma separação estrita entre dados e código. Assim, a arquitetura Harvard é mais complicada, mas os pipelines separados removem o gargalo que a von Neumann cria. A Figura 14 mostra a configuração de memória nesta arquitetura.

Comparando, pode-se verificar que a arquitetura Harvard é mais veloz, mas exige mais um barramento. Assim, o custo de produção tende a ser maior. A arquitetura Harvard é bastante utilizada nos microcontroladores pelo fato das memórias estarem integradas no próprio componente, sendo mais fácil a sua realização.

Número de bits em microcontroladores

Um microcontrolador de n bits possui uma ALU capaz de processar operandos com n bits de cada vez. Ou seja, seus registradores são de n bits e podem manipular n bits por vez. Normalmente, o microcontrolador também terá n bits de barramento de dados e n bits de largura para endereçamento de memória, mas isso não é verdadeiro para todos os casos.

Digamos que gostaríamos de adicionar 640 a 150. O primeiro operando (640) está além da capacidade de uma ALU de 8 bits. Então, ao invés de obter o resultado em apenas um ciclo de processamento, ele levará mais tempo, já que somente 8 bits podem ser processados por vez pela ALU.

A maioria dos microcontroladores de 8 bits tem um contador de programa de 16 bits. Isso significa que ele pode endereçar no máximo 64 kBytes de memória. Para muitas aplicações embutidas, este número é suficiente, o que permite o uso de microcontroladores de 8 bits ainda em larga escala.

Arquiteturas de 8 bits versus 16 e 32 bits

Além da vantagem de maior desempenho na realização de cálculos e transferências de dados mais rápidas, quais são as vantagens de trabalhar com um microcontrolador que possui uma largura de barramento maior?

Microcontroladores com larguras de barramento de dados maiores desfrutam de maior desempenho em termos de operações mais rápidas, geralmente ferramentas de desenvolvimento mais poderosas, mais recursos e melhor eficiência de energia. Em geral, larguras de barramento menores limitam o desempenho em troca de um pequeno benefício de custo para o orçamento de um projeto.

O número de ciclos aumenta conforme a largura do barramento diminui: Larguras de bits menores requerem mais ciclos para completar cálculos maiores. Assim, leva mais ciclos para um microcontrolador de 8 bits completar um grande cálculo do que os microcontroladores com uma largura de barramento de dados de 16 bits. O uso de um microcontrolador de 32 bits pode reduzir ainda mais os ciclos computacionais.

Além da velocidade na conclusão de cálculos e na taxa de transferência de dados, se houver uma interrupção ou falha no meio de uma transferência, o microcontrolador de 8 bits tem uma chance maior de não concluir a tarefa, com vários ciclos necessários, em comparação com um microcontrolador de 32 bits que conclui a mesma tarefa em um ciclo.

Custo

Microcontroladores de 8 bits ainda prevalecem e, em algumas aplicações, é a opção computacional mais barata em relação ao custo do chip. No entanto, os chips microcontroladores de 32 bits podem ser tão baratos quanto alguns chips de 8 bits. Quando cortar centésimos de centavo é importante, como em produtos de alto volume, a decisão será tomada com base nos requisitos mínimos do projeto que são atendidos pelo chip mais barato. Pode não ser uma consideração para produtos preparados para no futuro adicionar mais recursos.

Os custos de mão de obra também podem ser menores trabalhando com um microcontrolador de 32 bits, à medida que mais opções, recursos, ferramentas e um corpo maior de código existente se desenvolvem em torno do ecossistema de 32 bits. A tecnologia de ponta não evolui mais em torno dos 8 bits.

Tamanho do código

Quanto maior a largura, mais denso será o código. Uma redução de 30% no tamanho do código é uma estimativa aproximada do benefício que o código escrito para 32 bits oferece em relação ao código de 8 bits.

No entanto, os microcontroladores de 8 bits podem ser codificados com mais eficiência com o código de montagem para engenheiros que dedicam tempo para pensar na eficiência das operações.

Recursos

Existem mais recursos para aproveitar as arquiteturas de maior largura de barramento de dados. A escala de recursos pode aumentar significativamente com dispositivos de 32 bits, com uma taxa muito maior de integração de periféricos conforme a largura de bits aumenta. O desempenho em tempo real é mais fácil de alcançar em dispositivos de 32 bits com acesso direto à memória por ignorar totalmente a CPU.

Muitos desenvolvedores são fãs fervorosos de microcontroladores de 8 bits e podem fazer coisas incríveis com eles. Produtos de muito alto volume levarão em direção à opção de dispositivo de menor custo, independentemente dos custos de mão de obra. No final das contas, a escolha depende de compensações. Como uma decisão para o desenvolvimento pessoal, é aconselhável estar familiarizado com ambos.

A visibilidade das operações centrais de um microcontrolador no nível de 8 bits oferece uma experiência educacional que muitas vezes é escondida por camadas de abstração com 32 bits. No entanto, os lugares que você irá com habilidades de desenvolvimento de 32 bits superam o que os de 8 bits podem oferecer quando você considera a complexidade crescente da tecnologia moderna.

Microcontroladores de 8 bits têm sido o carro-chefe da indústria há algumas décadas, mas é esperado que em alguns anos sejam ultrapassados pelos de 32 bits, como pode ser visto na Figura 17. Os microcontroladores de 32 bits possuem uso crescente em aplicações como a automobilística e Internet das Coisas.

