Eletrônica Digital

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FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABA ELETRÔNICA II Prof. Sidney José Montebeller Referências Bibliográficas e Internet Referências Bibliográficas 1- TOCCI, R. J.; WIDMER, N.S.; Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações. Rio de Janeiro: LTC, 2000. 2- MALVINO, A. P.; LEACH, D. P.; Eletrônica Digital: Princípios e Aplicações. São Paulo: McGraw-Hill, 1987. 3- TAUB, H.; Circuitos Digitais e Microprocessadores. São Paulo: McGraw-Hill, 1984. 4- LOURENÇO, A. C.; Circuitos Digitais. São Paulo: Érica. 5- CAPUANO, F. G.; IDOETA, I. V.; Elementos de Eletrônica Digital. São Paulo: Érica. 6- MELO, M.; Eletrônica Digital. São Paulo: Makron Books. 7- TOKHEIM, R. L.; Princípios Digitais. São Paulo: McGraw-Hill. Internet 1- ALTERA – http://www.altera.com/ - Dispositivos de Lógica Programável 2- XILINX – http://www.xilinx.com/ - Dispositivos de Lógica Programável 3- ATMEL – http://www.atmel.com/ - Microcontroladores (AVR) e Componentes Discretos 4- MICROCHIP – http://www.microchip.com/ - Microcontroladores (PIC) e Componentes Discretos 5- NATIONAL – http://www.national.com/ - Microcontroladores (COP8) e Componentes Discretos 6- TEXAS INSTRUMENTS – http://www.ti.com/ - Microcontroladores (MSP430) e Componentes Discretos 7- BURR-BROWN – http://www.burrbrown.com/ - Conversores A/D e D/A e Amplificadores Operacionais 8- INTEL – http://www.intel.com/ - Microcontroladores (8051) e Componentes Discretos 9- ANALOG DEVICES – http://www.analog.com/ - Conversores A/D e D/A e Componentes Discretos 10- MOTOROLA – http://e-www.motorola.com/ - Microcontroladores (M68HC) e Componentes Discretos FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller I Sumário 1. Revisão de Circuitos Combinatórios ............................................... 1 1.1- Conceitos Introdutórios ........................................................................... 1 1.2- Representação de Quantidades Binárias................................................ 2 1.3- Circuitos Digitais/Circuitos Lógicos ......................................................... 3 1.4- Sistemas de Numeração e Códigos........................................................ 3 1.5- Portas Lógicas e Álgebra Booleana ........................................................ 5 1.6- Teoremas da Álgebra de Boole............................................................... 8 1.7- Universalidade das Portas NAND e NOR ............................................... 9 1.8- Simplificação de Circuitos Lógicos.......................................................... 9 1.9- Projetando Circuitos Lógicos ................................................................ 10 1.10- Método do Mapa de Karnaugh para Simplificação Circuitos Lógicos ... 11 1.11- Outras Portas Lógicas........................................................................... 11 1.12- Circuitos Integrados Lógicos................................................................. 12 2. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados.................................... 14 2.1- Introdução ............................................................................................. 14 2.2- Terminologia de Circuitos Integrados Digitais....................................... 14 2.3- Família Lógica TTL ............................................................................... 18 2.4- Características da Série TTL Padrão .................................................... 19 2.5- Séries TTL Aperfeiçoadas..................................................................... 20 2.6- Fan-Out e Carregamento para TTL....................................................... 22 2.7- Outras Características TTL ................................................................... 23 2.8- Conectando Saídas TTL Juntas............................................................ 24 2.9- Tristate (Terceiro Estado) para o TTL.................................................. 26 2.10- Circuitos Integrados Digitais MOS ........................................................ 27 2.11- O MOSFET ........................................................................................... 27 2.12- Circuitos Digitais com MOSFETs .......................................................... 27 2.13- Características da Lógica MOS............................................................. 29 2.14- Lógica MOS Complementar.................................................................. 30 2.15- Características da Série CMOS ............................................................ 31 2.16- Tecnologia de Baixa Tensão................................................................. 35 2.17- Saídas CMOS de Dreno Aberto e Tristate ............................................ 36 2.18- Interfaceamento de Circuitos Integrados .............................................. 37 2.19- TTL Acionando CMOS .......................................................................... 37 2.20- CMOS Acionando TTL .......................................................................... 38 3. Dispositivos de Lógica Programável (PLDs) .............................. 40 3.13.23.33.43.53.63.73.8- Introdução ............................................................................................. 40 Conceito Básico .................................................................................... 41 Simbologia ............................................................................................ 42 Arquitetura de um PLD.......................................................................... 42 Outros Recursos Disponíveis................................................................ 44 Outros Tipos de PLDs........................................................................... 44 Programação......................................................................................... 45 PLDs Programáveis .............................................................................. 45 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller II Sumário 4. Flip-Flops ................................................................................................. 46 4.1- Introdução ............................................................................................. 46 4.2- Flip-Flop R-S (Reset – Set)................................................................... 46 4.3- Flip-Flops com Clock............................................................................. 47 4.4- Flip-Flop R-S com Clock ....................................................................... 48 4.5- Flip-Flop J-K.......................................................................................... 49 4.6- Flip-Flop D ............................................................................................ 50 4.7- Latch D.................................................................................................. 50 4.8- Entradas Assíncronas ........................................................................... 51 4.9- Características de Temporizações dos Flip-Flops ................................ 51 4.10- Circuitos Integrados de Flip-Flops......................................................... 53 4.11- Problemas de Temporização em Flip-Flops.......................................... 53 4.12- Flip-Flops Mestre/Escravo .................................................................... 54 4.13- Dispositivos Schmitt-Trigger.................................................................. 54 4.14- Circuitos Geradores de Clock ............................................................... 55 5. Contadores .............................................................................................. 57 5.1- Introdução ............................................................................................. 57 5.2- Contadores Assíncronos....................................................................... 57 5.3- Contadores de Módulo < 2N .................................................................. 59 5.4- Diagrama de Transição de Estados ...................................................... 60 5.5- Contadores de Década ......................................................................... 60 5.6- Circuitos Integrados de Contadores Assíncronos ................................. 60 5.7- Contador Assíncrono Decrescente ....................................................... 61 5.8- Atrasos de Propagação de Contadores Assíncronos............................ 62 5.9- Contadores Síncronos .......................................................................... 63 5.10- Circuitos Integrados de Contadores Síncronos..................................... 64 5.11- Contadores Síncronos Decrescentes.................................................... 64 5.12- Contadores com Carga Paralela ........................................................... 64 5.13- Utilizando Contadores BCD .................................................................. 65 5.14- Projeto de Contadores Síncronos ......................................................... 66 5.15- O Flip-Flop J-K ...................................................................................... 66 5.16- Procedimento para Construção de Contadores Síncronos ................... 67 6. Registradores ......................................................................................... 70 6.16.26.36.46.56.66.7- Introdução ............................................................................................. 70 Registradores de Deslocamento ........................................................... 70 Transferência Paralela de Dados entre Registradores ......................... 71 Transferência Serial de Dados entre Registradores ............................. 71 Comparação entre a Transferência Paralela e a Transferência Serial.. 72 Contadores com Registradores de Deslocamento................................ 72 Circuitos Integrados de Registradores .................................................. 74 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller III Sumário 7. Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores................................................................................. 75 7.17.27.37.4- Decodificadores .................................................................................... 75 Codificadores ........................................................................................ 77 Multiplexadores ..................................................................................... 78 Demultiplexadores ................................................................................ 81 8. Aritmética Digital................................................................................... 83 8.1- Introdução ............................................................................................. 83 8.2- Adição Binária ....................................................................................... 83 8.3- Representação de Números com Sinal................................................. 83 8.4- Representação de Números com Sinal Usando Complemento a 2 ...... 85 8.5- Multiplicação de Números Binários ....................................................... 88 8.6- Divisão de Números Binários................................................................ 88 8.7- Adição de Números BCD ...................................................................... 89 8.8- Aritmética Hexadecimal ........................................................................ 89 8.9- Circuitos Aritméticos ............................................................................. 90 8.10- Somador Paralelo Integrado ................................................................. 95 8.11- Ligação em Cascata de Somadores Paralelos ..................................... 95 8.12- Circuito Integrados de ULAs ................................................................. 95 9. Conversão Digital-Analógica ............................................................ 97 9.1- Interface com o Mundo Analógico ........................................................... 97 9.2- Sistema Digital Interfaceando com Grandezas Analógicas ..................... 97 9.3- Conversão Digital Analógica (D/A) .......................................................... 98 9.4- Código de Entrada BCD ........................................................................ 100 9.5- Conversor D/A com Amplificador Operacional ...................................... 100 9.6- Fatores Importantes na Precisão da Conversão ................................... 102 9.7- Conversores D/A com Saída em Corrente ............................................ 103 9.8- Rede R/2R............................................................................................. 104 9.9- Especificações de Conversores D/A ..................................................... 104 9.10- Circuito Integrado de Conversão D/A – AD7524 ................................... 105 9.11- Aplicações de Conversores D/A ............................................................ 105 10. Conversão Analógico-Digital........................................................ 107 10.110.210.310.410.510.610.7- Introdução ......................................................................................... 107 Conversor A/D de Rampa Digital ...................................................... 108 Precisão e Resolução de Conversores A/D ...................................... 108 Aquisição de Dados .......................................................................... 109 Reconstrução de Sinais Digitalizados ............................................... 110 Conversor A/D de Aproximações Sucessivas ................................... 111 ADC0804 – Conversor A/D de Aproximações Sucessivas ............... 112 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller IV Sumário 10.8- Conversor A/D Flash......................................................................... 114 10.9- Outros Métodos de Conversão A/D .................................................. 115 11. Memórias ............................................................................................. 117 11.111.211.311.4- Introdução ......................................................................................... 117 Definição de Termos Básicos............................................................ 117 Princípios de Operação das Memórias ............................................. 119 Conexões da Memória com a CPU................................................... 120 12. Memórias Somente de Leitura (ROM)........................................ 122 12.112.212.312.412.512.6- Introdução ......................................................................................... 122 Diagrama em Blocos de uma ROM................................................... 122 Arquitetura de uma ROM .................................................................. 123 Temporização de uma ROM ............................................................. 124 Tipos de ROM ................................................................................... 124 Aplicações de ROMs......................................................................... 125 13. Memórias de Acesso Aleatório (RAM) ...................................... 126 13.113.213.313.4- Introdução ......................................................................................... 126 Arquitetura de uma RAM................................................................... 126 RAM Estática (SRAM)....................................................................... 128 RAM Dinâmica (DRAM) .................................................................... 130 14. Expansão do Tamanho da Palavra e da Capacidade ........... 133 14.1- Introdução ......................................................................................... 133 14.2- Expansão do Tamanho da Palavra ................................................... 133 14.3- Expansão da Capacidade ................................................................. 134 15. Microcontrolador AT90S8515 ....................................................... 136 15.1- Introdução ......................................................................................... 136 15.2- Características do Microcontrolador AT90S8515.............................. 137 15.3- Encapsulamento ............................................................................... 137 15.4- Descrição Geral ................................................................................ 138 15.5- Diagrama em Blocos......................................................................... 139 15.6- Descrição dos Pinos ......................................................................... 140 15.7- Oscilador........................................................................................... 141 15.8- Arquitetura ........................................................................................ 141 15.9- Temporizadores/Contadores............................................................. 157 15.10- Watchdog Timer.............................................................................. 166 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller V SUMÁRIO 15.1115.1215.1315.1415.15- Acesso para Leitura/Escrita na EEPROM....................................... 168 UART .............................................................................................. 171 Comparador Analógico ................................................................... 176 Interface com SRAM Externa.......................................................... 178 Portas de Entrada/Saída................................................................. 179 16. Guia para Uso do Assembler AVR.............................................. 188 16.116.216.316.416.516.6- Introdução ......................................................................................... 188 Código Fonte do Assembler.............................................................. 188 Registradores da Memória de I/O do AT90S8515 ............................ 189 Tabela de Instruções......................................................................... 190 Diretivas no Assembler ..................................................................... 196 Expressões ....................................................................................... 204 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller VI Revisão de Circuitos Combinatórios 1. Revisão de Circuitos Combinatórios 1.1- Conceitos Introdutórios Grandezas Analógicas e Digitais Grandezas analógicas são aquelas que podem variar em um intervalo contínuo de valores. Por exemplo, a velocidade de um veículo pode assumir qualquer valor de 0 a 200 Km/h. Grandezas digitais são aquelas que variam em passos discretos. Por exemplo, o tempo varia continuamente mas a sua medição através de um relógio digital é feita a cada minuto. Sistemas Analógicos e Digitais Um sistema analógico contém dispositivos que podem manipular quantidades físicas analógicas. Por exemplo, a saída de um amplificador pode variar continuamente dentro de um certo intervalo. Um sistema digital contém dispositivos capazes de manipular informações lógicas (representadas na forma digital). Um exemplo seria um computador. As vantagens das técnicas digitais são várias: - Sistemas digitais são mais fáceis de projetar; - Fácil armazenamento de informação; - Maior exatidão e precisão; - A operação do sistema pode ser programada; - Circuitos digitais são menos afetados pelo ruído; - Um maior número de circuitos digitais pode ser colocado em um circuito integrado. Sistemas de Numeração Digital - Sistema decimal – contém 10 algarismos (0 a 9). Representação: 273,4110 = (2 x 102) + (7 x 101) + (3 x 100) + (4 x 10-1) + (1 x 10-2) Pesos - 102 2 101 7 100 3 10-1 4 10-2 1 Sistema binário – contém 2 algarismos (0 e 1). Representação: 101,012 = (1 x 22) + (0 x 21) + (1 x 20) + (0 x 2-1) + (1 x 2-2) = 5,2510 Pesos 22 1 21 0 20 1 2-1 0 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 2-2 1 1 Revisão de Circuitos Combinatórios - Sistema octal – contém 8 algarismos (0 a 7). Representação: 157,28 = (1 x 82) + (5 x 81) + (7 x 80) + (2 x 8-1) = 111,2510 Pesos - 82 1 81 5 80 7 8-1 2 Sistema hexadecimal – contém 16 algarismos (0 a F). Representação: 15A,216 = (1 x 162) + (5 x 161) + (10 x 160) + (2 x 16-1) = 346,12510 Pesos 162 1 161 5 160 10 16-1 2 1.2- Representação de Quantidades Binárias Em sistemas digitais, a informação geralmente apresenta a forma binária. Essas quantidades binárias podem ser representadas por qualquer dispositivo que apresente dois estados de operação. Uma chave, por exemplo, pode estar aberta ou fechada. Podemos dizer que a chave aberta corresponde ao dígito binário “0” e a chave fechada corresponde ao dígito binário “1”. Outros exemplos: uma lâmpada (acesa ou apagada), um diodo (conduzindo ou não), um transistor (conduzindo ou não) etc. Em sistemas digitais eletrônicos, a informação binária é representada por níveis de tensão (ou correntes). Por exemplo, zero volts poderia representar o valor binário “0” e +5 volts poderia representar o valor binário “1”. Mas, devido a variações nos circuitos, os valores binários são representados por intervalos de tensões: o “0” digital corresponde a uma tensão entre 0 e 0,8 volts enquanto o “1” digital corresponde a uma tensão entre 2 e 5 volts. Com isso percebemos uma diferença significativa entre um sistema analógico e um sistema digital. Nos sistemas digitais, o valor exato da tensão não é importante. Fig. 1-1: Intervalos típicos de tensão para os binários 0 e 1. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 2 Revisão de Circuitos Combinatórios 1.3- Circuitos Digitais/Circuitos Lógicos Circuitos digitais são projetados para produzir tensões de saída e responder a tensões de entrada que estejam dentro do intervalo determinado para os binários 0 e 1. A fig. 1-2 mostra isso: Fig. 1-2: Resposta de um circuito digital Praticamente todos os circuitos digitais existentes são circuitos integrados (CIs), o que tornou possível a construção de sistemas digitais complexos menores e mais confiáveis do que aqueles construídos com circuitos lógicos discretos. 1.4- Sistemas de Numeração e Códigos O sistema binário de numeração é o mais importante em sistemas digitais. O sistema decimal também é importante porque é usado por todos nós para representar quantidades. Já os sistemas octal e hexadecimal são usados para representar números binários grandes de maneira eficiente. - Conversões Binário-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 110112 = (1 x 24) + (1 x 23) + (0 x 22) + (1 x 21) + (1 x 20) = 2710 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 3 Revisão de Circuitos Combinatórios - Conversões Decimal-Binário – O método usado é o das divisões sucessivas: - Conversão Octal-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 3728 = (3 x 82) + (7 x 81) + (2 x 80) = 25010 - Conversão Decimal-Octal – O método usado é o das divisões sucessivas: - Conversão Octal-Binário – Cada dígito octal é convertido para o seu correspondente em binário. Dígito Octal Equivalente Binário 0 000 1 001 2 010 3 011 4 100 5 101 6 110 7 111 4728 = (100) (111) (010) = 1001110102 - Conversão Binário-Octal – O número binário é dividido em grupos de 3 dígitos iniciando-se a partir do dígito de menor peso. Cada grupo é convertido no seu correspondente octal. 1001110102 = (100) (111) (010) = 4728 - Conversão Hexadecimal-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 2AF16 = (2 x 162) + (10 x 161) + (15 x 160) = 68710 - Conversão Decimal-Hexadecimal – O método usado é o das divisões sucessivas: - Conversão Hexadecimal-Binário – Cada dígito hexadecimal é convertido para o seu correspondente em binário. 9F216 = (1001) (1111) (0010) = 1001111100102 - Conversão Binário-Hexadecimal – O número binário é dividido em grupos de 4 dígitos iniciando-se a partir do dígito de menor peso. Cada grupo é convertido no seu correspondente hexadecimal. 11101001102 = (0011) (1010) (0110) = 3A616 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 4 Revisão de Circuitos Combinatórios - Código BCD – O código BCD não constitui um sistema de numeração. Ele apenas relaciona cada dígito do sistema decimal com um grupo de 4 dígitos do sistema binário. 87410 = (1000) (0111) (0100) = 100001110100 (BCD) Relacionando as Representações Tabela 1-1 Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Binário 0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Octal 0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 Hexadecimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F BCD 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0001 0000 0001 0001 0001 0010 0001 0011 0001 0100 0001 0101 1.5- Portas Lógicas e Álgebra Booleana A álgebra booleana é a ferramenta fundamental para descrever a relação entre as saídas de um circuito lógico e suas entradas através de uma equação (expressão booleana). Existem três operações básicas: OR (OU), AND (E) e NOT (NÃO). Operação Lógica OR (OU) Fig. 1-3: Porta OR (OU) FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 5 Revisão de Circuitos Combinatórios Operação Lógica AND (E) Fig. 1-4: Porta AND (E) Operação Lógica NOT (INVERSORA) Fig. 1-5: Porta NOT (INVERSORA) Descrevendo Circuitos Lógicos Algebricamente Qualquer circuito lógico pode ser descrito usando as portas AND, OR e NOT. Essas três portas são os blocos básicos na construção de qualquer sistema digital. Fig. 1-6: Circuito Lógico e sua Expressão Lógica FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 6 Revisão de Circuitos Combinatórios Implementando Circuitos Lógicos a partir de Expressões Booleanas Podemos usar a expressão booleana para gerar o circuito lógico. Por exemplo: Fig. 1-7: Expressão Lógica e seu Circuito Lógico Portas NOR e NAND Outros tipos de portas lógicas existentes são as portas NOR e NAND, que na verdade são combinações das portas OR, AND e NOT. Fig. 1-8: Portas NOR e NAND FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 7 Revisão de Circuitos Combinatórios 1.6- Teoremas da Álgebra de Boole Esses teoremas, aplicados na prática, visam simplificar as expressões booleanas e consequentemente os circuitos gerados por estas expressões. Teoremas Booleanos Teoremas de DeMorgan FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 8 Revisão de Circuitos Combinatórios 1.7- Universalidade das Portas NAND e NOR Qualquer expressão lógica pode ser implementada usando apenas portas NAND ou portas NOR. Isso porque podemos representar portas OR, AND ou NOT usando apenas portas NAND ou NOR. Fig. 1-9: Uso de PORTAS NAND para implementar outras funções booleanas. 1.8- Simplificação de Circuitos Lógicos Depois de encontrada a expressão de um circuito lógico, podemos reduzi-la para uma forma mais simples. A intenção é diminuir o número de variáveis nessa expressão, o que significa diminuir o número de portas lógicas e conexões em um circuito lógico. Simplificação Algébrica A simplificação algébrica é feita com o uso dos teoremas da álgebra booleana e de DeMorgan. Exemplo: FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 9 Revisão de Circuitos Combinatórios 1.9- Projetando Circuitos Lógicos Passos para o projeto completo de um circuito lógico: a) Montar a tabela-verdade: A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 x 0 0 0 1 0 1 1 1 b) Analisar a saída: Quando qualquer entrada de uma porta OR for “1” então a saída será “1”. Então podemos deduzir que a saída x é uma operação OR de todos os casos em que a saída x é “1”. Cada caso corresponde a uma operação lógica AND com todas as variáveis de entrada. c) Simplificar a expressão lógica obtida: A expressão pode ser reduzida a um número menor de termos se aplicarmos os teoremas booleanos e de DeMorgan. d) Implementar o circuito através da expressão lógico: Fig. 1-10: Circuito lógico final FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 10 Revisão de Circuitos Combinatórios 1.10- Método do Mapa de Karnaugh para Simplificação Circuitos Lógicos Vamos usar a tabela anterior como exemplo. 1.11- Outras Portas Lógicas Circuito XOR Fig. 1-11: Porta XOR (OU-Exclusivo) FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 11 Revisão de Circuitos Combinatórios Circuito XNOR Fig. 1-12: Porta XNOR (NOU-Exclusivo) 1.12- Circuitos Integrados Lógicos Exemplos de circuitos integrados lógicos: Fig. 1-13: Circuito integrado 74LS08 (4 portas AND de 2 entradas) FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 12 Revisão de Circuitos Combinatórios Fig. 1-14: Circuito integrado 74LS04 (6 portas inversoras) Fig. 1-15: Circuito integrado 74LS32 (4 portas OR de 2 entradas) Outros: - 7400 – Quatro portas NAND - 7402 – Quatro portas NOR - 7486 – Quatro portas XOR - 74266 – Quatro portas XNOR FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 13 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados 2. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados 2.1- Introdução Circuitos integrados são amplamente usados na construção de sistemas digitais. Isso porque eles têm muito mais circuitos em um pequeno encapsulamento e são mais confiáveis. 2.2- Terminologia de Circuitos Integrados Digitais Os fabricantes de circuitos integrados digitais seguem praticamente o mesmo padrão de nomenclatura e terminologia: a) Tensão e Corrente: - - VIH(min) – Mínima Tensão de Entrada em Nível Alto. VIL(max) – Máxima Tensão de Entrada em Nível Baixo. VOH(min) – Mínima Tensão de Saída em Nível Alto. VOL(max) – Máxima Tensão de Saída em Nível Baixo. IIH – Corrente de Entrada em Nível Alto. IIL – Corrente de Entrada em Nível Baixo. IOH – Corrente de Saída em Nível Alto. IOL – Corrente de Saída em Nível Baixo. Fig. 2-1: Tensões e correntes em nível lógico 1 e 0 b) Fan-Out O Fan-Out corresponde ao número máximo de entradas lógicas que uma saída de um circuito lógico pode acionar. Se esse número for excedido, os níveis de tensão e corrente não serão garantidos. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 14 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados c) Atrasos de Propagação Um sinal lógico, ao atravessar um circuito, sofre um atraso. Existem dois tipos de atraso: - tPLH – Tempo de atraso do estado lógico “0” para o “1”. tPHL – Tempo de atraso do estado lógico “1” para o “0”. Fig. 2-2: Atrasos de propagação Os valores dos tempos de atrasos de propagação são usados para medição de velocidade em circuitos lógicos. d) Potência Como todo circuito elétrico, um circuito lógico consome uma certa quantidade de potência. Essa potência é fornecida por fontes de alimentação e esse consumo deve ser levado em consideração em um sistema digital. Se um circuito integrado consome menos potência poderemos ter uma fonte de menor capacidade e com isso reduziremos os custos do projeto. e) Velocidade x Potência Um circuito digital ideal é aquele que possui o menor consumo de potência e o menor atraso de propagação. Em outras palavras, o produto de velocidade e potência deve ser o menor possível. f) Imunidade ao Ruído Ruídos são sinais indesejáveis gerados por campos eletromagnéticos podem afetar o funcionamento de um circuito lógico. Esses sinais podem fazer com que a tensão de entrada de um circuito lógico caia abaixo de VIH(min) ou aumente além de VIL(max), gerando falsos sinais. A imunidade ao ruído se refere à capacidade de um circuito lógico de rejeitar esse ruído. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 15 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados Fig. 2-3: Margens de ruído g) Níveis de Tensão Inválidos Circuitos lógicos só trabalharão confiavelmente com níveis de tensão especificados pelos fabricantes, ou seja, as tensões devem ser menores que VIL(max) e maiores que VIH(min) – fora da faixa de indeterminação – e com alimentação adequada. h) Fornecimento de Corrente e de Absorção de Corrente O fornecimento de corrente é mostrado na fig. 2-4. Quando a saída da porta lógica 1 está em ALTO, ela fornece uma corrente IIH para a entrada da porta lógica 2. Fig. 2-4: Porta de acionamento fornecendo corrente para a porta de carga FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 16 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados A absorção de corrente é mostrada na fig. 2-5. Quando a saída da porta lógica 1 está em BAIXO, ela absorve uma corrente IIL para a entrada da porta lógica 2. Fig. 2-5: Porta de acionamento absorvendo corrente da porta de carga i) Encapsulamentos de Circuitos Integrados Alguns tipos de encapsulamentos de circuitos integrados são mostrados na fig. 2-6. Fig. 2-6: Encapsulamentos mais comuns de circuitos integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 17 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados 2.3- Família Lógica TTL Um circuito básico utilizado na lógica-transistor-transistor é mostrado na fig. 2-7: Fig. 2-7: Porta NAND básica TTL e equivalente a diodo para Q1 Esse circuito representa uma porta NAND TTL. Uma das principais características desse circuito são os dois emissores do transistor Q1. Na mesma figura está o circuito equivalente a diodo de Q1. Outra característica construtiva importante desse circuito é sua saída totem-pole, que impede que os dois transistores (Q3 e Q4) conduzam ao mesmo tempo. - Operação do Circuito – Saída em Nível Baixo A saída em nível baixo é conseqüência de entradas A e B em nível alto (+ 5 V). Nesse caso, Q1 ficará cortado e Q2 conduzirá (ver circuito equivalente). A corrente fluirá do emissor de Q2 para a base de Q4 e o faz conduzir. A tensão no coletor de Q2 é insuficiente para Q3 conduzir. Essa tensão está em torno de 0,8 V (0,7 V da junção B-E de Q4 + 0,1 V de Vce (sat) de Q2). Para o transistor Q3 conduzir é necessário que sua junção B-E e o diodo D1 esteja diretamente polarizado. Com Q4 conduzindo, a tensão de saída é muito baixa (< 0,4 V), ou nível baixo (“0”). - Operação do Circuito – Saída em Nível Alto Para que a saída de uma porta NAND fique em alto, pelo menos uma das entradas A ou B deverá ser zero. Nessa condição haverá condução de Q1 por um de seus emissores, ou pelos dois (ver circuito equivalente ), fazendo com que Q2 fique cortado. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 18 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados Com Q2 cortado não haverá corrente na base de Q4 e ele ficará cortado também. Sem corrente no coletor de Q2, a tensão na base de Q3 é suficiente para que ele entre em condução. Com Q3 conduzindo, a tensão na saída ficará em torno de 3,4 V a 3,8 V (sem carga), devido às quedas na junção B-E de Q3 e ao diodo D1. Com carga essa tensão deverá diminuir. - Absorção de Corrente Uma saída TTL em nível baixo age como um absorvedor de corrente pois ela recebe a corrente da entrada da porta que está acionando. - Fornecimento de Corrente Uma saída TTL em nível alto age como fornecedora de corrente. Na verdade essa corrente tem um valor muito baixo, causada pela fuga de polarização reversa do “diodo” (junção B-E) de Q1. - Outras Portas TTL Praticamente todas as outras portas lógicas possuem o mesmo circuito básico da porta NAND TTL. Outros circuitos internos são colocados apenas para implementar a lógica desejada. 2.4- Características da Série TTL Padrão - Faixas de Tensão de Alimentação e de Temperatura Existem duas séries de TTL padrão diferenciadas pela faixa de tensão de alimentação e temperatura: a série 74 e a série 54. A série 74 utiliza alimentação entre 4,75 V e 5,25 V e opera entre 0º a 70º C. A série 54 utiliza alimentação entre 4,5 V e 5,5 V e opera entre -55º a 125º C. - Níveis de Tensão VIL(max) – 0,8 V VOL(max) – 0,4 V Existe uma margem de segurança de uma saída para a entrada, chamada de margem de ruído, de 0,4 V (0,8 V – 0,4 V). VIH(min) – 2,0 V VOH(min) – 2,4 V A margem de ruído também é de 0,4 V (2,4 V – 2,0 V). FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 19 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - Faixas Máximas de Tensão As tensões máximas de trabalho de um TTL padrão não devem ultrapassar 5,5 V. Uma tensão maior de 5,5 V aplicada a um emissor de entrada pode causar dano na junção B-E de Q1. Tensões menores que –0,5 V também podem danificar o componente. - Dissipação de Potência Uma porta NAND TTL padrão consome, em média, 10 mW. - Atrasos de Propagação A porta AND TTL padrão tem atrasos de propagação típicos de tPLH = 11 ns e tPHL = 7 ns, resultando num atraso de propagação médio tPD(med) de 9 ns. - Fan-Out Uma saída TTL padrão pode acionar 10 entradas TTL padrão. 2.5- Séries TTL Aperfeiçoadas - Séries 74L e 74H Estas séries são versões TTL para baixa potência (74L) e alta velocidade (74H). A primeira consumia 1 mW e tinha um tempo de atraso de propagação de 33 ns e a segunda consumia 23 mW, com um tempo de atraso de propagação de 6 ns. Não são mais fabricadas atualmente. - TTL Schottky, Série 74S Esta série utiliza diodos Schottky entre a base e o coletor dos seus transistores, evitando que eles trabalhem saturados. Com isso o tempo de resposta do circuito é mais rápido. Por exemplo, a porta NAND 74S00 tem um atraso médio de 3 ns, mas um consumo de potência de 20 mW. - TTL Schottky de Baixa Potência, Série 74LS (LS-TTL) A série 74LS é uma versão de menor potência e menor velocidade da série 74S. Ela utiliza a combinação transistor/diodo Schottky, mas com valores maiores de resistores de polarização, o que diminui o consumo. Uma porta NAND 74LS tem um atraso típico de propagação de 9,5 ns e dissipação média de potência de 2 mW. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 20 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - TTL Schottky Avançada, Série 74AS (AS-TTL) A série 74AS surgiu como uma melhoria da série 74S. Possui velocidade e fan-out maiores e um menor consumo se comparado com a série 74S. - TTL Schottky Avançada de Baixa Potência, Série 74ALS Esta série surgiu como uma melhoria da série 74SL. - TTL Fast – 74F Esta é a série TTL mais nova. Ela utiliza uma técnica de fabricação de circuitos integrados que reduz as capacitâncias entre os dispositivos internos visando reduzir os atrasos de propagação. - Comparação das Características das Séries TTL Tabela 2-1: Índices de performance Atraso de propagação (ns) Dissipação de potência (mW) Produto velocidade-potência (pJ) Taxa máxima de clock (MHz) Fan-out (mesma série) 74 9 10 90 35 10 74S 3 20 60 125 20 74LS 9,5 2 19 45 20 74AS 1,7 8 13,6 200 40 74ALS 4 1,2 4,8 70 20 74F 3 6 18 100 33 Tabela 2-2: Parâmetros de tensão VOH (min) VOL (max) VIH (min) VIL (max) 74 2,4 0,4 2,0 0,8 74S 2,7 0,5 2,0 0,8 74LS 2,7 0,5 2,0 0,8 74AS 2,5 0,5 2,0 0,8 74ALS 2,5 0,4 2,0 0,8 74F 2,5 0,5 2,0 0,8 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 21 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados 2.6- Fan-Out e Carregamento para TTL O fan-Out corresponde ao número máximo de entradas lógicas que uma saída de um circuito lógico pode acionar. Esse número máximo está diretamente ligado à capacidade do circuito integrado de absorver ou fornecer corrente. Fig. 2-8: Saída TTL padrão no estado BAIXO acionando várias entradas Do circuito vemos que IOL é a soma das correntes IIL de cada entrada. Essa corrente causa uma queda de tensão VOL, que não deve ser maior que VOL(max). Isso limita a corrente IOL e o número de cargas que podem ser acionadas. Fig. 2-9: Saída TTL padrão no estado ALTO acionando várias entradas Nas fig. 2-8 e fig. 2-9, vemos que IOH é a soma das correntes IIH de cada entrada. Se cargas em excesso estiverem sendo acionadas, a corrente IOL aumentará de tal forma que o nível VOH caia para valores menores que VOH(min). Esse fato também limita o número de cargas acionadas e a corrente IOH. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 22 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - Determinando o Fan-Out Por exemplo, a série 74 possui: IIL (max) = 1,6 mA IOL (max) = 16 mA IOL 16 mA = = 10 IIL 1,6 mA Fan-out (BAIXO) = IIH (max) = 40 µA IOH (max) = 400 µA Fan-out (ALTO) = IOH 400 μA = = 10 IIH 40 μA O fan-out é 10 para ambos os casos. Se os valores de fan-out forem diferentes, o fan-out será o menor deles. Importante: - A soma das correntes IIH de todas as entradas conectadas em uma saída deve ser menor do que a especificação do IOH da saída; - A soma das correntes IIL de todas as entradas conectadas em uma saída deve ser menor do que a especificação do IOL da saída; 2.7- Outras Características TTL - Entradas Desconectadas (Flutuando) Entradas desconectadas (abertas) em circuitos TTL se comportam como se o nível lógico “1” fosse aplicado à essa entrada. Embora a lógica esteja correta, entradas desconectadas se comportam como captadoras de ruídos, fazendo com que o circuito lógico não trabalhe corretamente. - Entradas Não-Usadas Fig. 2-10: Três maneiras de tratar entradas lógicas não usadas FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 23 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - Transientes de Corrente A configuração totem-pole usada nas saídas dos circuitos TTL tem um inconveniente: durante a transição da saída de BAIXO para ALTO ocorre um pico de corrente porque ambos os transistores de saída estão conduzindo. Esse pico pode chegar a 50 mA, corrente que é drenada da fonte que alimenta o circuito. Em um sistema digital existem vários saídas TTL trocando de estado ao mesmo tempo e drenando da fonte picos de corrente. Esse efeito causa uma variação na tensão da fonte e se não for devidamente filtrado pode causar sérios problemas ao sistema. É usual a colocação de capacitores cerâmicos de 10 nF a 100 nF entre os terminais Vcc e GND – alimentação e terra – dos circuitos integrados. 