Famílias principais de microcontroladores

Microcontrolador 8051

O conjunto de microcontroladores mais universalmente empregado vem da família 8051 de arquitetura CISC. Microcontroladores 8051 ainda persistem como escolha para um grande grupo de entusiastas e especialistas. Ele foi originalmente inventado pela Intel em 1981. Possui variantes, mas basicamente se oferece com 8 bits, 4kB de memória ROM, 128 bytes de espaço RAM e, se desejado, 64kB de memória externa que pode ser associada ao 8051.

Existem quatro portas paralelas de 8 bits que são facilmente programáveis e endereçáveis. Um oscilador de cristal integrado no microcontrolador possui frequência de cristal de 12MHz. No microcontrolador, existe uma porta serial de entrada/saída. Dois temporizadores de 16 bits também são incorporados a ele; esses temporizadores podem ser empregados como temporizadores para o funcionamento interno, bem como para o funcionamento externo.

O microcontrolador é composto por 5 fontes de interrupção, nomeadamente:

1. Interrupção da porta serial.
2. Interrupção do temporizador 1.
3. Interrupção externa 0.
4. Interrupção do temporizador 0.
5. Interrupção externa 1.

O modo de programação deste microcontrolador inclui GPRs, SFRs e SPRs.

Microcontroladores AVR

O microcontrolador AVR foi desenvolvido na Atmel Corporation. Os microcontroladores AVR são arquiteturas Harvard RISC modificadas com memórias separadas para dados e programa e com velocidade alta quando comparada com 8051 e PIC. O AVR significa Advanced Virtual RISC. A popular plataforma Arduino emprega microcontroladores AVR.

Diferenças entre 8051 e AVR

1. 8051 são microcontroladores de 8 bits baseados na arquitetura CISC, os AVRs são microcontroladores de 8 bits baseados na arquitetura RISC.
2. 8051 consome mais energia do que o microcontrolador AVR.
3. Em 8051, podemos programar mais facilmente do que o microcontrolador AVR.
4. A velocidade do AVR é maior do que a do microcontrolador 8051.

Classificação dos controladores AVR

Os microcontroladores AVR são classificados em três tipos:

Dentro da família MegaAVR está o ATmega328 de 8 bits, comumente usado em muitos projetos e sistemas autônomos, nos quais é necessário um microcontrolador simples, de baixo consumo e baixo custo. A implementação mais comum desse chip está na popular plataforma de desenvolvimento Arduino, nos modelos Arduino Uno e Arduino Nano. Alguns dos recursos do ATmega328 de 28 pinos são:

• Memória de programa flash de 32 kbytes.
• Memória de dados EEPROM de 1 kbytes.
• Memória de dados SRAM de 2 kbytes.
• 23 Pinos de E/S.
• Dois temporizadores de 8 bits.
• Conversor A/D.
• PWM de seis canais.
• Porta serial USART.
• Suporta oscilador externo de até 20MHz.

Microcontroladores PIC

A principal causa por trás disso é que a Microchip tem atualizado constantemente a arquitetura do dispositivo e incluído muitos periféricos para atender às necessidades dos desenvolvedores.

Existem muitos PICs, iniciados com PIC16F84 e PIC16C84. Mas esses eram os únicos PICs flash acessíveis. A Microchip lançou depois chips flash com tipos atraentes entre 8 e 16 bits, como 16F628, 16F877 e 18F452. O 16F877 tem cerca de duas vezes o preço do antigo 16F84, mas tem oito vezes mais espaço para código, muito mais RAM, muito mais pinos de E/S, uma UART e conversor A/D.

• Características principais do PIC16F877:
  • CPU RISC de alto desempenho.
  • Até 8K x 14 palavras de memória de programa FLASH.
  • 35 Instruções (codificação de comprimento fixo de 14 bits).
  • 368 × 8 bytes de memória de dados baseada em RAM estática
  • Até 256 x 8 bytes de memória de dados EEPROM.
  • Capacidade de interrupção (até 14 fontes).
  • Três modos de endereçamento (direto, indireto, relativo).
  • Arquitetura de memória Harvard.
  • Modo SLEEP de economia de energia.
  • Ampla faixa de tensão de operação: 2,0V a 5,5V.

Microcontroladores ARM

O ARM é um dispositivo sensível ao custo e de alto desempenho que tem sido usado em uma ampla gama de aplicações, como sistemas de controle de instrumentos industriais, redes e sensores sem fio e sistemas automotivos.

Microcontroladores MSP

MSP significa Mixed Signal Processor e é a família da Texas Instruments. Construído em torno de uma CPU de 16 bits, o MSP foi projetado para instruções incorporadas de baixo custo e baixíssima dissipação de energia, a característica principal do microcontrolador.

Outras vantagens estão diretamente relacionadas ao barramento de dados de 16 bits e aos sete modos de endereçamento e ao conjunto de instruções reduzido, o que permite um código de programação mais curto e denso para desempenho rápido.

Microcontrolador ESP32

Criado pela Espressif Systems, o ESP32 é um sistema de baixo custo e baixo consumo de energia em um chip com recursos de Wi-Fi e Bluetooth de modo duplo. Em seu coração há um microprocessador Tensilica Xtensa LX6 de núcleo único ou dual com uma frequência de até 240MHz. O ESP32 é altamente integrado com antena embutida, amplificador de potência, amplificador de recepção de baixo ruído, filtros e módulos de gerenciamento de energia.

Projetado para dispositivos móveis, eletrônicos vestíveis e aplicativos de Internet das Coisas, o ESP32 atinge um consumo de energia ultrabaixo por meio de recursos de economia de energia, modos de energia múltiplos e dimensionamento dinâmico de energia.