2.8- Conectando Saídas TTL Juntas Existem situações nas quais é vantajoso conectar as saídas de dois ou mais portas lógicas ou circuitos. Entretanto, configuração totem-pole não nos permite conectar saídas TTL juntas. Para fazermos isso existem outros tipos de estrutura de saída. - Saídas Coletor Aberto Os circuitos TTL com saídas em coletor aberto só possuem um transistor de saída. Quando esse transistor estiver acionado, a saída terá nível BAIXO. Caso contrário, a saída estará flutuando. Para se obter o nível ALTO na saída um resistor externo de pull-up é conectado. Fig. 2-11: Circuito TTL coletor aberto com resistor de pull-up externo FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 24 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - Conexão Wired-AND Dispositivos com saídas em coletor aberto podem ter suas saídas conectadas juntas de maneira segura. Uma situação onde esse tipo de conexão é usada é mostrada na fig. 2-12: Fig. 2-12: Conexão wired-AND utilizando portas com coletor aberto Esse tipo de conexão é chamado de conexão wired-AND porque é equivalente à operação lógica AND. Esta configuração elimina a necessidade de uma porta AND real. - Buffers/Drivers de Coletor Aberto Todo circuito lógico que é chamado buffer, driver ou buffer/driver é projetado para suportar uma corrente e/ou uma capacidade de tensão maior do que um circuito lógico comum. Por exemplo, o 7406 com saída em coletor aberto pode acionar cargas de 24 V a 25 mA. - Simbologia para Saídas em Coletor Aberto Fig. 2-13: Simbologia de portas lógicas com coletor aberto FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 25 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados 2.9- Tristate (Terceiro Estado) para o TTL O terceiro estado, ou tristate, ocorre quando a saída de um dispositivo TTL apresenta alta impedância. Nessa condição, os dois transistores de saída do dispositivo estarão cortados e o terminal de saída não terá nível alto nem baixo (saída fica praticamente aberta). Para que o dispositivo lógico entre nesta condição, uma entrada chamada Habilitação (Enable) é acionada. Fig. 2-14: Simbologia de um inversor TTL tristate - CIs Tristate Existem vários circuitos integrados lógicos tristate. Por exemplo, o 74LS125 e o 74LS126, que são buffers tristate. Os circuitos lógicos tristate são bastante usados em sistemas que utilizam barramento de dados. Fig. 2-15: Buffers tristates usados para conectar diversos sinais em um barramento comum - Simbologia para as Saídas Tristate Fig. 2-16: Simbologia de um buffer com saída tristate FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 26 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados 2.10- Circuitos Integrados Digitais MOS A maioria dos circuitos digitais MOS (metal oxide semiconductor – semicondutor com óxido metálico) é constituída de transistores de efeito de campo (MOSFET). Eles são menores, consomem pouco e são mais fáceis de fabricar. Dispositivos MOS podem conter um número maior de elementos de circuitos em um único encapsulamento do que os circuitos integrados bipolares. A grande desvantagem dessa tecnologia é sua susceptibilidade a danos provocados por eletricidade estática. 2.11- O MOSFET Fig. 2-17: Estados de comutação do MOSFET canal-N 2.12- Circuitos Digitais com MOSFETs Os circuitos digitais que utilizam MOSFETs podem ser divididos em três categorias: P-MOS, que utiliza MOSFETs com canal-P; N-MOS, que utiliza MOSFETs com canal-N; e CMOS (MOS Complementar) que utiliza ambos. Os circuitos P-MOS não são mais encontrados. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 27 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - Inversor N-MOS A fig. 2-18 mostra um circuito básico de um INVERSOR N-MOS: Fig. 2-18: Inversor N-MOS O circuito acima mostra dois MOSFETs canal-N. O transistor Q1 é chamado MOSFET de carga e Q2 é chamado de MOSFET de comutação. O transistor Q1 está sempre conduzindo e funciona como se fosse um resistor de carga. - NAND N-MOS e NOR N-MOS A fig. 2-19 mostra os circuitos básicos das portas NAND N-MOS e NOR N-MOS: Fig. 2-19: Portas NAND N-MOS e NOR N-MOS FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 28 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados 2.13- Características da Lógica MOS Se comparadas com famílias lógicas bipolares, as famílias lógicas NMOS e P-MOS têm velocidade de operação menor, necessitam de menor potência, têm uma margem de ruído melhor, possuem uma faixa maior para a tensão de alimentação, um fan-out maior e menos espaço de área no chip. - Velocidade de Operação O atraso de propagação típico de uma porta NAND N-MOS é de 50 ns. A resistência de saída alta no estado ALTO e capacitâncias parasitas de entrada contribuem para aumentar esse atraso. - Margem de Ruído Para VDD = 5 V, as margens de ruído para a família N-MOS é de aproximadamente 1,5 V. A margem de ruído aumenta proporcionalmente para valores maiores de VDD. - Fan-Out Devido à alta resistência de entrada do MOSFET, o fan-out da família MOS é muito alto. O fan-out é limitado apenas pelas capacitâncias de entrada da porta que, em altas freqüências, pode deteriorar o sinal digital. Mesmo assim, o fan-out chega a 50 para a família MOS. - Consumo de Potência Por usar altas resistências, os circuitos lógicos MOS consomem pequenas quantidades de potência. - Complexidade do Processo de Fabricação A família lógica MOS possui um processo de fabricação bem mais simples do que a família TTL porque utiliza apenas MOSFETs. - Sensibilidade à Eletricidade Estática A família lógica MOS é bastante susceptíveis a danos causados por eletricidade estática. Uma descarga eletrostática supera a capacidade de isolamento elétrico da camada de óxido danificando permanentemente o dispositivo. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 29 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados Recomendações: - Conecte todos os equipamentos que for manusear no terra da rede; - Conecte-se ao terra com o uso de uma pulseira especial; - Evite tocar os pinos dos circuitos integrados. Coloque-os imediatamente no circuito; - Mantenha os circuitos integrados em suas embalagens protetoras (espumas condutoras). Não deixe-os fora de suas embalagens. Todas essas recomendações também valem para placas de circuito impresso (computadores, equipamentos etc). 2.14- Lógica MOS Complementar A família lógica MOS Complementar (CMOS) utiliza MOSFETs tanto de canal-P quanto de canal-N. Isso torna o CMOS mais rápido e com menor consumo de potência em comparação com as outras famílias MOS. Em contrapartida, os circuitos integrados CMOS têm maior grau de complexidade para a fabricação e menor densidade de integração (ocupam maior área de chip). - Inversor CMOS O circuito básico do INVERSOR CMOS é mostrado na fig. 2-20: Fig. 2-20: Inversor C-MOS FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 30 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - NAND CMOS e NOR CMOS A fig. 2-21 mostra o circuito básico das portas NAND CMOS e NOR CMOS: Fig. 2-21: Portas NAND CMOS e NOR CMOS 2.15- Características da Série CMOS - Série 4000/14000 A série 4000 e a série 14000 são equivalentes. Os circuitos integrados dessas duas séries têm um consumo muito baixo e podem operar de 3 a 15 V. São muito lentos quando comparados com TTL e possuem corrente de saída muito baixa. - Série 74C Série CMOS compatível pino a pino e funcionalmente equivalente a componentes TTL. Quanto à performance, a série 74C possui quase todas as características da série 4000. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 31 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - 74HC/HCT (High Speed CMOS – CMOS de Alta Velocidade) Versão aperfeiçoada da série 74C. Possui maior velocidade e maior capacidade de corrente. Componentes das séries 74HC e 74HCT são compatíveis pino a pino com componentes da série TTL. A série 74HC não é eletricamente compatível com TTL. - 74AC/ACT (CMOS Avançado) Esta série apresenta uma melhoria no que se refere a imunidade a ruído, atraso de propagação e máxima freqüência de clock. Não são compatíveis pino a pino com TTL. A série 74AC não é compatível eletricamente com TTL. - 74AHC (Advanced High-Speed CMOS – CMOS Avançado de Alta Velocidade) Esta é a mais recente série utilizada em aplicações de alta velocidade, baixo consumo e baixa capacidade de acionamento. - Tensão de Alimentação As séries 4000/14000 e 74C podem operar com VDD de 3 a 15 V. As séries 74HC/HCT e 74AC/ACT podem operar com VDD de 2 a 6 V. - Níveis de Tensão Lógicos Tabela 2-3: Parâmetro VIH(min) VIL(max) VOH(min) VOL(max) 4000B 3,5 1,5 4,95 0,05 74HC 3,5 1,0 4,9 0,1 74HCT 2,0 0,8 4,9 0,1 CMOS 74AC 3,5 1,5 4,9 0,1 74ACT 2,0 0,8 4,9 0,1 74AHC 3,85 1,65 4,4 0,44 74AHCT 2,0 0,8 3,15 0,1 74 2,0 0,8 2,4 0,4 74LS 2,0 0,8 2,7 0,5 TTL 74AS 2,0 0,8 2,7 0,5 74ALS 2,0 0,8 2,7 0,4 VNH 1,45 1,4 2,9 1,4 2,9 0,55 1,15 0,4 0,7 0,7 0,7 VNL 1,45 0,9 0,7 1,4 0,7 1,21 0,7 0,4 0,3 0,3 0,4 Níveis de tensão (em volts) de entrada/saída com VDD = VCC = +5 V. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 32 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - Margens de Ruído De um modo geral, os dispositivos CMOS têm margens de ruído maior que os TTL (tabela anterior). As margens de ruído são calculadas a partir da fórmula: VNH = VOH(min) - VIH(min) VNL = VOL(max) - VIL(max) - Dissipação de Potência Quando o circuito lógico CMOS está estático (não está comutando), sua dissipação de potência é muito baixa. Para VDD = +5 V, a dissipação típica de potência DC é de 2,5 nW. Para VDD = +10 V, este valor aumenta para apenas 10 nW. - Dissipação de Potência Aumenta com a Freqüência A dissipação de potência em um circuito lógico CMOS aumenta com a freqüência de comutação de sua saída. Quando uma saída CMOS comuta de BAIXO para ALTO, uma corrente transiente deve ser fornecida para a capacitância de carga. Essa capacitância corresponde a todas as capacitâncias parasitas das entradas das portas lógicas que são acionadas por esta saída. Fig. 2-22: Pulsos de corrente devido à capacitância parasita A fig. 2-22 mostra o efeito da capacitância de carga no momento da transição da saída de um circuito CMOS. Um outro fator é que durante as transições, por um curto período de tempo os dois transistores de saída estarão conduzindo juntos. Esse efeito também contribui para o aumento da dissipação de potência. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 33 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - Fan-Out O número de entradas CMOS que uma saída CMOS pode acionar é limitado pela capacitância de entrada. Quanto maior for o número de entradas CMOS, maior é a capacitância de carga vista pela saída CMOS e maior será o seu tempo de comutação. Para freqüências menores que 1 MHz, o fan-out está limitado a 50. - Velocidade de Comutação Os dispositivos CMOS têm maior velocidade de comutação em relação aos circuitos N-MOS e P-MOS. Isso porque a saída CMOS têm resistência menor que as saídas N-MOS e P-MOS. Uma porta NAND da série 4000 terá tipicamente um tpd de 50 ns com VDD = 5 V, e 25 ns com VDD = 10 V. Uma porta NAND da série 74HC/HCT tem um tpd médio em torno de 8 ns quando VDD = 5 V. Uma porta NAND 74AC/ACT tem um tpd médio em torno de 4,7 ns. Uma porta NAND 74AHC tem um tpd médio em torno de 4,3 ns. - Entradas Não-Utilizadas Entrada CMOS nunca devem ficar desconectadas. Elas devem ser conectadas a um nível lógico ou alguma outra entrada. Uma entrada CMOS não conectada é susceptível a ruído e a eletricidade estática, que poderiam polarizar os MOSFETs para um estado de condução, resultando no aumento de dissipação de potência e em possível superaquecimento. - Sensibilidade à Eletricidade Estática A grande resistência das entradas CMOS as torna especialmente sensíveis ao acúmulo de cargas estáticas, que podem produzir tensões suficientemente grandes para danificar os MOSFETs internos. A maioria dos circuitos integrados CMOS possui diodos de proteção, que limitam a tensão de entrada. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 34 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - Comparação entre as Séries CMOS e TTL Tabela 2-4: 4000B 74HC/HCT 74AC/ACT 74AHC/T 74 74LS 74AS 74ALS Dissipação de potência por porta (mW) Estática A 100 kHz 1 x 10-3 0,1 2,5 x 10-3 0,17 5,0 x 10-3 0,08 -3 6,0 x 10 9,0 x 10-5 10 10 2 2 8 8 1,2 1,2 Atraso de propagação (ns) 50 8 4,7 3,7 9 9,5 1,7 4 Velocidadepotência (a 100 kHz) (pJ) 5 1,4 0,37 0,02 90 19 13,6 4,8 Freqüência máxima de clock (MHz) 12 40 100 130 35 45 200 70 Margem de ruído no pior caso (V) 1,5 0,9 0,7 0,55 0,4 0,3 0,3 0,4 Todos os valores são para VDD = 5 V. 2.16- Tecnologia de Baixa Tensão O aumento do número de componentes dentro dos circuitos integrados acarreta em um aumento de sua potência consumida e em problemas no material isolante entre os seus componentes internos. Para solucionar estes problemas surgiram os circuitos integrados que utilizam a tecnologia de baixa tensão, ou seja, a tensão é menor que os 5 V: • • • • Série 74LVC (Low-Voltage CMOS – CMOS de Baixa Tensão) – Utiliza lógica de 3,3 V mas pode aceitar níveis lógicos de 5 V em suas entradas. Série 74ALVC(Advanced Low-Voltage CMOS – CMOS de Baixa Tensão Avançado) – Oferece melhor performance e trabalha apenas com lógica de 3,3 V. Série 74LV (Low-Voltage – Baixa Tensão) – Utiliza tecnologia CMOS mas opera somente com dispositivos de 3,3 V. Série 74LVT(Low-Voltage BiCMOS Technology – Tecnologia BiCMOS de Baixa Tensão) – Oferece as mesmas características da série 74LVC (as entradas aceitam níveis lógicos de 5 V) e são eletricamente compatíveis com TTL. Tabela 2-5: Vcc (recomendado) tPD (ns) Intervalo para VIH (V) VIL (max) (V) IOH (mA) IOL (mA) LVC 2,0 a 3,6 6,5 2,0 a 6,5 0,8 24 24 ALVC 2,3 a 3,6 3 2,0 a 4,6 0,8 12 12 LV LVT 2,7 a 3,6 2,7 a 3,6 18 4 2,0 a Vcc + 0,5 2,0 a 7 0,8 0,8 6 32 6 64 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 35 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados 2.17- Saídas CMOS de Dreno Aberto e Tristate Saídas CMOS convencionais nunca devem ser conectadas juntas. Quando as saídas CMOS convencionais são colocadas em curto, o valor da tensão no terminal de saída comum será de aproximadamente Vcc / 2 se as saídas estiverem em níveis diferentes. - Saídas em Dreno Aberto Dispositivos com dreno aberto são os correspondentes CMOS às saídas em coletor aberto TTL. - Saídas Tristate Dispositivos com saídas tristate têm operação similar à das saídas tristate TTL. Fig. 2-23: Portas CMOS com dreno aberto em conexão wire-AND e saídas CMOS tristate conectadas em um barramento FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 36 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados 2.18- Interfaceamento de Circuitos Integrados Quando utilizamos circuitos integrados de diferentes tecnologias quase sempre necessitamos de um circuito de interface. O circuito de interface está conectado entre a saída do circuito acionador e a entrada do circuito de carga. Sua função é condicionar o sinal vindo do acionador e condicioná-lo de modo a torná-lo compatível com os requisitos da carga. Tabela 2-6: CMOS TTL 4000B 74HC 74HCT 74AC 74ACT 74AHC 74AHCT 74 74LS 74AS 74ALS 74F VIH (min) 3,5 V 3,5 V 2,0 V 3,5 V 2,0 V 3,85 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V VIL (max) 1,5 V 1,0 V 0,8 V 1,5 V 0,8 V 1,65 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V VOH (min) 4,95 V 4,9 V 4,9 V 4,9 V 4,9 V 4,4 V 3,15 V 2,4 V 2,7 V 2,7 V 2,7 V 2,5 V Parâmetros VOL IIH (max) (max) 0,05 V 1 µA 0,1 V 1 µA 0,1 V 1 µA 0,1 V 1 µA 0,1 V 1 µA 0,44 V 1 µA 0,1 V 1 µA 0,4 V 40 µA 0,5 V 20 µA 0,5 V 20 µA 0,4 V 20 µA 0,5 V 20 µA IIL (max) 1 µA 1 µA 1 µA 1 µA 1 µA 1 µA 1 µA 1,6 mA 0,4 mA 0,5 mA 0,1 mA 0,6 mA IOH (max) 0,4 mA 4 mA 4 mA 24 mA 24 mA 8 mA 8 mA 0,4 mA 0,4 mA 2 mA 0,4 mA 1 mA IOL (max) 0,4 mA 4 mA 4 mA 24 mA 24 mA 8 mA 8 mA 16 mA 8 mA 20 mA 8 mA 20 mA Níveis de tensão e corrente de entrada/saída com VDD = VCC = +5 V. 2.19- TTL Acionando CMOS Quando interfaceamos diferentes tipos de circuitos integrados, devemos verificar se o dispositivo acionador pode satisfazer os parâmetros de corrente e tensão do dispositivo de carga. No caso de um TTL acionar uma carga CMOS, a corrente de saída TTL é capaz de satisfazer o requisito de entrada da entrada CMOS. Com relação à tensão, os parâmetros VOH(min) de todas as séries TTL são muito baixos quando comparados com VIH(min) das séries 4000B, 74HC, 74AC e 74AHC. A solução é aumentar a tensão VOH(min) do acionador TTL. Isso é feito através de um resistor de pull-up. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 37 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados Fig. 2-24: O resistor de pull-up externo aumenta a tensão de saída para aproximadamente 5 V no estado ALTO. - TTL Acionando CMOS com Tensão de Alimentação Alta Os circuitos integrados TTL não podem operar com tensões maiores do que 5 V. Quando o dispositivo CMOS estiver operando com alimentação maior de 5 V, o resistor de pull-up não poderá ser utilizado. A solução é utilizar um buffer coletor aberto (7407) conforme a fig. 2-25: Fig. 2-25: O buffer 7407 é usado para interfacear dispositivos TTL que acionam cargas CMOS com alimentação maior do que 5 V. 2.20- CMOS Acionando TTL - CMOS Acionando TTL no Estado ALTO As saídas CMOS podem fornecer tensão suficiente (VOH) para satisfazer os requisitos de uma entrada TTL no estado ALTO (VIH). As saídas CMOS também podem fornecer corrente suficiente para satisfazer os requisitos de corrente de entrada (IIH). FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 38 Famílias Lógicas de Circuitos Integrados - CMOS Acionando TTL no Estado BAIXO Nesta situação, as séries 74HC e 74HCT podem acionar apenas uma carga TTL. A série 4000B não consegue acionar nenhuma carga TTL. A solução é utilizar um buffer tristate (74LS125). Este circuito de interface possui corrente de entrada baixa e corrente alta de saída. Fig. 2-26: Um buffer é usado para interfacear componentes CMOS de baixa capacidade de corrente com entradas 74LS - CMOS com Tensão de Alimentação Alta Acionando TTL Neste caso é necessário utilizar um circuito de interface que possa converter uma entrada de alta tensão para uma saída de 5 V. Um buffer (4050B) é utilizado para essa interface. Fig. 2-27: Um buffer 4050 pode ser usado como um conversor de nível entre um componente TTL e um outro CMOS com fonte de alimentação de valor mais alto FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 39 Dispositivos de Lógica Programável 3. Dispositivos de Lógica Programável (PLDs) 3.1- Introdução A maioria dos circuitos lógicos utilizados são padronizados e possuem diversas funções. Além disso, são fabricados por várias indústrias com um custo muito baixo. Por essas razões esses circuitos integrados são usados em uma grande quantidade de circuitos e sistemas. Entretanto, existem problemas com circuitos que utilizam circuitos integrados padronizados. Alguns sistemas podem necessitar de centenas ou milhares de circuitos integrados. Essa quantidade enorme de componentes necessita de um espaço considerável em uma placa e uma grande quantidade de tempo para soldar ou testar esses circuitos integrados. Reduzindo o número de circuitos integrados na placa podemos ter: - menor espaço em placa: com placa menores os gabinetes seriam menores também; - menor consumo de potência; - processos de fabricação mais rápidos e baratos; - maior confiabilidade: existem menos circuitos integrados e menos conexões sujeitas a falhas; - facilidade de manutenção. Os dispositivos de lógica programável (PLDs) tem todas estas características permitindo assim substituir um grande número de circuitos integrados padronizados por um único componente. Um PLD é um circuito integrado que contém um grande número de portas lógicas, flip-flops e registradores que são interconectados no chip. A “programação” do componente pode ser feita queimando-se ou não fusíveis que constituem as ligações internas entre os blocos lógicos de acordo com a necessidade do usuário. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 40 Dispositivos de Lógica Programável 3.2- Conceito Básico A fig. 3-1 mostra a idéia básica utilizada pelos PLDs. Fig. 3-1: Exemplo de um dispositivo de lógica programável Cada entrada (A e B) é aplicada em um buffer inversor e um não inversor que seguem para as portas AND. As saídas das portas AND são levadas às entradas de portas OR por meio de fusíveis, que podem gerar qualquer combinação com as entradas. Para se obter, por exemplo: O1 = AB + AB é só queimarmos os fusíveis 1 e 4 da porta OR 1. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 41 Dispositivos de Lógica Programável 3.3- Simbologia A simbologia de um PLD é mostrada na fig. 3-2: Fig. 3-2: Simbologia usada em PLDs 3.4- Arquitetura de um PLD - PROM – A PROM é constituída conforme a fig. 3-3: Fig. 3-3: Arquitetura de uma PROM A PROM pode gerar qualquer função lógica possível das variáveis de entrada. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 42 Dispositivos de Lógica Programável - Arranjo de Lógica Programável (PAL) – A PAL pode ser vista conforme a fig. 3-4: Fig. 3-4: Arquitetura típica de uma PAL A PAL é utilizada em aplicações onde não se necessita que todas as combinações sejam programadas. No caso da figura acima, cada saída está conectada a apenas quatro saídas das portas AND. Fusível de Polaridade O fusível de polaridade é um recurso usado em muitos PLDs para inverter qualquer saída do dispositivo. Isso é mostrado na figura a seguir: FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 43 Dispositivos de Lógica Programável Fig. 3-5: Uso do fusível de polaridade para inversão da saída 3.5- Outros Recursos Disponíveis Em circuitos de PLDs ainda podemos encontrar diversos recursos. Esses recursos seriam: flip-flops, latches, registradores de entrada e registradores de saída. 3.6- Outros Tipos de PLDs FPLA (Field Programmable Logic Array) – O arranjo de lógica programável usava uma matriz AND e uma matriz OR, ambas programáveis. Embora a FPLA seja mais flexível do que a PAL, ela não foi bem aceita pelos projetistas. CPLDs (PLDs Complexos) – são dispositivos que combinam vários circuitos PAL em um mesmo chip. FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) – Os arranjos de portas programáveis em campo oferecem um número de blocos lógicos configuráveis que contém lógica combinacional programável e registradores para circuitos seqüenciais. Possuem blocos de entrada/saída que podem ser configurados como entradas, saídas e bidirecionais. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 44 Dispositivos de Lógica Programável 3.7- Programação Quando os PLDs apareceram, a programação deles era feita queimando-se ou não os fusíveis para se gerar o circuito lógico. Atualmente, existem softwares que geram o mapa das conexões internas dos PLDs e ainda testam a lógica do circuito. Existem também programadores universais onde o PLD é colocado e pode ser programado a partir de um software. 3.8- PLDs Programáveis A programação de um PLD é feita queimando-se um fusível. Uma vez queimado o fusível, ele não pode ser recuperado. Tendo em vista esta dificuldade, desenvolveu-se, então, um tipo de PLD apagável e reprogramável (usando a mesma tecnologia das EEPROMs), que são bastante utilizados em desenvolvimento de protótipos de circuitos digitais. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 45 Flip-Flops 4. Flip-Flops 4.1- Introdução Os circuitos combinacionais são aqueles onde as saídas dependem apenas dos níveis lógicos colocados nas entradas. A mesma combinação de entrada sempre produzirá o mesmo resultado na saída, porque circuitos combinacionais não possuem memória. A maioria dos sistemas digitais é composta tanto por circuitos combinacionais como de elementos de memória. O elemento de memória mais importante é o flip-flop. 4.2- Flip-Flop R-S (Reset – Set) O circuito básico do flip-flop R-S é mostrado na fig. 4-1: Fig. 4-1: Circuito lógico do flip-flop R-S O circuito acima mostra que o estado futuro das saídas Q e Q dependem R e S e também do estado atual dessas saídas. Isso é mostrado na tabela 4-1. Tabela 4-1: Caso 0 1 2 3 4 5 6 7 S 0 0 0 0 1 1 1 1 R 0 0 1 1 0 0 1 1 Qatual 0 1 0 1 0 1 0 1 Qfuturo 0 1 0 0 1 1 1 1 Qfuturo 1 0 1 1 0 0 1 1 Nos casos 0 e 1, com S = 0 e R = 0, as saídas Q e Q permaneceram inalteradas (memória). Nos casos 2 e 3, com S = 0 e R = 1, a saída Q foi para 0 e Q foi para 1. Nos casos 4 e 5, com S = 1 e R = 0, a saída Q foi para 1 e Q FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 46 Flip-Flops foi para 0. Nos casos 6 e 7, com S = 1 e R = 1, as saídas Q e Q foram para 1, ocasionando um problema, já que as saídas Q e Q devem ser complementares. Uma tabela simplificada e o símbolo do flip-flop R-S são mostrados na fig. 4-2: Fig. 4-2: Tabela verdade e simbologia do flip-flop R-S O circuito do flip-flop R-S também pode ser implementado usando portas NOR. 4.3- Flip-Flops com Clock Circuitos que utilizam clock são chamados de circuitos síncronos. Muitos flip-flops utilizam um sinal de clock para determinar o momento em que suas saídas mudarão de estado. O sinal de clock é comum para todas as partes do circuito. Normalmente, o sinal de clock é uma onda quadrada e durante uma transição positiva (nível 0 para nível 1) ou transição negativa (nível 1 para nível 0) a saída poderá mudar de estado. Fig. 4-3: Simbologia de flip-flops com clock na transição de subida e descida Tempos de Setup e Hold Os tempos de setup e hold são parâmetros que devem ser observados para que o flip-flop possa trabalhar de modo confiável. O tempo de setup, tS, corresponde ao intervalo no qual as entradas devem permanecer estáveis antes da transição do clock. O tempo de hold, tH, corresponde ao intervalo no qual as entradas devem permanecer estáveis depois da transição do clock. Os tempos de setup e hold mínimos devem ser respeitados para o funcionamento confiável do flip-flop. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 47 Flip-Flops Fig. 4-4: Tempos de setup e hold 4.4- Flip-Flop R-S com Clock O símbolo do flip-flop R-S com clock é mostrado na fig. 4-5: Fig. 4-5: Flip-flop R-S com clock O circuito interno é mostrado na fig. 4-6: Fig. 4-6: Circuito lógico interno do flip-flop R-S com clock O detector de transição é um circuito que habilitará, por alguns instantes, as entradas SET e RESET, durante a transição de CLOCK. O circuito típico de um detector de transição é mostrado na fig. 4-7: FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 48 Flip-Flops Fig. 4-7: Circuitos detectores de transição positiva e negativa Os tempos dos pulsos de CLK* correspondem aos tempos de atraso da porta NOT, em torno de 5 ns. 4.5- Flip-Flop J-K O símbolo do flip-flop J-K é mostrado na fig. 4-8: Fig. 4-8: Flip-flop J-K A operação do flip-flop J-K é semelhante à do flip-flop R-S. A diferença é que o flip-flop J-K não possui a condição proibida, ou seja, J = K = 1. Nessa situação, a saída será complementada (valor anterior será invertido). O circuito interno do flip-flop J-K é mostrado na fig. 4-9: Fig. 4-9: Circuito lógico interno do flip-flop J-K FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 49 Flip-Flops 4.6- Flip-Flop D O símbolo do flip-flop D é mostrado na fig. 4-10: Fig. 4-10: Flip-flop D O circuito interno do flip-flop D é mostrado na fig. 4-11: Fig. 4-11: Circuito lógico interno do flip-flop D 4.7- Latch D O símbolo lógico do latch D é mostrado na fig. 4-12. Diferentemente do flip-flop D, o latch D possui uma entrada EN. Quando esta entrada estiver habilitada, a saída é a cópia da entrada. Se ela estiver desabilitada, a saída não mudará. Fig. 4-12: Latch D O circuito interno é mostrado na fig. 4-13: Fig. 4-13: Circuito interno do latch D FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 50 Flip-Flops 4.8- Entradas Assíncronas Todas as entradas dos flip-flops até agora vistos dependem do sinal de clock. Estas entradas são chamadas entradas síncronas. Em muitos flip-flops existem outras entradas que são chamadas entradas assíncronas, ou seja, não dependem do sinal de clock para atuarem. Essas entradas são usadas para colocar o flip-flop no estado “0” ou “1”, a qualquer instante. A tabela 4-2 mostra as entradas assíncronas: Tabela 4-2: PRESET 1 0 1 0 CLEAR 1 1 0 0 Resposta do Flip-Flop Operação normal Q=1 Q=0 Não usada Para a operação normal do flip-flop, as entradas PRESET e CLEAR devem estar em “1”. A qualquer momento podemos forçar a saída Q a ser “0” ou “1”. A última combinação não pode ser usada, já que é contraditória. A fig. 4-14 mostra as entradas assíncronas de um flip-flop J-K: Fig. 4-14: Simbologia do flip-flop J-K com as entradas assíncronas 4.9- Características de Temporizações dos Flip-Flops As seguintes características de tempo devem ser respeitadas para o funcionamento correto dos flip-flops. - Tempos de Setup e Hold – Correspondem aos intervalos de tempo que a entrada deve permanecer estável antes e depois da transição do clock. - Atrasos de Propagação – Na mudança de estado da saída, sempre haverá um atraso entre a aplicação de um sinal na entrada e o momento que a saída muda. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 51 Flip-Flops Fig. 4-15: Atrasos de propagação - Freqüência Máxima de Clock, fMAX – Esta é a freqüência mais alta que pode ser aplicada no flip-flop de modo a dispará-lo confiavelmente. - Tempos de Duração do Clock em ALTO e BAIXO – O tempo de duração do clock em nível ALTO, tw(H) e o tempo de duração em nível BAIXO, tw(L) são mostrados na figura abaixo. Fig. 4-16: Tempos de duração de clock em ALTO e BAIXO - Largura dos Pulsos Assíncronos – Assim como foram definidos larguras mínimas de pulsos para o clock, as entradas assíncronas PRESET e CLEAR também possuem larguras mínimas de pulsos para uma operação correta. Fig. 4-17: Larguras mínimas de pulsos assíncronos - Tempos de Transição do Clock – Para garantir o funcionamento correto do flip-flop, o tempo transição do clock deve ser o menor possível. Para dispositivos TTL esse tempo é ≤ 50 ns e para dispositivos CMOS, ≤ 200 ns. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 52 Flip-Flops 4.10- Circuitos Integrados de Flip-Flops - Alguns circuitos integrados de flip-flops são mostrados abaixo: 7474 – Duplo flip-flop D disparado por borda (TTL); 74LS112 – Duplo flip-flop J-K disparado pela borda (TTL); 74C74 – Duplo flip-flop D disparado pela borda (CMOS); 74HC112 – Duplo flip-flop J-K disparado pela borda (CMOS). Tabela 4-3: Parâmetro de Temporização TTL CMOS 7474 74LS112 74C74 74HC112 tS (ns) 20 20 60 25 tH (ns) 5 0 0 0 tPHL (ns) de CLK para Q 40 24 200 31 tPLH (ns) de CLK para Q 25 16 200 31 tPHL (ns) de 40 24 225 41 tPLH (ns) CLR para Q de PRE para Q 25 16 255 41 tW(L) (ns) tempo em BAIXO para CLK 37 15 100 25 tW(H) (ns) tempo em ALTO para CLK 30 20 100 25 tW(L) (ns) para CLR ou PRE 30 15 60 25 15 30 5 20 fMAX (MHz) 4.11- Problemas de Temporização em Flip-Flops Um problema de temporização que poderá ocorrer em sistemas que utilizam flip-flops é mostrado na fig. 4-18: Fig. 4-18: Problemas de temporização em flip-flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 53 Flip-Flops Como o clock é o mesmo para os dois flip-flops, para que o circuito funcione adequadamente, o tempo de hold de Q2, tH, deve ser menor que o atraso de propagação de Q1. 4.12- Flip-Flops Mestre/Escravo Antes do desenvolvimento de flip-flops com tempo de hold muito pequeno, os problemas de temporização vistos anteriormente eram solucionados utilizando-se flip-flops mestre/escravo. Os flip-flops mestre/escravo são constituídos de dois flip-flops, um disparado na transição de subida do clock (mestre) e o outro na descida do clock (escravo). Na borda de subida do clock, os níveis presentes nas entradas do flip-flop determinam a saída do mestre. Na borda de descida do clock os níveis das saídas do mestre são passados para o escravo, ou para a saída do flip-flop. 4.13- Dispositivos Schmitt-Trigger A principal característica de um circuito Schmitt-Trigger é mostrada na fig. 4-19: Fig. 4-19: Comparação entre um inversor comum e um inversor SchmittTrigger A fig. 4-19 mostra um inversor comum sendo acionado por um sinal com tempo de transição longo. Em circuitos comuns, a saída pode oscilar à medida que o sinal de entrada passa pela faixa de transição. Ainda na fig. 4-19, vemos que em um circuito com entrada SchmittTrigger a saída não produzirá oscilações. Esse circuito funciona da seguinte forma: a entrada está em nível BAIXO resultando nível ALTO na saída. A saída só irá para nível BAIXO quando a entrada ultrapassar o valor VT+ (tensão de limiar superior). Nessas condições, se quisermos que a saída volte a ser ALTO, devemos aplicar uma tensão de entrada menor do que VT- (tensão de limiar inferior). FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 54 Flip-Flops Dispositivos Schmitt-Trigger são especialmente usados em circuitos onde os sinais de entrada variam lentamente (ondas senoidais, sinais de sensores, etc). As especificações de VT+ e VT- dependem do tipo de componente, mas VT- é sempre menor do que VT+. 4.14- Circuitos Geradores de Clock A maioria dos sistemas digitais utiliza algum circuito gerador de clock. Dentre essas aplicações podemos ter algumas que utilizam um sinal de clock sem a exigência de precisão. Outras, porém, a precisão é fundamental. Existem vários tipos de osciladores que podem gerar pulsos de clock para sistemas digitais. Os menos precisos e menos estáveis (dependendo da aplicação) utilizam resistores e capacitores. Os mais precisos e estáveis utilizam cristais de quartzo e com freqüências muito maiores do que os circuitos que utilizam resistores e capacitores como geradores de clock. Oscilador Schmitt-Trigger Um típico gerador de clock usando dispositivos Schmitt-Trigger é mostrado na figura abaixo: Fig. 4-20: Circuito de um oscilador utilizando inversor Schmitt-Trigger FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 55 Flip-Flops Temporizador 555 como Oscilador O circuito integrado 555 também pode ser usado como gerador de clock. A figura abaixo mostra isso: Fig. 4-21: Circuito de um oscilador utilizando o temporizador 555 Osciladores a Cristal de Quartzo A principal característica dos osciladores a cristal de quartzo é sua estabilidade e precisão quanto à freqüência de oscilação. A figura seguinte mostra circuitos osciladores que utilizam cristais de quartzo. Fig. 4-22: Circuitos de osciladores a cristal FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 56 Contadores 5. Contadores 5.1- Introdução Os flip-flops têm funções ilimitadas em sistemas digitais. Podemos associá-los e utilizá-los como contadores, registradores e muitos outros circuitos. Os contadores podem ser assíncronos ou síncronos. Basicamente, a principal diferença entre eles é que o síncrono utiliza um sinal de clock comum a todos os flip-flops e o assíncrono possui um sinal de clock que é dividido até o último flip-flop. Os registradores também são arranjos de flip-flops, mas com o objetivo de armazenar, manipular e transferir dados entre outros registradores ou circuitos. 5.2- Contadores Assíncronos Os contadores assíncronos também são chamados de contadores por pulsação (ripple counter). Um circuito típico de um contador assíncrono é mostrado na fig. 5-1: Fig. 5-1: Contador assíncrono utilizando flip-flops J-K FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 57 Contadores Tabela 5-1: Reinicia a contagem → Estado 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 C 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 B 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1 2 A tabela 5-1 mostra os estados de contagem deste contador assíncrono de quatro bits. Podemos perceber que a cada 16 estados esse contador reinicia sua contagem. Então ele é um contador assíncrono módulo 16, ou seja, tem 16 estados (0000 até 1111) distintos. Equacionando: Módulo = 2N onde N é o número de flip-flops conectados (número de bits). Nos contadores assíncronos, a freqüência do clock é dividida por 2 em cada flip-flop, ou seja: na saída A teremos Clock / 2, na saída B teremos Clock / 4, na saída C teremos Clock / 8 e na saída D teremos Clock / 16. Concluindo, os contadores assíncronos são divisores de freqüência e no último flip-flop teremos a freqüência de clock dividida pelo módulo desse contador. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 58 Contadores 5.3- Contadores de Módulo < 2N Um contador assíncrono com N flip-flops terá, no máximo, módulo 2N. Se precisarmos de um contador com módulo menor do que 2N será necessário utilizar um circuito adicional, conforme mostrado na fig. 5-2: Fig. 5-2: Contador assíncrono com módulo < 2N A fig. 5-2 mostra um contador módulo 6. Se não houvesse a porta NAND ligada nas entradas CLEAR dos flip-flops, o módulo seria 8. A seqüência de contagem é mostrada na tabela 5-2: Tabela 5-2: Estado temporário → necessário apenas para reiniciar a contagem Estado 0 1 2 3 4 5 6 7 8 C 0 0 0 0 1 1 1 0 0 B 0 0 1 1 0 0 1 0 0 A 0 1 0 1 0 1 0 0 1 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller Decimal 0 1 2 3 4 5 6 0 1 59 Contadores 5.4- Diagrama de Transição de Estados O diagrama de transição de estados é mostrado na fig. 5-3: Fig. 5-3: Diagrama de transição de estados de um contador módulo 6 Neste diagrama, as linhas contínuas correspondem aos estados estáveis e as linhas tracejadas indicam o estado temporário. O procedimento para a construção de um contador módulo X é: - Determinar o menor número de flip-flops tal que 2N ≤ X. Se 2N = X, não é necessário conectar a porta NAND na entrada assíncrona CLEAR; - Conectar a porta NAND nas entradas assíncronas CLEAR de todos os flipflops; - Determinar quais saídas estarão em ALTO na contagem X. Então é só conectar essas saídas nas entradas da porta NAND. 5.5- Contadores de Década Contadores de década ou decádicos são contadores que possuem 10 estados distintos, não importando a seqüência. Quando um contador decádico conta em seqüência de 0000 a 1001 (0 a 9), ele é chamado de contador BCD. 5.6- Circuitos Integrados de Contadores Assíncronos Existem vários circuitos integrados de contadores assíncronos, tanto TTL como CMOS. O circuito integrado TTL 74LS293 é um contador com quatro flip-flops JK. Vários circuitos TTL têm suas versões CMOS. O circuito integrado CMOS 74HC4024 é um contador com sete flip-flops que não possui correspondente TTL. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 60 Contadores 5.7- Contador Assíncrono Decrescente Os contadores que contam progressivamente a partir do zero são denominados contadores crescentes. Já os contadores decrescentes contam do valor máximo até zero. Um contador decrescente pode ser construído conforme mostrado na fig. 5-4: Fig. 5-4: Contador assíncrono decrescente Nesse circuito vemos que o clock de cada flip-flop é acionado com a saída invertida do flip-flop anterior. Com isso a saída é invertida, ou seja, conforme a tabela abaixo: Tabela 5-3: Estado 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 C 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 B 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 Decimal 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 61 Contadores O diagrama de transição de estados do contador decrescente módulo 8 é mostrado na fig. 5-5: Fig. 5-5: Diagrama de transição de estados do contador decrescente módulo 8 5.8- Atrasos de Propagação de Contadores Assíncronos Cada flip-flop de um contador assíncrono é disparado pela saída de um flip-flop anterior. Essa característica traz uma desvantagem: o tempo de atraso de propagação. Isso pode ser visto na fig. 5-6: Fig. 5-6: Atrasos de propagação em contadores assíncronos Ao passar por um flip-flop, o sinal de clock sofre um atraso de propagação tPD e esse efeito é somado até o último flip-flop, gerando um atraso total de N x tPD, onde N é o número de flip-flops. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 62 Contadores Para que um contador assíncrono funcione de modo confiável é necessário que o atraso total de propagação seja menor que o período de clock usado, ou seja: T ≥ Nxt clock ou ainda, em termos de freqüência máxima: 1 = f max Nxt PD PD 5.9- Contadores Síncronos Como vimos, o atraso de propagação dos flip-flops dos contadores assíncronos limitam a freqüência máxima de trabalho destes componentes. Esse problema pode ser resolvido se os flip-flops mudassem de estado suas saídas no momento em que houvesse a transição de clock. Essa configuração pode ser vista na fig. 5-7: Fig. 5-7: Contador síncrono módulo 16 Tabela 5-4: Reinicia a contagem → Estado 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 C 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 B 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller A 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 63 Contadores Na fig. 5-7, o sinal de clock é comum a todos os flip-flops. Com isso, o atraso de propagação será o atraso de um flip-flop somado com o atraso da porta NAND: atraso total = t (flip − flop) + t (NAND) PD PD Ainda analisando a fig. 5-7 vemos que o contador síncrono é mais complexo do que o contador assíncrono. Entretanto, com um atraso de propagação menor, ele pode trabalhar com freqüências maiores. 5.10- Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Podemos encontrar diversos circuitos integrados no mercado, tanto da família TTL como CMOS. Dentre eles estão: - 74LS160 / 162, 74HC160 / 162 – contadores síncronos decádicos. - 74LS161 / 163, 74HC161 / 163 – contadores síncronos módulo 16. 5.11- Contadores Síncronos Decrescentes Do mesmo modo que os contadores assíncronos, os contadores síncronos podem contar decrescentemente. Para isso devemos conectar as saídas A , B e C em vez das saídas A, B e C. 5.12- Contadores com Carga Paralela Contadores síncronos podem contar a partir de um valor prédeterminado pelo usuário. Isso é conhecido como carga paralela. A fig. 5-8 mostra um flip-flop com circuito carga de inicialização: Fig. 5-8: Contador com carga paralela FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 64 Contadores Quando LOAD é BAIXO, o flip-flop funcionará normalmente. Quando LOAD é ALTO, o valor de D é colocado na saída do flip-flop usando as entradas assíncronas (não depende do clock). Se fizermos isso para cada flip-flop do contador poderemos prédeterminar o valor inicial a ser incrementado. Um exemplo prático de um contador síncrono crescente/decrescente de módulo 16 com carga paralela é o 74LS193/74HC193. 5.13- Utilizando Contadores BCD Contadores BCD são bastante usados em circuitos onde pulsos devem ser contados e mostrados num display, por exemplo. A fig. 5-9 mostra um arranjo de contadores BCD com contagem de 000 a 999: Fig. 5-9: Contador BCD com contagem de 000 a 999 Inicialmente todos os contadores estão em 0 e, no display, é mostrado 000. A cada borda de descida do sinal de clock, o contador de unidades é incrementado e o valor é mostrado no display. Quando o valor é 009 (1001), o próximo pulso fará com que o contador BCD de unidades vá a 0. Nesse momento também ocorrerá uma transição de 1 para 0 (borda de descida) da saída D que está ligada ao clock do contador BCD de dezenas. E agora o display mostrará o valor 010. Isso continua até 999 quando, no próximo pulso, os contadores irão para 000, iniciando novamente a contagem. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 65 Contadores 5.14- Projeto de Contadores Síncronos A fig. 5-10 mostra um diagrama genérico de um contador síncrono: Fig. 5-10: Diagrama genérico de um contador síncrono O circuito lógico de estado futuro define qual o próximo estado do contador através do estado atual. Dessa maneira podemos implementar contadores com qualquer seqüência de contagem. Apesar usarmos flip-flops J-K em nossos projetos de contadores síncronos, nada nos impede de usarmos flip-flops D, como na fig. 5-10. 5.15- O Flip-Flop J-K A tabela 5-5 mostra o funcionamento do flip-flop J-K: Tabela 5-5: J 0 0 0 0 1 1 1 1 K 0 0 1 1 0 0 1 1 Qatual 0 1 0 1 0 1 0 1 Qfuturo 0 1 0 0 1 1 1 0 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 66 Contadores A tabela 5-5 relaciona as entradas J e K e a saída Qatual de modo a gerar um Qfuturo. Na verdade, na construção de contadores síncronos, nós já sabemos Qatual e Qfuturo (valores da contagem), mas precisamos saber quais são os valores das entradas J e K que gerarão Qfuturo. Desse modo nossa tabela deverá ser: Tabela 5-6: Qatual 0 0 1 1 Qfuturo 0 1 0 1 J 0 1 x x K x x 1 0 Onde x = irrelevante. A tabela 5-6 relaciona os estados atual e futuro da saída Q com relação às entradas J e K. 5.16- Procedimento para Construção de Contadores Síncronos Projetaremos um contador síncrono usando a seqüência de contagem da tabela 5-7: Tabela 5-7: C 0 0 0 0 1 0 B 0 0 1 1 0 0 A 0 1 0 1 0 0 Os passos são os seguintes: - Definir o número de flip-flops (bits) do contador e a seqüência de contagem; - Mostrar o diagrama de transição de estados indicando todos os estados possíveis, incluindo os estados que não fazem parte da seqüência. O diagrama é mostrado na fig. 5-11: FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 67 Contadores Fig. 5-11: Diagrama de transição de estados A fig. 5-12 mostra o circuito de geração do estado futuro a ser projetado. Podemos notar que as saídas A, B e C, na verdade, são as entradas desse circuito e que as entradas J e K são as saídas. Fig. 5-12: Diagrama do contador a ser projetado FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 68 Contadores - Gerar a tabela de transição de estados (estados atual e futuro): Tabela 5-8: Atual C B 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 C 0 0 0 1 0 0 0 0 Futuro B 0 1 1 0 0 0 0 0 A 1 0 1 0 0 0 0 0 JC KC JB KB JA KA 0 0 0 1 x x x x x x x x 1 1 1 1 0 1 x x 0 0 x x X X 0 1 X X 1 1 1 x 1 x 0 x 0 x x 1 x 1 x 1 x 1 Onde x = irrelevante. - Encontrar as expressões lógicas que relacionam as saídas J e K com as entradas A, B e C, usando o mapa de Karnaugh. Depois da simplificação chegamos às seguintes expressões: JA = C KA = 1 JB = A.C KB = A + C JC = A.B KC = 1 O circuito final é mostrado na fig. 5-13. Fig. 5-13: Circuito lógico final do contador FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 69 Registradores 6. Registradores 6.1- Introdução A utilização mais comum dos flip-flops é no armazenamento e transferência de informações. Essas informações são armazenadas em grupos de flip-flops chamados registradores. Além de armazenar informações, os registradores têm a capacidade de transferir essas informações para outros registradores. Isso é bastante interessante, já que o armazenamento e a transferência de dados são as principais características dos sistemas digitais. 6.2- Registradores de Deslocamento A fig. 6-1 mostra um registrador de deslocamento de 4 bits e suas formas de onda. Fig. 6-1: Registrador de deslocamento de 4 bits e formas de onda A cada pulso de clock, o valor contido nas entradas J e K dos flip-flops é transferido para a saída. Essa saída está conectada na entrada do próximo flipflop e no final de 4 pulsos de clock, o valor da entrada DADOS, que foi transferido serialmente, estará armazenado no registrador. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 70 Registradores 6.3- Transferência Paralela de Dados entre Registradores A fig. 6-2 mostra a transferência paralela de dados entre dois registradores: Fig. 6-2: Transferência paralela de dados entre registradores As saídas dos flip-flops que constituem o registrador X estão conectadas nas entradas dos flip-flops que constituem o registrador Y. Depois do pulso TRANFER, o conteúdo armazenado no registrador X é transferido para o registrador Y. 6.4- Transferência Serial de Dados entre Registradores A fig. 6-3 mostra a transferência serial de dados entre dois registradores. Fig. 6-3: Transferência serial de dados entre registradores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 71 Registradores 6.5- Comparação entre a Transferência Paralela e a Transferência Serial Na transferência paralela, os dados são transmitidos simultaneamente na ocorrência de um único pulso de transferência. Na transferência serial, cada bit é transmitido a cada pulso de transferência. Com relação à velocidade de transmissão, a transferência paralela é mais rápida do que a serial. Em compensação, a transferência paralela necessita de um número maior de conexões entre os registradores. 6.6- Contadores com Registradores de Deslocamento Registradores de deslocamento também podem ser usados como contadores: - Contador em Anel – O contador em anel é mostrado na fig. 6-4: Fig. 6-4: Contador em anel No contador em anel, um das saídas dos flip-flops está em 1 e as outras está em 0. Por ser um registrador de deslocamento, esse 1 é transferido para o próximo flip-flop e assim sucessivamente. A tabela 5-1 mostra a seqüência da contagem. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 72 Registradores Tabela 5-1: Pulso de Clock 0 1 2 3 4 5 6 7 Q3 1 0 0 0 1 0 0 0 Q2 0 1 0 0 0 1 0 0 Q1 0 0 1 0 0 0 1 0 Q0 0 0 0 1 0 0 0 1 Para o perfeito funcionamento deste tipo de contador, um dos flip-flops deve ter inicialmente o valor 1 e os outros 0. Isso pode ser feito através das entradas assíncronas PRESET e CLEAR. - Contador Johnson – O contador Johnson é mostrado na fig. 6-5: Fig. 6-5: Contador Johnson A tabela 5-2 mostra a seqüência de contagem do contador Johnson: Tabela 5-2: Pulso de Clock 0 1 2 3 4 5 6 7 Q2 0 1 1 1 0 0 0 1 Q1 0 0 1 1 1 0 0 0 Q0 0 0 0 1 1 1 0 0 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 73 Registradores 6.7- Circuitos Integrados de Registradores Os registradores podem ser classificados da forma com a qual seus dados são transferidos: - Entrada paralela / saída paralela – 74174, 74LS174, 74HC174; - Entrada serial / saída serial – 4731B; - Entrada paralela / saída serial – 74165, 74LS165, 74HC165; - Entrada serial / saída paralela – 74164, 74LS164, 74HC164. - Existem outras versões de registradores como, por exemplo: 74194, 74LS194, 74HC194 – registrador de deslocamento bidirecional universal de quatro bits com entrada paralela e saída paralela. 74373, 74LS373, 74HC373, 74HCT373 – registrador de oito bits de entrada paralela e saída paralela que contém oito latches tipo D com saídas em tristate. 74374, 74LS374, 74HC374, 74HCT374 – registrador de oito bits de entrada paralela e saída paralela que contém oito flip-flops tipo D com saídas em tristate. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 74 Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores 7. Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores 7.1- Decodificadores Decodificador é um circuito lógico que recebe em suas entradas um código que representa um número binário e ativa a saída correspondente a esse número binário. Os decodificadores são circuitos combinacionais sem memória mas são bastante usados em sistemas digitais. A fig. 7-1 mostra o diagrama de um decodificador de 3 linhas para 8 linhas: Fig. 7-1: Decodificador 3 para 8 A tabela 7-1 mostra a tabela verdade para o decodificador 3 para 8. Tabela 7-1: C B 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 O0 1 0 0 0 0 0 0 0 O1 0 1 0 0 0 0 0 0 O2 0 0 1 0 0 0 0 0 O3 0 0 0 1 0 0 0 0 O4 0 0 0 0 1 0 0 0 O5 0 0 0 0 0 1 0 0 O6 0 0 0 0 0 0 1 0 O7 0 0 0 0 0 0 0 1 Através da tabela verdade vemos que apenas uma saída é acionada, dependendo apenas do código de entrada. As entradas E1 e E2 são as entradas de habilitação do componente. Quando elas estiverem acionadas, ou seja, E1 = 0 e E2 = 1, o componente responderá às entradas A, B e C. Um exemplo de decodificador é o circuito integrado 74LS138/HC138. Ele é um decodificador de 3 linhas para 8 linhas. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 75 Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores Decodificadores BCD para Decimal Um exemplo de decodificador BCD para decimal é o circuito integrado 7442/LS42/HC42. Esses decodificadores também são denominados de decodificadores 4 para 10. Decodificadores/Driver BCD para Decimal O circuito integrado 7445 é um decodificador/driver BCD para decimal. O termo driver é usado porque este componente possui saídas com coletor aberto que podem operar com tensões e correntes maiores que uma saída TTL normal. Decodificadores/Driver BCD para 7 Segmentos Muitas aplicações que envolvem medições é necessário que o valor binário em um registrador ou contador seja mostrado em um display. Os circuitos integrados 7446 e 7447 são decodificadores BCD para 7 segmentos. O diagrama de um decodificador BCD para 7 segmentos é mostrado na fig. 7-2: Fig. 7-2: Decodificador BCD para 7 segmentos Como os displays usados são formados com LEDs, cada segmento do display necessita de uma corrente alta para acender. Circuitos TTL e CMOS não tem capacidade de fornecer corrente suficiente e por isso não são usados para acionar diretamente os displays. Os decodificadores/driver BCD para 7 segmentos podem acionar diretamente displays de LEDs. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 76 Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores 7.2- Codificadores Os codificadores executam a função contrária dos decodificadores. Nos codificadores apenas uma linha da entrada é acionada por vez e a saída terá o código da linha acionada. Fig. 7-3: Codificador 8 para 3 Note que não existe a entrada A0, já que se nenhuma entrada estiver acionada o código de saída é 000. A tabela 7-2 mostra a tabela verdade: Tabela 7-2: A1 A0 x 0 x 1 x 0 x 0 x 0 x 0 x 0 x 0 A2 0 0 1 0 0 0 0 0 A3 0 0 0 1 0 0 0 0 A4 0 0 0 0 1 0 0 0 A5 0 0 0 0 0 1 0 0 A6 0 0 0 0 0 0 1 0 A7 0 0 0 0 0 0 0 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 O circuito integrado 74147 é um codificador de prioridade decimal para BCD. O codificador de prioridade inclui uma lógica para garantir que, quando duas ou mais entradas estiverem acionadas, o código de saída corresponderá à entrada com número mais alto. Por exemplo, se as entradas A3 e A5 estiverem acionadas, o código na saída será 101 (5). O símbolo lógico do 74147 e sua tabela verdade são mostrados na fig. 7-4. Fig. 7-4: Codificador decimal para BCD FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 77 Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores A tabela 7-3 mostra a tabela verdade. Tabela 7-3: A A A 1 1 0 x x x x x x x x 2 1 1 0 x x x x x x x 3 1 1 1 0 X X X X X X A 4 1 1 1 1 0 x x x x x A 5 1 1 1 1 1 0 x x x x A 6 1 1 1 1 1 1 0 x x x A 7 1 1 1 1 1 1 1 0 x x A 8 1 1 1 1 1 1 1 1 0 x A 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 O 3 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 O 2 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 O 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 O 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 x = irrelevante A tabela 7-3 mostra o código BCD invertido. Os valores x indicam a prioridade do maior valor. 7.3- Multiplexadores Multiplexador ou seletor de dados (MUX) é um circuito lógico que recebe vários dados digitais de entrada e, por um determinado instante, envia esse dado para uma saída. As entradas de seleção determinam qual sinal de entrada deve ser enviado para a saída. Fig. 7-5: Multiplexador de 2 entradas A fig. 7-5 mostra um multiplexador de duas entradas. A entrada Seleção controla qual dado de entrada (I0 ou I1) será enviado para a Saída. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 78 Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores A fig. 7-6 mostra o diagrama de um multiplexador com 8 entradas, o 74151 (74LS151, 74HC151): Fig. 7-6: Multiplexador de 8 entradas A tabela 7-4 mostra a tabela verdade. Tabela 7-4: E S H X L S S 0 Z Z X X H L L L L I I0 L L L H I 1 I1 L L H L I 2 I2 L L H H I 3 I3 L H L L I 4 I4 L H L H I 5 I5 L H H L I 6 I6 L H H H I 7 I7 2 1 0 Já o circuito integrado 74157 (74LS157, 74HC157) contém quatro multiplexadores de duas entradas. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 79 Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores Aplicações de Multiplexadores As aplicações que utilizam multiplexadores são várias: seleção de dados de entrada, roteamento de dados, seqüenciamento de operações etc. A fig. 7-7 mostra um exemplo de uso de multiplexadores. Fig. 7-7: Exemplo de aplicação de multiplexador: o contador selecionado pela entrada Seleciona é mostrado no display A entrada Seleciona Contador do MUX (74LS157) determina qual dos contadores será mostrado no display. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 80 Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores 7.4- Demultiplexadores Demultiplexadores ou distribuidores de dados (DEMUX) executam a função inversa dos multiplexadores, ou seja, o DEMUX recebe uma única entrada e a distribui para a saída determinada pelas entradas de seleção. A fig. 7-8 mostra um demultiplexador de duas saídas: Fig. 7-8: Demultiplexador de 2 saídas Quando a entrada Seleção estiver em “0”, os dados da entrada I serão levados à saída O0. Se a entrada Seleção estiver em “1”, os dados da entrada I serão levados à saída O1. O circuito integrados 74LS138 (decodificador 3 para 8) também pode ser utilizado como demultiplexador, conforme a figura e a tabela abaixo: Fig.7-9: Demultiplexador de 8 saídas utilizando o 74LS138 A tabela 7-5 mostra a tabela verdade. Tabela 7-5: A2 A1 A0 O 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 I 7 O 6 1 1 1 1 1 1 I 1 O 5 1 1 1 1 1 I 1 1 O 4 1 1 1 1 I 1 1 1 O 3 1 1 1 I 1 1 1 1 O 2 1 1 I 1 1 1 1 1 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller O 1 1 I 1 1 1 1 1 1 O 0 I 1 1 1 1 1 1 1 81 Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores Aplicações de Demultiplexadores Um exemplo simples de aplicação de demultiplexadores pode ser visto na fig. 7-10. Fig. 7-10: Exemplo de uso de demultiplexador Um sinal de clock é usado por contador, registrador e outros dispositivos. O dispositivo que irá receber o sinal de clock é selecionado através das entradas de seleção A2, A1 e A0. Além de aplicações de distribuição de dados podemos usar demultiplexadores em sistemas de monitoração, transmissão de dados, etc. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 82 Aritmética Digital 8. Aritmética Digital 8.1- Introdução Uma máquina digital (computadores e calculadoras) manipula e armazena dados na forma binária. Dessa forma, as operações aritméticas também serão realizadas sobre os números na forma binária. A aritmética digital não é muito diferente da aritmética tradicional (base 10). As operações de adição, subtração, multiplicação e divisão são praticamente as mesmas, a não ser pelo número de algarismos usados nessas operações: 2. 8.2- Adição Binária A adição decimal é mostrada a seguir: 3 7 6 +4 6 1 8 3 7 A adição é feita a partir do algarismo menos significativo. Quando a adição resulta em um valor maior que 9 ocorre um carry (vai um) para a próxima posição. Na adição binária podemos encontrar apenas quatro possibilidades: 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1 + 1 = 10 (0 + carry 1 para a próxima posição) Por exemplo: + 011 110 1001 11,011 10,110 110,001 + 8.3- Representação de Números com Sinal Em sistemas digitais, os números binários são armazenados e manipulados em conjuntos de flip-flops, os registradores. Um registrador com 6 flip-flops pode armazenar números binários de 000000 a 111111 (0 a 6310), representando a magnitude do número. Como os computadores e calculadoras podem operar com números positivos e negativos, uma maneira de representar números positivos e negativos é mostrada na fig. 8-1. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 83 Aritmética Digital A6 0 Bit de Sinal (+) A5 1 A4 1 A3 A2 0 1 Magnitude = 5210 A1 0 A0 0 = +5210 A6 1 Bit de Sinal (-) A5 1 A4 1 A3 A2 0 1 Magnitude = 5210 A1 0 A0 0 = -5210 Fig. 8-1: Representação de números positivos e negativos O bit A6 é chamado bit de sinal, ou seja, ele determina qual o sinal do número. Esse número possui magnitude de 6 bits mais um bit de sinal. Embora esse sistema seja direto, computadores e calculadoras não o utilizam normalmente porque a implementação do circuito é mais complexa. O sistema de representação de números binários com sinal mais utilizado é o sistema de complemento a 2. Forma do Complemento a 1 O complemento a 1 de um número binário é obtido substituindo-se cada 0 por 1 e cada 1 por 0. Isso pode ser visto a seguir: 1 ↓ 0 0 ↓ 1 1 ↓ 0 1 ↓ 0 0 ↓ 1 1 ↓ 0 Forma do Complemento a 2 O complemento a 2 de um número binário é obtido tomando-se o complemento a 1 do número e adicionando-se 1 na posição do bit menos significativo. Por exemplo: 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 + 1 0 1 1 Equivalente binário de 4510 Complemento a 1 Adiciona-se 1 Complemento a 2 do número binário original FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 84 Aritmética Digital 8.4- Representação de Números com Sinal Usando Complemento a 2 O sistema de complemento a 2 para representar números com sinal funciona do seguinte modo: - Se o número é positivo, a magnitude é mostrada na sua forma binária direta e um bit de sinal 0 é colocado na frente do bit mais significativo (MSB). - Se o número é negativo, a magnitude é representada na sua forma de complemento a 2 e um bit de sinal 1 é colocado na frente do bit mais significativo (MSB). A6 0 Bit de Sinal (+) A5 1 A4 0 A3 A2 1 1 Binário direto A1 0 A0 1 = +4510 A6 1 Bit de Sinal (-) A5 0 A4 1 A3 A2 0 0 Complemento a 2 A1 1 A0 1 = -4510 Fig. 8-2: Representação de números positivos e negativos usando complemento a 2 Negação A negação é a operação que converte um número positivo no seu negativo equivalente ou um número negativo no seu positivo equivalente. Por exemplo: 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 = +9 (número binário original) 1 = -9 (complemento a 2, negar) 1 = +9 (negar novamente) Faixa de Representação do Complemento a 2 A faixa completa de valores que pode ser representada no sistema de complemento a 2 que tem N bits de magnitude é: -2N a +(2N-1) Por exemplo, com N = 3 bits, a faixa de números sinalizados é mostrada na tabela 8-1. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 85 Aritmética Digital Tabela 8-1: Valor Decimal +7 = 23 – 1 +6 +5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 = -23 Complemento a 2 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 Por exemplo, com N = 7 bits, mais um bit de sinal, a faixa de valores fica: 100000002 = -27 = -12810 011111112 = 28 = +12710 Adição no Sistema de Complemento a 2 Vamos analisar vários casos de adição: I) Dois números positivos: A adição de dois números positivos é direta. +9 → 0 1001 +4 → 0 0100 +13 0 1101 II) Um número positivo e um outro menor e negativo: O número negativo deve estar na forma de complemento a 2. +9 -4 +5 → 0 1001 → 1 1100 1 0 0101 A soma é feita sobre todos os bits, inclusive os bits de sinal. O carry (vai um) gerado na última posição (MSB) é sempre descartado. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 86 Aritmética Digital III) Um número positivo e um outro maior e negativo: -9 +4 -5 IV) → 1 0111 → 0 0100 1 1011 Dois números negativos: -9 → 1 0111 -4 → 1 1100 -13 1 1 0011 V) Dois números iguais em magnitude mas de sinais contrários: +9 -9 0 → 0 1001 → 1 0111 1 0 0000 Subtração no Sistema de Complemento a 2 A operação de subtração no sistema de complemento a 2, na verdade, envolve uma operação de adição. Quando subtraímos um número binário (o subtraendo) de outro número binário (minuendo), usamos o seguinte procedimento: - Negar o subtraendo. - Adicionar o número obtido ao minuendo. Por exemplo, +9 – (+4) = +5 +9 +4 → 0 1001 → 0 0100 +9 -4 +5 → 0 1001 → 1 1100 1 0 0101 Overflow Aritmético O overflow aritmético ocorre quando temos, por exemplo, a adição de +9 e +8: +9 +8 → 0 1001 → 0 1000 1 0001 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 87 Aritmética Digital O resultado esperado seria +17 mas a resposta tem um sinal negativo e uma magnitude incorreta. A representação do 17 precisa de mais de quatro bits, ocasionando um erro de overflow. O overflow pode ocorrer sempre que dois números positivos ou dois números negativos estão sendo somados. 8.5- Multiplicação de Números Binários A multiplicação de números binários é mostrada abaixo: 1001 = 910 1011 = 1110 1001 1001 0000 1001 1100011 = 9910 Na multiplicação acima os bits de sinais não foram usados. Observe que o primeiro multiplicando (1001) é deslocado para a esquerda com relação ao segundo multiplicando (1011). Depois disso, os resultados parciais são somados para obter o produto final. Multiplicação no Complemento a Dois A multiplicação no complemento a dois é feita do mesmo modo descrito anteriormente, desde que os dois multiplicandos estejam na forma binária verdadeira. Se os números a serem multiplicados forem positivos a multiplicação é feita conforme mostrado anteriormente e o bit de sinal é 0. Se os números forem negativos, eles devem ser convertidos para a forma binária verdadeira e o resultado será positivo (bit de sinal igual a 0). Quando os números a serem multiplicados tiverem sinais opostos, o número negativo deve ser convertido para a forma binário verdadeira através do complemento a dois. Como resultado esperado é negativo, deve ser aplicado o complemento a dois e o bit de sinal será 1. 8.6- Divisão de Números Binários A divisão binária é mostrada a seguir: 1001 11 011 11 0011 11 0 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 88 Aritmética Digital A divisão binária é igual à divisão decimal. A divisão de números com sinal é feita de maneira idêntica à multiplicação, onde os números negativos são transformados em positivos através do complemento a dois. 8.7- Adição de Números BCD Muitos computadores e calculadoras usam o código BCD para representar números decimais. Na operação de adição usando números representados pelo código BCD devem ser levadas em consideração duas possibilidades: - Soma menor ou igual a 9 – Por exemplo, 5 + 4: 5 +4 9 0101 +0100 1001 Outro exemplo, 45 + 33: 45 +33 78 - 0100 +0011 0111 0101 +0011 1000 A soma de cada dígito não gerou nenhum vai-um (carry). Soma maior do que 9 – Por exemplo, 6 + 7: 6 +7 13 0110 +0111 1101 O resultado da soma não é um código BCD, já que o resultado é um número maior do que 9. O resultado esperado seria 0001 0011 (13 BCD) e para corrigir isso devemos somar ao resultado o código 0110 (6 BCD), ou seja: 0110 +0111 1101 0110 0001 0011 6 (BCD) 7 (BCD) soma > 9 soma 6 13 (BCD) 8.8- Aritmética Hexadecimal Números hexadecimais são amplamente utilizados na programação de computadores em linguagem de máquina e na especificação de endereços de memória de computadores. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 89 Aritmética Digital Adição em Hexadecimal - O procedimento para a adição em hexadecimal é o seguinte: Some os dois dígitos hexadecimais em decimal, inserindo mentalmente o decimal equivalente para os dígitos maiores do que 9; Se a soma é menor ou igual a 15, ele pode ser expresso por um dígito hexadecimal; Se a soma é maior ou igual a 16, subtraia 16 e coloque um carry na próxima posição. Por exemplo: 58 +4B A3 Subtração em Hexadecimal Um modo eficiente de representar números binários é através dos números hexadecimais. A subtração hexadecimal utiliza o mesmo método dos números binários: o complemento a dois do subtraendo é somado ao minuendo e qualquer carry da posição MSD deverá ser descartado. O complemento a dois de um número hexadecimal é mostrado a seguir: 73A 0111 0011 1010 1000 1100 0110 8C6 Número hexadecimal Converte para binário Complemento a 2 Converte para hexadecimal Um outro método é mostrado a seguir: F –7 8 F –3 C 8 C F –A 5 +1 6 8.9- Circuitos Aritméticos A função essencial de computadores e calculadoras é a realização de operações aritméticas. Um bloco chamado Unidade Lógica e Aritmética (ULA) é responsável pelas operações aritméticas em um computador. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 90 Aritmética Digital Unidade Lógica e Aritmética O principal objetivo de uma ULA é aceitar dados binários armazenados na memória e executar as operações lógicas e aritméticas sobre estes dados de acordo com as instruções da unidade de controle. A fig. 8-3 mostra os principais blocos funcionais de uma ULA: Fig. 8-3: Blocos funcionais de uma ULA A ULA é constituída de, pelo menos, dois registradores: o registrador B e o registrador acumulador. Ela também possui lógica combinacional que realiza as operações lógicas e aritméticas sobre os números binários armazenados nos registradores B e acumulador. Por exemplo, os passos para a execução de uma operação de adição são mostrados a seguir: - A unidade de controle recebe uma instrução da unidade de memória especificando que um número armazenado em uma posição particular de memória deve ser adicionado ao número que está armazenado na acumulador; - O número a ser adicionado é transferido da memória para o registrador B; - O número no registrador B e o número no acumulador são somados nos circuitos lógicos (ao comando da unidade de controle). O resultado é enviado para o acumulador para ser armazenado. Somador Binário Paralelo Vamos analisar a seguinte operação de adição de dois números binários: + 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 Carry Acumulador Registrador B Soma FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 91 Aritmética Digital Podemos ver que cada bit das parcelas é somado para gerar um bit no resultado da adição. No caso de um carry (vai-um), esse também é somado, ou seja: + C4 A4 B4 S4 C3 A3 B3 S3 C2 A2 B2 S2 C1 A1 B1 S1 C0 A0 B0 S0 Carry Registrador A Registrador B Soma O diagrama de blocos de um somador binário paralelo é mostrado na fig. 8-4. Fig. 8-3: Diagrama em blocos de um somador binário paralelo O bloco SC #0 é chamado somador completo porque soma bits A0 e B0 das parcelas e ainda um possível bit C0 de carry. Projeto de um Somador Completo O bloco do somador completo possui três entradas (A, B e CIN) e duas saídas (S e COUT). As entradas A e B são os bits a serem adicionados e CIN é o carry do bit anterior. A saída S é o resultado da adição e COUT é a saída de carry, indicando um vai-um. A tabela 8-2 relaciona todos os possíveis casos de uma adição. Fig. 8-4: Bloco lógico do somador completo de 1 bit FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 92 Aritmética Digital Tabela 8-2: Bit de Bit de Bit de entrada da entrada da entrada do 1ª parcela 2ª parcela carry A B CIN 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Bit de saída da soma S 0 1 1 0 1 0 0 1 Bit de saída do carry COUT 0 0 0 1 0 1 1 1 Pelo método do Mapa de Karnaugh podemos encontrar a expressão para S e COUT: S = A.B.CIN + A.B.CIN + A.B.C IN + A.B.CIN = A ⊕ [ B ⊕ CIN ] C OUT = A.CIN + B.C IN + A.B A fig. 8-5 mostra o circuito de um somador completo (SC). Fig. 8-5: Circuito lógico do somador completo de 1 bit FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 93 Aritmética Digital A fig. 8-6 mostra um circuito de um somador paralelo completo de 4 bits com registrador. Fig. 8-6: Circuito lógico do somador paralelo completo de 4 bits O procedimento para um operação de adição é o seguinte: - Pulsar CLEAR para fazer registrador A = 0000; Colocar a primeira parcela a ser somada nas entradas D3D2D1D0 (esse dado pode estar vindo de uma memória). Pulsar LOAD para que as entradas sejam transferidas para o registrador B; Pulsar TRANSFER para a realização da operação de adição do conteúdo do registrador A com o conteúdo do registrador B. Nesse caso, o valor de B é transferido para A, resultando A = B; Colocar a segunda parcela a ser somada nas entradas D3D2D1D0. Pulsar LOAD para que as entradas sejam transferidas para o registrador B; Pulsar TRANSFER para a realização da operação de adição do conteúdo do registrador A com o conteúdo do registrador B. O resultado da adição está no registrador A (saídas). FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 94 Aritmética Digital 8.10- Somador Paralelo Integrado Os circuitos integrados 7483A, 74LS83A, 74283 e 74LS283 são somadores paralelos de quatro bits. 8.11- Ligação em Cascata de Somadores Paralelos Blocos de somadores podem ser associados em cascata de forma a efetuar adições de números binários maiores. Por exemplo, se dois somadores de quatro bits forem associados em cascata podemos efetuar adições de números com oito bits. 8.12- Circuito Integrados de ULAs As ULAs são circuitos capazes de realizar diversas operações lógicas e aritméticas sobre os dados binários de entrada. Dentre essas operações podemos citar: - Operação Clear; - Operação Soma; - Operação Subtração; - Operação EX-OR; - Operação OR; - Operação AND; - Operação PRESET. Os circuitos integrados 74LS382 e 74HC382 são ULAs que possuem as características acima citadas. O 74LS181/HC181 é uma ULA de quatro bits e tem até 16 operações diferentes. O 74LS881/HC881 é similar ao circuito integrado 181, mas tem a capacidade de realizar algumas operações lógicas adicionais. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 95 Aritmética Digital FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 96 Conversão Digital-Analógica 9. Conversão Digital-Analógica 9.1- Interface com o Mundo Analógico - Quantidade Digital – Valor especificado entre duas possibilidades (0 ou 1), alto ou baixo, verdadeiro ou falso. Para a lógica TTL: 0 V a 0,8 V = 0 Lógico 2 V a 5 V = 1 Lógico - Quantidade Analógica – Assume qualquer valor dentro de uma faixa contínua de valores e, mais importante, seu valor exato é significativo. 9.2- Sistema Digital Interfaceando com Grandezas Analógicas Fig. 9-1: Sistema digital interfaceando com grandezas analógicas Elementos: 1- Transdutor 2- Conversor A/D 3- Sistema Digital (Controlador/Computador, etc...) 4- Conversor D/A 5- Atuador FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 97 Conversão Digital-Analógica 9.3- Conversão Digital Analógica (D/A) Processo pelo qual um valor representado digitalmente é convertido para uma tensão ou corrente, que é proporcional ao valor digital. Fig. 9-2: Conversor digital-analógico de 4 bits Tabela 9-1: D 0 0 0 1 Pesos da Entrada C B A VOUT (V) 0 0 1 1 0 1 0 2 1 0 0 4 0 0 0 8 D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 VOUT (V) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 VREF é utilizada para determinar a “saída de fundo de escala” ou o máximo valor que o conversor D/A pode produzir. Equacionando temos: Saída Analógica = K * Entrada Digital onde K = fator de proporcionalidade, normalmente é constante para um conversor D/A em particular conectado a uma tensão de referência fixa. Para o exemplo acima: Saída Analógica 15 V K= = = 1V Entrada Digital 15 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 98 Conversão Digital-Analógica Resolução (Tamanho do Degrau) É a menor alteração que pode ocorrer na saída analógica como resultado de uma mudança na entrada digital. Para o exemplo anterior, a resolução é igual a 1V. Fig. 9-3: Resolução do conversor digital-analógico de 4 bits Resolução = K = A FS 2N − 1 onde: AFS = Saída de fundo de escala N = número de bits Resolução Percentual A resolução percentual é a porcentagem da saída de fundo de escala: Resolução(%) = Resolução(%) = Tamanho do degrau * 100 Fundo de escala 1V * 100 = 6,67 % 15 V FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 99 Conversão Digital-Analógica 9.4- Código de Entrada BCD Fig. 9-4: Conversor digital-analógico BCD de 8 bits Tabela 9-2: MSD D1 8,0 C1 4,0 LSD B1 2,0 A1 1,0 D0 0,8 C0 0,4 B0 0,2 A0 0,1 Cada grupo de código de quatro bits pode variar de 0000 a 1001, representando de 00 até 99. 9.5- Conversor D/A com Amplificador Operacional Fig. 9-5: Amplificador inversor com operacional Ganho G = V OUT = - VOUT − R 0 = VIN R 1 −R 0 *V IN R 1 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 100 Conversão Digital-Analógica Somador Fig. 9-6: Somador com amplificador operacional  − R    −R   −R   −R  0 *V + 0 *V + 0  * V + ... +  0 *V  VOUT = −   R  n   R  1  R  2  R  3  2   n   3   1   Na fig. 9-7 temos um conversor D/A de quatro bits. As entradas A, B, C, D possuem valores de 0 ou 5 V. Fig. 9-7: Conversor digital-analógico de 4 bits usando amplificador operacional Equação : V V V   VOUT = − V + C + B + A   D 2 4 8   Por exemplo, VD = VB = 5 V e VC = VA = 0 V. 0 5 0  VOUT = − 5 + + +  = −6,25V 2 4 8  FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 101 Conversão Digital-Analógica - Resolução = peso do LSB = 5 / 8 = 0,625V ou Afs / (2N –1) = 9,375 / 15 = 0,625V - Peso de cada bit: A = 0,625 V B = 1,25 V C = 2,5 V D = 5,0 V Para Rf = 500 Ω, a saída do fundo de escala é reduzida por um fator 2 e cada peso de entrada será 2 vezes menor que os valores originais. Sendo assim, a saída de fundo de escala = -9,375 / 2 = -4,688 V. 9.6- Fatores Importantes na Precisão da Conversão 1) Precisão dos resistores de entrada e de realimentação (podem ser facilmente encontrados); 2) Precisão dos níveis de tensão das entradas (consegue-se com circuitos auxiliares). Fig. 9-8: Conversor D/A com fonte de referência de precisão FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 102 Conversão Digital-Analógica 9.7- Conversores D/A com Saída em Corrente Fig. 9-9: Conversor D/A com saída em corrente Admitindo-se Vref = 10V, R = 10 KΩ e RL muito menor do que R, temos: IOUT = VREF / R = 1 mA -> peso do MSB (comandado pelo bit B3). Logo: B2 -> I = 0,5 mA B1 -> I = 0,25 mA B0 -> I = 0,125 mA -> resolução do D/A Saída de fundo de escala => Iout = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 = 1,875 mA. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 103 Conversão Digital-Analógica 9.8- Rede R/2R Os conversores D/A que utilizam resistores ponderados tem algumas limitações na prática: os resistores dos bits mais e menos significativos tem grande diferença de valores e muitas vezes não existem resistores de precisão nas razões escolhidas. A rede R/2R é arranjada utilizando apenas 2 valores de resistores. Fig. 9-10: Conversor D/A com rede R/2R Se analisarmos o circuito veremos que o valor Vout de saída será: Vout = -(Vref / 8) * B onde B é o valor binário (0 a 15 decimal). 9.9- Especificações de Conversores D/A - Resolução - Depende apenas do número de bits (10 bits tem maior resolução do que 8 bits). - Precisão - Definida a partir dos erros de fundo de escala e linearidade. O erro de fundo de escala é máximo desvio da saída do conversor D/A em relação ao valor esperado. O erro de linearidade é máximo desvio em tamanho do degrau do tamanho de degrau ideal. Para um conversor D/A com degrau 0,625 V e erro de linearidade de 0,01% F.S. o tamanho do degrau real poderia estar até 0,9375 mV do esperado. - Erro de Offset - Em condições ideais, a saída do conversor D/A será zero volts quando a entrada binária for zero. Na prática, pode existir uma tensão muito pequena que será somada à tensão de saída, ocasionando o erro de offset. Muitos conversores D/A possuem um ajuste externo de offset que nos permite zerar o offset. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 104 Conversão Digital-Analógica - Tempo de Estabilização - Tempo necessário para a saída do conversor D/A ir de zero até o fundo de escala quando a entrada binária muda todos os bits de 0 para 1. Tempos de estabilização variam de 50 ns a 10 µs. Saídas em corrente são mais rápidas do que em tensão. - Monotonicidade - Um conversor D/A é monotônico se sua saída aumenta conforme a entrada binária é incrementada de um valor para o próximo. 9.10- Circuito Integrado de Conversão D/A – AD7524 Fig. 9-11: Conversor D/A AD7524 Características: - 8 bits - rede R/2R - saída em corrente/tensão - tempo de estabilização de 100 ns - precisão de fundo de escala de ±0,2% F.S. - Vref varia de 0 a +25V ou 0 a -25V 9.11- Aplicações de Conversores D/A - Controle - A saída digital de um computador pode ser convertida em um sinal de controle analógico para ajustar a velocidade de um motor ou a temperatura de um forno, ou controlar quase qualquer variável física. - Teste Automático - Sinais analógicos podem ser gerados por computadores para testes de circuitos analógicos, cuja resposta será convertida para um valor digital e será levada a um computador onde será armazenada e analisada. - Reconstrução de Sinais - Em várias aplicações um sinal analógico é digitalizado (conversão A/D) e armazenado. Um conversor D/A pode ser usado para converter dados digitalizados em sinais analógicos novamente. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 105 Conversão Digital-Analógica - Conversão A/D - Muitos conversores A/D utilizam conversores D/A em seus circuitos. - Conversores D/A Seriais - Muitas destas aplicações envolvem microprocessadores, que enviam serialmente um conjunto de bits que define qual dos conversores D/A serão usados e qual o sinal a ser convertido. Fig. 9-12: Conversor D/A serial com várias saídas FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 106 Conversão Analógico-Digital 10. Conversão Analógico-Digital 10.1- Introdução Um conversor A/D recebe uma tensão analógica de entrada e depois de um certo tempo produz um código digital de saída que representa a entrada analógica. Muitos tipos importantes de conversores A/D possuem um conversor D/A como parte de seus circuitos. A fig. 10-1 mostra o esquema básico de um tipo de conversor A/D. Fig. 10-1: Diagrama em blocos de um conversor analógico-digital Funcionamento: 1) Um pulso START inicia a operação; 2) Numa taxa determinada pelo CLOCK, a unidade de controle modifica o valor armazenado no registrador; 3) O valor binário armazenado no registrador é convertido para uma tensão analógica, Vax, pelo conversor D/A; 4) O amplificador operacional compara Vax com a entrada analógica Va. Se Vax < Va, a saída do comparador fica em ALTO. Quando Vax > Va (por, no mínimo, uma tensão limiar Vt), a saída do comparador vai para BAIXO e pára o processo de modificar o número no registrador. Neste ponto Vax ≅ Va, dentro da resolução e precisão do sistema; 5) A lógica de controle sinaliza o fim da conversão (EOC). FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 107 Conversão Analógico-Digital 10.2- Conversor A/D de Rampa Digital O conversor A/D de rampa digital utiliza um contador como registrador e um sinal de clock incrementa esse contador até que Vax ≥ Va. A figura seguinte mostra o funcionamento desse tipo de conversor A/D: Fig. 10-2: Conversor analógico-digital tipo rampa digital 10.3- Precisão e Resolução de Conversores A/D Uma fonte de erro no método da rampa digital é que o tamanho do degrau ou resolução do conversor D/A interno é a menor unidade de medida. Mesmo tornando o tamanho do degrau menor sempre haverá uma diferença entre a quantidade analógica (real) e o valor digital associado a ela. Isto é chamado erro de quantização. Esse erro pode ser minimizado aumentando-se o número de bits do contador e do conversor D/A. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 108 Conversão Analógico-Digital Tempo de Conversão tc O tempo de conversão corresponde ao intervalo de tempo entre o fim do pulso START e a ativação da saída EOC . O tempo máximo de conversão é: tc (max) = (2N-1) * Período de Clock A desvantagem do método de rampa digital é que o tempo de conversão aumenta com o número de bits. 10.4- Aquisição de Dados Em muitas aplicações, dados analógicos devem ser digitalizados e transferidos para o microcomputador. Este processo é chamado aquisição de dados. Numa aplicação de armazenamento (por exemplo, áudio) os dados são transferidos para a memória do computador e depois podem ser convertidos novamente em sinais analógicos. Em aplicações de controle, esses dados constituem informações e, através delas, o computador irá acionar ou não suas saídas de controle. Fig. 10-3: Sistema digital utilizando um conversor A/D para aquisição de dados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 109 Conversão Analógico-Digital 10.5- Reconstrução de Sinais Digitalizados Sinais digitalizados podem ser “recuperados” usando-se conversores D/A e filtros RC passa-baixa. Para sinais em baixa freqüência isso é suficiente. Fig. 10-4: Sinal analógico amostrado por um conversor A/D e sinal reconstruído por um conversor D/A e filtros passa-baixa FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 110 Conversão Analógico-Digital 10.6- Conversor A/D de Aproximações Sucessivas Este conversor é um dos tipos mais usados, principalmente porque o tempo de conversão é muito menor que o tempo do conversor A/D de rampa. Além disso, esse tempo é fixo e não depende da entrada analógica. Fig. 10-5: Conversor analógico-digital de aproximações sucessivas A principal diferença desse conversor para o conversor A/D de rampa é que o conversor de aproximação sucessiva não usa contador e sim um registrador onde cada bit é modificado até que o dado contido no registrador seja o equivalente digital da entrada analógica. Como exemplo podemos considerar um conversor A/D de aproximações sucessivas de 4 bits com resolução de 1V e Va = 10,4V. Seqüência A lógica de controle limpa todos os bits no registrador (0000). Com isso, Vax = 0 e então a saída do comparador está em ALTO. O bit mais significativo é colocado em 1 pela lógica de controle (1000). Esse código produz Vax = 8V. Como Vax < Va, então a saída do comparador continua em ALTO. Este nível alto informa para a lógica de controle que o ajuste desse bit (MSB) não fez Vax exceder Va e portanto esse bit deve ser mantido em 1. Agora o próximo bit é colocado em 1 (1100). Isso gera Vax = 12V e torna Vax > Va. A saída do comparador vai para BAIXO e esso sinaliza para a lógica de controle que o valor Vax é muito grande e então a lógica de controle coloca esse bit em 0. Assim o conteúdo do registrador volta a 1000 e Vax = 8V. O próximo bit é colocado em 1 (1010) e Vax vai para 10V. Então Vax < Va, resultando nível ALTO na saída do comparador, sinalizando para a lógica de controle para manter esse bit em 1. O último bit é colocado em 1 (1011) gerando Vax = 11V. Como Vax > Va, a lógica de controle coloca esse bit em 0. Nesse instante, todos os bits FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 111 Conversão Analógico-Digital foram testados e o resultado está no registrador. Esse conversor gera um equivalente digital igual a 10V, menor que a tensão analógica de entrada. Fig. 10-6: A tensão Vax em função do tempo Tempo de Conversão Como a operação de conversão é executada bit a bit e o processamento de cada bit corresponde a um ciclo de clock, o tempo total de conversão é: tc = N * (Período de clock) Esse tempo é constante, não importando o valor de Va. 10.7- ADC0804 – Conversor A/D de Aproximações Sucessivas Fig. 10-7: Conversor A/D ADC0804 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 112 Conversão Analógico-Digital Características: - - - - - Tem duas entradas analógicas, Vin(+) e Vin(-), para permitir entradas diferenciais. A entrada analógica real, Vin, é a diferença das tensões aplicadas nestes pinos (Vin = Vin(+) - Vin(-)). Para medições comuns, Vin(-) é conectada ao terra e a entrada analógica é Vin(+). Esse conversor utiliza Vcc = +5V como referência e entrada analógica de 0 a 5V. A tensão analógica é convertida em uma saída digital de 8 bits. A saída digital tem um buffer tristate. A resolução é 19,6 mV. 1 Possui gerador de clock interno onde f = , onde R e C são 1,1.R.C componentes externos. Com uma freqüência de 606 kHz, o tempo de conversão é de aproximadamente 100 µs. Possui conexões de terra separadas para tensões digitais e analógicas. O terra digital é muito ruidoso devido às rápidas mudanças de estado do circuito. CS (Chip Select - Seleção do Chip) - esta entrada deve estar em nível BAIXO para que as entradas RD e WR tenham efeito. Com CS em ALTO, as saídas digitais ficarão em alta impedância. RD (Read - Leitura) - Sinal usado para habilitar os buffers da saída digital. Com CS = RD = 0, as saídas digitais conterão o resultado da última conversão. WR (Write - Escrita) - Um pulso para BAIXO neste pino inicia nova conversão. INTR (Interrupt - Interrupção) - Este sinal de saída vai para ALTO no início da conversão e para BAIXO no fim da conversão. Vref/2 - Usado para mudar a tensão de referência. Tabela 10-1: Vref / 2 Em aberto 2,25 2,0 1,5 - Faixa Analógica de Entrada (V) 0-5 0-4,5 0-4 0-3 Resolução (mV) 19,6 17,6 15,7 11,8 Clock Out - Um resistor é conectado neste pino para utilização do clock interno. Clock In - Usado como entrada de clock externo ou conexão com capacitor quando se utiliza clock interno. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 113 Conversão Analógico-Digital 10.8- Conversor A/D Flash É o conversor A/D de maior velocidade mas requer um número muito maior de circuitos. Por exemplo, um conversor A/D flash de 6 bits necessita de 63 comparadores analógicos enquanto uma unidade com 8 bits necessita de 255. Fig. 10-8: Conversor A/D Flash Os resistores formam um divisor de tensão que serão utilizadas como referência para os comparadores analógicos. Se a tensão analógica Va for maior que a tensão de referência dos comparadores, estes irão para nível BAIXO e a lógica de prioridade gerará o código correspondente. Para aumentar a resolução teríamos que aumentar o número de resistores e consequentemente dos comparadores e o tamnaho do codificador de prioridade. De um modo geral, o conversor flash é o mais rápido porque a conversão é direta mas necessita de 2N-1 comparadores e 2N resistores, além da lógica do codificador de prioridade aumentar. Tempo de Conversão O conversor flash não usa clock e por isso seu tempo de conversão só depende do atraso do circuitos (comparadores e codificador). Esse tempo é menor que 20 ns. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 114 Conversão Analógico-Digital 10.9- Outros Métodos de Conversão A/D - Conversor A/D de rampa digital crescente/decrescente (conversor A/D rastreador) Esse conversor utiliza um contador projetado para contar crescentemente sempre que Vax < Va e contar decrescentemente se Vax > Va. Assim a saída do D/A (Vax) sempre irá convergir para Va. Quando houver um cruzamento das tensões o comparador muda de estado e a lógica de controle indica fim da conversão e o valor digital está no contador. Esse tipo de conversor é mais rápido que o conversor A/D de rampa mas o tempo de conversão ainda depende de Va. - Conversor A/D de rampa dupla O conversor A/D de rampa dupla possui um dos tempos de conversão mais longos. A operação básica desse conversor envolve a carga e a descarga linear de um capacitor por meio de correntes constantes. Fig. 10-9: Carga e descarga do capacitor em um conversor A/D de rampa dupla Inicialmente, o capacitor é carregado num intervalo de tempo fixo T1 por uma corrente constante derivada da tensão analógica de entrada, Va. No final desse tempo, a tensão do capacitor será proporcional a Va. Agora o capacitor é descarregado linearmente por uma corrente constante derivada de uma tensão de referência precisa, VREF. O tempo de descarga T2 é medido por um contador e quando a descarga termina o contador pára. O valor no contador é proporcional à tensão inicial do capacitor, ou Va. As principais vantagens desse conversor A/D são: baixo custo e baixa sensibilidade ao ruído e às variações dos componentes decorrentes às mudanças de temperatura. Por ter um tempo de conversão relativamente alto, não são usados em aplicações de aquisição de dados. Esses conversores podem ser encontrados em voltímetros ou multímetros digitais. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 115 Conversão Analógico-Digital - Conversor A/D de tensão-freqüência O conversor A/D de tensão-freqüência é mais simples do que os outros conversores A/D porque não utiliza um conversor D/A. Em vez disso, ele usa um oscilador controlado à tensão linear (VCO – voltage-controlled oscillator) que produz um freqüência de saída proporcional à sua tensão de entrada. A tensão analógica a ser convertida é aplicada à entrada do VCO para gerar uma freqüência de saída. Essa freqüência é levada para um contador para ser contada por um intervalo de tempo fixo. O valor da contagem final é proporcional ao valor da tensão analógica. A principal aplicação desse tipo de conversor A/D está em ambientes industriais ruidosos onde pequenos sinais analógicos devem ser transmitidos de circuitos transdutores para um computador de controle. - Conversor A/D sigma-delta (Σ Σ-∆ ∆) A fig. 10-10 mostra o circuito básico de um conversor A/D sigma-delta. Fig. 10-10: Diagrama em blocos de um conversor A/D sigma-delta A entrada analógica é comparada com uma amostra anterior e a diferença é integrada. A seqüência de valores digitais obtidos é processada por um filtro digital complexo e depois de várias amostragens o valor digital é colocado na saída. Para se ter um valor na saída filtro digital, a freqüência de amostragem desse conversor A/D deve ser bastante alta, normalmente centenas de vezes a freqüência máxima de entrada (oversampling). Tipicamente, uma amostra digital pode ter 24 bits de resolução. Esse tipo de conversor A/D é bastante utilizado em instrumentação, aplicações de áudio e vídeo, aquisição de dados, processamento digital de sinais (DSP), etc. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 116 Memórias 11. Memórias 11.1- Introdução A principal vantagem dos sistemas digitais sobre os analógicos é a capacidade de armazenar grandes quantidades de informações. Esta capacidade é que torna os sistemas digitais tão versáteis e adaptáveis às diversas situações. Um dispositivo de memória conhecido é o flip-flop. Grupos de flip-flops, chamados registradores, são elementos de memória de alto desempenho que são muito usados nas operações internas de um computador. Um outro dispositivo de memória pode ser um capacitor onde os dados são armazenados como cargas. Estes dois dispositivos são os principais elementos que formadores das memórias dos sistemas digitais atuais. 11.2- Definição de Termos Básicos - Célula de memória – dispositivo ou circuito capaz de armazenar um bit. Por exemplo, um flip-flop, um capacitor, etc. - Palavra de memória – grupo de bits (células) em uma memória que representa instruções ou dados. - Byte – conjunto de 8 bits. - Capacidade – número de bits que podem ser armazenados em um dispositivo de memória. a) Um certo chip de memória semicondutora é especificado como 2K x 8. Quantas palavras podem ser armazenadas neste chip? Qual é o tamanho da palavra? Quantos bits esse chip pode armazenar no total? R: A memória possui capacidade de 2K = 2 x 1024 = 2048 palavras. Cada palavra tem 8 bits (um byte). O número total de bits é 2048 x 8 = 16384 bits. b) Qual das memórias armazena mais bits: uma memória de 5M x 8 ou uma memória que armazena 1M palavras com um tamanho de palavra de 16 bits? R: 5M x 8 = 5 x 1048576 x 8 = 41943040 bits 1M x 16 = 1048576 x 16 = 16777216 bits A memória de 5M x 8 armazena mais bits. - Densidade – termo relativo à capacidade. Se um dispositivo é mais denso que outro ele tem capacidade de armazenar mais bits no mesmo espaço. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 117 Memórias - Endereço – número que localiza a posição de uma palavra na memória. Tabela 11-1: Endereço 000 001 010 011 100 101 110 111 Cada palavra tem um endereço binário específico Conteúdo Palavra 0 Palavra 1 Palavra 2 Palavra 3 Palavra 4 Palavra 5 Palavra 6 Palavra 7 - Leitura ou busca – operação na qual uma palavra binária localizada numa determinada posição (endereço) de memória é detectada e transferida para outro dispositivo. - Escrita ou armazenamento – operação na qual uma nova palavra é colocada numa determinada posição de memória. - Tempo de acesso – tempo necessário entre a memória receber uma nova entrada de endereço e os dados se tornarem disponíveis na saída da memória. Este parâmetro é usado para medição de desempenho da memória. - Ciclo de Memória – intervalo mínimo entre dois acessos sucessivos à memória. - Memória volátil – tipo de memória que necessita de aplicação de energia para poder armazenar a informação. - Memória de acesso aleatório (RAM) – memória onde o tempo de acesso é o mesmo para qualquer posição. - Memória de acesso seqüencial (SAM) – memória onde, para se localizar uma determinada posição, é preciso passar por todos os endereços. Por exemplo, fitas magnéticas. - Memória de leitura e escrita (RWM) – memória que pode ser tanto lida como escrita. - Memória somente de leitura (ROM) – Memória onde as informações armazenadas só podem ser lidas. - Memória estática – tipo de memória onde os dados permanecem armazenados enquanto existir energia, sem a necessidade de atualização periódica da informação. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 118 Memórias - Memória dinâmica – tipo de memória onde os dados permanecem armazenados enquanto existir energia, mas com periódica atualização da informação (Refresh). 11.3- Princípios de Operação das Memórias Independente dos tipos de memórias existentes, o princípio básico de operação é o mesmo: - Selecionar o endereço a ser acessado (leitura ou escrita); - Selecionar o tipo de operação: leitura ou escrita; - Se a operação for escrita, fornecer os dados de entrada; - Se a operação for leitura, os dados estarão disponíveis na saída; - Habilitar a memória para que a operação seja concluída e desabilitar a memória para que ela não responda às entradas de endereço e ao comando de leitura/escrita. Fig. 11-1: Diagrama de uma memória de 32 x 4 Entradas de Endereços Usando a memória mostrada na fig. 11-1, podemos notar que ela possui 5 entradas de endereço (A0 a A4). Logo existem 32 posições (2N, onde N é o nº de bits) de armazenamento que podem ser ocupadas por palavras de 4 bits (D0 a D3). A Entrada R / W Esta entrada controla a operação que deve ser realizada na memória: leitura (R – Read) ou escrita (W – Write). Quando esta entrada estiver em “1” ocorre a operação de leitura, quando em “0” ocorre a operação de escrita. Algumas memória usam os símbolos W (escrita) ou WE (habilitação de escrita) para identificar esta entrada. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 119 Memórias Habilitação de Memória (ME) A todo momento a memória possui níveis lógicos em suas entradas e o pino de habilitação de memória impede que ela responda a estes níveis lógicos, evitando assim um acesso errôneo nesta memória. Esta entrada pode ser identificada como CE (chip enable) ou CS (chip select). Exemplo: Uma determinada memória tem uma capacidade de 4K x 8. Quantas linhas de entrada/saída de dados ela tem? R: Oito, pois o tamanho da palavra é oito bits. Quantas linhas de endereço ela tem? R: A memória armazena 4K = 4 x 1024 = 4096 palavras. Tendo em vista que 4096 = 212, logo a memória tem 12 bits (linhas) de endereço. Qual é a sua capacidade em bytes? R: Um byte tem oito bits, então esta memória tem uma capacidade de 4096 bytes. 11.4- Conexões da Memória com a CPU As memórias RAM e ROM são interfaceadas com a CPU através de três grupos de linhas de sinais ou barramentos: barramentos de endereço, barramento de dados e barramento de controle. Fig. 11-2: Conexões entre a CPU e as memórias - Barramento de endereços – barramento unidirecional que leva o endereço proveniente da CPU para a memória para selecionar uma posição de memória. - Barramento de dados – barramento bidirecional que transfere dados entre a CPU e a memória. - Barramento de controle – barramento que leva sinais de controle da CPU para a memória. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 120 Memórias Exemplo: Operação de escrita: - A CPU coloca o endereço binário da posição de memória onde o dado deve ser armazenado no barramento de endereços. - A CPU coloca o dado a ser armazenado no barramento de dados. - A CPU ativa as linhas de controle para a operação de escrita. - A memória decodifica o endereço e localiza a posição onde o dado deve ser armazenado. - O barramento de dados é transferido para a posição de memória. Operação de leitura: - A CPU coloca o endereço binário da posição a ser lida da memória no barramento de endereços. - A CPU ativa as linhas de controle para operação de leitura. - A memória decodifica o endereço e localiza a posição a ser lida. - A memória transfere o dado armazenado nesta posição para o barramento de dados, onde a CPU vai buscá-los. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 121 Memória Somente de Leitura (ROM) 12. Memória Somente de Leitura (ROM) 12.1- Introdução A memória somente de leitura (ROM) é um tipo de memória onde os dados nela armazenados não são alterados ou não mudam com freqüência. 12.2- Diagrama em Blocos de uma ROM O diagrama típico de uma ROM é mostrado na fig. 12-1. Fig. 12-1: Diagrama de uma ROM O sinal de controle CS (seleção do chip) habilita a operação de leitura da posição indicada no barramento de endereços. O dado é transferido para o barramento de dados. Quando CS está em ALTO, as saídas da ROM ficam desabilitadas (alta impedância). FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 122 Memória Somente de Leitura (ROM) 12.3- Arquitetura de uma ROM Uma ROM é constituída conforme a fig. 12-2. Fig. 12-2: Arquitetura interna de uma ROM (16 x 8) - Matriz de registradores – onde os dados serão armazenados. Cada registrador contém um número de células de memória igual ao tamanho da palavra utilizada. Cada registrador tem duas entradas de habilitação (E): ambas devem estar em ALTO para que os dados do registrador sejam colocados no barramento de dados. - Decodificadores de endereços – o barramento de endereço é separado em duas vias: a primeira seleciona a linha e a segunda seleciona a coluna onde o registrador se localiza. Exemplo: Qual o registrador que será habilitado pelo endereço 1101? Que endereço irá habilitar o registrador 7? - Buffers de saída – o registrador que está habilitado pelas entradas de endereço coloca seu conteúdo no barramento de dados. Estes dados vão para os buffers de saída, que colocarão os dados na saída de dados externa, desde que CS esteja em BAIXO. Se CS estiver em alto, os buffers de saída ficarão em alta impedância. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 123 Memória Somente de Leitura (ROM) 12.4- Temporização de uma ROM O atraso de propagação entre a aplicação dos sinais de entrada e o aparecimento dos dados na saída, durante a operação de leitura, é chamado tempo de acesso (tACC). Existe um outro parâmetro de temporização chamado tempo de habilitação da saída (tOE), que representa o atraso entre a entrada CS e a saída de dados válidos. Fig. 12-3: Temporização de uma ROM 12.5- Tipos de ROM - ROM Programada por Máscara – este tipo de ROM tem suas posições escritas (programadas) pelo fabricante de acordo com as especificações do cliente. Uma máscara (tipo de negativo fotográfico) é usada para informar as conexões elétricas do chip. Este tipo de ROM é usado para armazenar tabelas ou informações pré-programadas como códigos geradores de caracteres de terminais de vídeo. - ROM Programável (PROM) – tipo de memória ROM onde a programação é feita apenas uma única vez pelo usuário. Esta programação consiste na queima ou não de um fusível que corresponde a um bit de informação por um equipamento chamado programador. - ROM Programável e Apagável (EPROM) – tipo de memória ROM que pode ser programada e apagada pelo usuário várias vezes. O processo de programação consiste em aplicar certos níveis de tensões que provocam a condução permanente ou não condução de transistores MOS. O apagamento da memória é feito pela exposição dos circuitos internos à luz ultravioleta através de uma “janela”. - PROM Apagável Eletricamente (EEPROM) – é uma melhoria em relação às EPROMs pois pode ser tanto programada como apagada eletricamente. Assim, elas podem ser programadas e apagadas no próprio circuito, sem a necessidade de luz ultravioleta ou um programador especial. - CD ROM – tipo de armazenamento somente para leitura que utiliza tecnologia laser. Os bits são definidos pela reflexão ou não de um feixe laser apontado para um ponto do disco. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 124 Memória Somente de Leitura (ROM) - Memória Flash – tipo de memória não-volátil, apagável eletricamente como a EEPROM, mas com densidades e custos semelhantes aos da EPROM, com o mesmo tempo de acesso de ambas. Fig. 12-4: Comparação entre tipos de ROM 12.6- Aplicações de ROMs - Firmware – armazenamento de programas ou dados que devem estar disponíveis no processo de inicialização de sistemas microprocessados. Por exemplo, produtos como videocassetes, CD players, fornos microondas etc. - Memória de Bootstrap – tipo de programa armazenado em uma ROM que trata da inicialização do hardware de um computador. Após a inicialização, o programa de bootstrap chama o sistema operacional e o computador começa a executar o sistema operacional. - Tabela de Dados – as ROMs são bastante utilizadas para armazenar tabelas de dados que não variam. Por exemplo, tabela trigonométricas, códigos ASCII, etc. - Conversor de Códigos – este tipo de aplicação toma valores expressos em um determinado tipo de código e produz uma saída expressa em outro código. Por exemplo, o código BCD pode ser convertido para 7 segmentos por uma ROM. - Gerador de Funções – basicamente, um gerador de funções é um circuito que produz formas de onda senóides, triangulares e quadradas. Uma ROM com tabelas de valores armazenados e um conversor D/A podem ser usados para gerar essas formas de onda. - Armazenamento Auxiliar – dados podem ser armazenados em memórias ROM apagáveis (EPROM, EEPROM, FLASH), tornando essas memórias como alternativa aos discos magnéticos de armazenamento. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 125 Memória de Acesso Aleatório (RAM) 13. Memória de Acesso Aleatório (RAM) 13.1- Introdução A memória de acesso aleatório (RAM) semicondutora é um tipo de memória onde podemos tanto ler como escrever dados. A principal vantagem de uma RAM é o fato de ela poder ser escrita e lida rapidamente com a mesma facilidade. Uma desvantagem seria o fato da RAM ser volátil, isto é, se a alimentação for desligada ela perde a informação. 13.2- Arquitetura de uma RAM A arquitetura típica de uma RAM é mostrada na fig. 13-1. Fig. 13-1: Organização Interna de uma RAM de 64 x 4 A fig. 13-1 mostra uma RAM que armazena 64 palavras de quatro bits (memória 64 x 4). Estas palavras têm endereços que vão de 0 a 63. Para selecionar uma das 64 posições para escrita ou leitura, um endereço binário é fornecido ao circuito decodificador. Cada endereço ativa uma saída do decodificador, habilitando o seu registrador correspondente. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 126 Memória de Acesso Aleatório (RAM) Operação de Leitura A operação de leitura do conteúdo de um registrador é feita da seguinte maneira: - Coloca-se o endereço da posição de memória a ser lida no barramento de endereços; - Indica-se a operação de leitura através da entrada R / W , colocando essa entrada em ALTO; - Habilita-se o chip de memória para concluir a operação colocando a entrada CS em BAIXO. Quando a memória está habilitada para leitura, os buffers de entrada são desabilitados e os buffers de saída são habilitados e o conteúdo da posição de memória selecionada é colocada nas quatro saídas de dados. Operação de Escrita A operação de escrita de um dado novo em um registrador selecionado é feita do seguinte modo: - Coloca-se o endereço da posição de memória a ser escrita no barramento de endereços; - Coloca-se o dado a ser escrito no barramento de dados; - Indica-se a operação de escrita através da entrada R / W , colocando essa entrada em BAIXO; - Habilita-se o chip de memória para concluir a operação colocando a entrada CS em BAIXO. Quando a memória está habilitada para escrita, os buffers de entrada são habilitados e os buffers de saída são desabilitados e o conteúdo da posição de memória selecionada é perdida com a escrita do novo dado. Quando a entrada CS (chip select – seleção de chip) está em ALTO (memória desabilitada), tanto suas entradas como suas saídas estão em tristate (alta impedância), evitando assim escrita ou leitura errônea neste chip. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 127 Memória de Acesso Aleatório (RAM) 13.3- RAM Estática (SRAM) Este tipo de memória armazena os dados enquanto for mantida a alimentação. Suas células são compostas de flip-flops, e por isso seu conteúdo não é perdido enquanto houver alimentação. Temporização de uma RAM Estática Um computador utiliza RAMs como memórias principais e essas memórias devem ser rápidas o suficiente para responderem aos comandos de leitura e escrita que a CPU está constatemente realizando. Ciclo de Leitura O ciclo de leitura é mostrado na fig. 13-2. Fig. 13-2: Ciclo de leitura de uma RAM estática Onde: trc = intervalo de duração do ciclo de leitura; tacc = tempo de acesso à RAM; tco = tempo que a saída da RAM leva para sair de alta impedância e ter um dado válido; tod = tempo decorrido entre a desabilitação da RAM e o instante que as saídas da RAM vão para alta impedância. Durante o ciclo de leitura, a CPU coloca um endereço no barramento de endereços ligado à RAM. Este endereço corresponde à posição de memória que deve ser lida. A CPU sinaliza a operação de leitura através de um nível ALTO na entrada R / W . A CPU habilita a memória colocando a entrada CS em nível BAIXO. A RAM responde a isso colocando o conteúdo da posição endereçada nas saídas de dados. Depois disso a memória é desabilitada ( CS é ALTO) e suas saídas ficam em tri-state (alta impedância). FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 128 Memória de Acesso Aleatório (RAM) Ciclo de Escrita O ciclo de escrita é mostrado na fig. 13-3. Fig. 13-3: Ciclo de escrita de uma RAM estática Onde: twc = intervalo de duração do ciclo de escrita; tas = tempo para estabilização do barramento de endereços, antes de habilitar a RAM; tah = intervalo necessário para que o barramento de endereços permaneça estável; tw = tempo de escrita, onde CS e R / W ficam em BAIXO; tds = tempo que os dados devem ser mantidos na entrada antes da desabilitação de CS e R / W ; tdh = tempo que os dados devem ser mantidos na entrada depois da desabilitação de CS e R / W . No ciclo de escrita, a CPU coloca um endereço estável no barramento de endereços. Nesse endereço o dado deve ser escrito. Ela coloca o dado a ser armazenado no barramento de dados. A CPU sinaliza a operação de escrita, colocando nível BAIXO na entrada R / W . A CPU habilita a memória colocando a entrada CS em nível BAIXO. O dado é transferido para a posição de memória indicada pelo endereço. A memória é, então, desabilitada ( CS é ALTO) e suas saídas ficam em tri-state. Exemplos de Memórias Estáticas - 6264 – 8K x 8 62256 – 32K x 8 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 129 Memória de Acesso Aleatório (RAM) 13.4- RAM Dinâmica (DRAM) Nesse tipo de memória a informação é armazenada em pequenos capacitores. Como existe uma tendência normal dos capacitores se descarregarem, há a necessidade de uma recarga (refresh – refrescamento) desses capacitores. De tempos em tempos (tipicamente de 2 a 8 ms) o bit armazenado no capacitor é atualizado. Esse tipo de memória constitui a memória principal de um computador por causa de sua alta capacidade e baixo consumo. Em relação à velocidade, as RAM estáticas são mais rápidas. A principal vantagem deste tipo de memória é a simplicidade na sua construção, alcançando, assim, alto grau de integração. Estrutura e Operação da RAM Dinâmica Simbolicamente uma célula de memória dinâmica é constituída conforme a fig. 13-4. Fig. 13-4: Representação simbólica de uma célula de memória dinâmica Para escrever em uma célula, os sinais provenientes da decodificação de endereços e da lógica de leitura/escrita fecham as chaves SW1e SW2, mantendo SW3 e SW4 abertas. Isto conecta a entrada de dados a C. Um nível lógico 1 carrega C e um nível lógico 0 o descarrega. Depois disso todas as chaves são abertas, de modo que C fica desconectado do resto do circuito. Mesmo desconectado, existe uma corrente de fuga que causa a descarga gradual do capacitor e por isso o capacitor deve ser “refrescado”. Para ler uma célula, as chaves SW2, SW3 e SW4 são fechadas, e SW1 permanece aberta. Isso conecta a tensão armazenada no capacitor ao amplificador sensor. Assim, na saída do amplificador teremos o valor armazenado no capacitor, que é atualizado via SW4 no momento da leitura. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 130 Memória de Acesso Aleatório (RAM) Multiplexação de Endereços A multiplexação de endereços é uma técnica que visa diminuir a quantidade de entradas de endereços em uma DRAM. Isso permite que DRAMs com altas capacidades ocupem espaços menores em placas de computadores. Essa multiplexação consiste em colocar no barramento de endereços a metade superior do endereço (que localiza a linha) e colocar em BAIXO um sinal chamado RAS (strobe do endereço da linha). Depois é colocado no barramento de endereços a metade inferior do endereço (que localiza a coluna) e colocar em BAIXO um sinal chamado CAS (strobe do endereço da coluna). Após esse procedimento, a posição de memória é localizada e as operações de leitura ou escrita podem ser realizadas. Fig. 13-5: Multiplexação de endereços em uma DRAM com 16 linhas de endereço. Refrescamento da DRAM O refrescamento de uma DRAM é feito por circuitos externos ou no próprio chip de memória. Existem dois métodos: Refresh em rajada – a operação normal da memória é suspensa e cada linha da DRAM é refrescada em seqüencia até que todas tenham sido refrescadas; Refresh distribuído – o refrescamento é intercalado com as operações normais da DRAM. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 131 Memória de Acesso Aleatório (RAM) Tecnologia de RAM Dinâmica Usada em Computadores Os tipos de DRAM existentes variam em função da capacidade, velocidade, consumo, custo e versatilidade: - SIMM (single-in-line memory module) e DIMM (dual-in-line memory module) – são módulos de memória que permitem uma instalação rápida e são padrões de diversos tipos de DRAMs. Os módulos SIMM e DIMM definem apenas como a DRAM é “empacotada”. - DRAM FPM (fast page module) – permite acesso mais rápido a qualquer posição de memória dentro da “página” corrente. Normalmente, a maioria dos dados gravados na memória são seqüenciais. Nesse tipo de DRAM o endereço da linha (RAS) é enviado uma vez e o endereço da coluna (CAS) é incrementado. - DRAM EDO (extended data output) – é uma melhoria em relação às FPM. Os dados são colocados na saída e a DRAM EDO já pode decodificar o próximo endereço sem que esses dados tenham sido lidos; - DRAM BEDO (burst EDO) – Possui uma arquitetura que permite alcançar alta velocidade ao se acessar dados seqüenciais; - SDRAM (synchronous DRAM) – são organizadas em dois bancos que são acessados alternadamente utilizando um sinal de clock sincronizado com a CPU. Desse modo essas memórias alcançam altas taxas de transferências. Memórias com Funções Especiais - Armazenamento de Dados com o Sistema Desligado – muitos equipamentos armazenam seus dados em memórias RAM alimentadas com baterias de reserva (NVRAM – RAM não-volátil); - Memória Cache – tipo de memória de alta velocidade e baixa capacidade de armazenamento que interage diretamente com a CPU. Na cache estão contidos os dados mais requisitados pelo processador e isso evita um acesso desnecessário na RAM. - Memória First-In, First-Out (FIFO) – também conhecidas como buffers para armazenamento temporário. Por exemplo, os dados são transferidos em altas taxas do PC para a impressora. Como a impressão é mais lenta que a transferência, esses dados devem ser armazenados em FIFOs e daí podem ser impressos. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 132 Expansão do Tamanho da Palavra e da Capacidade 14. Expansão do Tamanho da Palavra e da Capacidade 14.1- Introdução Em aplicações com memórias muitas vezes não dispomos de um chip que nos forneça o tamanho da palavra ou a capacidade necessária. Para conseguir isso devemos associar os chips de memória a fim de fornecer o tamanho da palavra ou a capacidade desejada. 14.2- Expansão do Tamanho da Palavra Neste tipo de arranjo, as memórias são combinadas de forma a fornecer o tamanho da palavra desejada. Por exemplo, se determinado projeto necessita de uma memória de 16 x 8 (16 palavras de 8 bits) e só possuímos chips de memória de 16 x 4 (16 palavras de 4 bits) podemos associar duas dessas memórias para obter a memória desejada, conforme a fig. 14-1. Fig. 14-1: Arranjo com duas RAM de 16 x 4 para fornecer um módulo de 16 x 8. Cada memória da figura acima pode armazenar 16 palavras de 4 bits. Como queremos armazenar 16 palavras de 8 bits, cada chip armazena metade de cada palavra. Assim, a RAM0 armazena os 4 bits mais significativos de cada uma das 16 palavras e a RAM1 armazena os 4 bits menos significativos de cada uma das 16 palavras. Podemos selecionar qualquer uma das 16 palavras aplicando-se o endereço da palavra no barramento de endereços. As duas memórias localizarão ao mesmo tempo a mesma posição de memória. Se a operação for leitura, a entrada R / W deve estar em ALTO e CS em BAIXO. A RAM0 coloca sua palavra de 4 bits na parte alta do barramento de dados e a RAM1 coloca sua palavra de 4 bits na parte baixa do barramento de dados. Desse modo o barramento de dados contém a palavra completa de 8 bits. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 133 Expansão do Tamanho da Palavra e da Capacidade Se a operação for escrita, a entrada R / W deve estar em BAIXO e CS em BAIXO. Os 4 bits mais significativos do dado serão escritos na RAM0 e os 4 menos significativos serão escritos na RAM1. 14.3- Expansão da Capacidade Neste tipo de arranjo, as memórias são combinadas de forma que possam armazenar mais palavras. Por exemplo, se precisamos de uma memória que possa armazenar 32 palavras de 4 bits e temos chips de 16 palavras de 4 bits, podemos associá-las conforme a fig. 14-2. Fig. 14-2: Arranjo de duas memórias de 16 x 4 para formar uma memória de 32 x 4. Cada chip de memória armazena 16 palavras de 4 bits, resultando em 32 palavras de 4 bits. O barramento de dados é compartilhado entre as duas memórias e por isso somente um chip de memória poderá ser habilitado de cada vez. Como a capacidade total é 32 x 4, devem existir 32 endereços diferentes. Isso requer 5 linhas de barramento de endereços. A linha de endereços mais significativa (A4) é usada para selecionar qual memória deve ser acionada. Tabela 14-1: A4 A3 0 ... 0 1 0 ... 1 1 A2 0 ... 1 0 ... 1 A1 0 ... 1 0 ... 1 A0 0 ... 1 0 ... 1 Memória selecionada Capacidade RAM0 16 palavras RAM1 16 palavras Total = 32 palavras Mapa de memória e faixa de endereços usados por cada chip. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 134 Expansão do Tamanho da Palavra e da Capacidade Se desejarmos associar mais chips de memórias devemos tomar o cuidado de selecionar apenas uma das memórias, já que o barramento de dados é compartilhado. Para isso é usado um decodificador de endereços (por exemplo, 74LS138) que, através de uma combinação em suas entradas, seleciona apenas uma saída. Por exemplo, se desejarmos associar 4 PROMs de 16 x 4 para gerar uma capacidade de 64 x 4 devemos fazer conforme a fig. 14-3. Fig. 14-3: Uso de 4 PROMs de 16 x 4 para obter uma capacidade de 64 x 4 Tabela 14-2: A5 A4 A3 A2 A1 0 0 0 0 0 ... ... ... 1 1 1 0 0 0 0 1 ... ... ... 1 1 1 0 0 0 1 0 ... ... ... 1 1 1 0 0 0 1 1 ... ... ... 1 1 1 Faixa de endereços utilizada por cada PROM. A0 0 ... 1 0 ... 1 0 ... 1 0 ... 1 Memória selecionada FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller PROM-0 PROM-1 PROM-1 PROM-2 135 Microcontrolador AT90S8515 15. Microcontrolador AT90S8515 15.1- Introdução Computadores, Microprocessadores e Microcontroladores O computador é qualquer sistema que contém CPU (Unidade Central de Processamento), memória e unidades de entrada/saída. O microprocessador é um circuito integrado que contém uma CPU de um computador genérico. O microcontrolador é um circuito integrado que contém CPU, memória, unidades de entrada/saída e periféricos (conversores A/D, timers, portas de comunicação etc), com a finalidade de executar uma tarefa específica. Fig. 15-1: Diagrama em Blocos de um Sistema Genérico com Microprocessador FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 136 Microcontrolador AT90S8515 15.2- Características do Microcontrolador AT90S8515 a) Arquitetura AVR RISC: - Possui 118 instruções sendo que a maioria é executada em um ciclo de clock; - Possui 32 registradores de uso geral de 8 bits; - Até 8 MIPS (milhões de instruções por segundo) a 8 MHz. b) Memória de Programa e de Dados: - Possui 8 KBytes de Flash (memória de programa) que pode ser programada no próprio circuito. Possui vida útil de 1000 ciclos de escrita/apagamento; - Possui 512 Bytes de SRAM (memória de dados); - Possui 512 Bytes de EEPROM (memória de dados) que pode ser programada no próprio circuito. Possui vida útil de 100000 ciclos de escrita/apagamento; - Possui Lock Bits, que impedem que o programa da Flash e os dados armazenados na EEPROM possam ser acessados. c) Periféricos: - Possui 1 Temporizador/Contador de 8 bits com prescaler (divisor de clock); - Possui 1 Temporizador/Contador de 16 bits com prescaler (divisor de clock), com modos de comparação, captura e duplo PWM (modulação por largura de pulso) de 8, 9 ou 10 bits; - Possui comparador analógico interno; - Possui Wathdog Timer programável com oscilador interno separado; - Possui serial UART (transceptor assíncrono universal) programável; - Possui interface serial Master/Slave SPI. d) Características Especiais do Microcontrolador: - Modos Low-power Idle e Power Down; - Fontes de interrupções externas e internas. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 137 Microcontrolador AT90S8515 15.3- Encapsulamento Fig. 15-2: Disposição dos pinos nos encapsulamentos DIP e PLCC 15.4- Descrição Geral O AT90S8515 é um microcontrolador CMOS de 8 bits de baixo consumo baseado na arquitetura AVR RISC. A execução de instruções simples em um ciclo de clock (1 MIPS por MHz) permite que o projeto possa ser otimizado quanto à velocidade ou quanto ao consumo (quanto maior a velocidade, maior é o consumo). FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 138 Microcontrolador AT90S8515 15.5- Diagrama em Blocos Fig. 15-3: Diagrama em blocos do AT90S8515 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 139 Microcontrolador AT90S8515 15.6- Descrição dos Pinos - VCC – Alimentação; - GND – Terra; - Port A (PA7..PA0) – Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui resistores de pull-up internos (programável para cada bit). Podem fornecer até 20 mA de corrente. Na condição de reset, o Port A ficará em tri-state (alta impedância). Uma segunda função do Port A é como entrada/saída do barramento multiplexado de endereços/dados usado no acesso à SRAM externa; - Port B (PB7..PB0) – Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui resistores de pull-up internos (programável para cada bit). Podem fornecer até 20 mA de corrente. Na condição de reset, o Port B ficará em tri-state (alta impedância). Esse port possui várias funções especiais que serão vistas posteriormente; - Port C (PC7..PC0) – Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui resistores de pull-up internos (programável para cada bit). Podem fornecer até 20 mA de corrente. Na condição de reset, o Port C ficará em tri-state (alta impedância). Uma segunda função do Port C é como saída do barramento de endereços usado no acesso à SRAM externa; - Port D (PD7..PD0) – Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui resistores de pull-up internos (programável para cada bit). Podem fornecer até 20 mA de corrente. Na condição de reset, o Port D ficará em tri-state (alta impedância). Esse port possui várias funções especiais que serão vistas posteriormente; - RESET - Entrada de reset. Um nível baixo nesse pino reiniciará o microcontrolador; - XTAL1 - Entrada para o amplificador inversor do oscilador e entrada de clock para o circuito; - XTAL2 - Saída do amplificador inversor do oscilador; - ICP - Entrada para a função Timer/Counter1 Input Capture; - OC1B - Saída para a função de Timer/Counter1 Output CompareB; - ALE - Adress Latch Enable - Saída usada quando uma memória externa está conectada. Ao acessar externamente a memória, se ALE for alto, no barramento AD0-7 teremos a parte baixa do endereço e isso habilita o latch para o barramento de endereços. Quando ALE for baixo isso desabilitará o latch e o barramento AD0-7 será usado como barramento de dados; FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 140 Microcontrolador AT90S8515 15.7- Oscilador A entrada XTAL1 e a saída XTAL2 estão conectadas diretamente em um amplificador inversor usado como oscilador interno. Nesse caso, externamente deve ser conectado um cristal de quartzo na freqüência de operação. Um outro modo de gerar um sinal de clock é desconectar a saída XTAL2 e injetar um sinal de clock na entrada XTAL1. 15.8- Arquitetura O AT90S8515 contém, internamente, 32 registradores uso geral de 8 bits cada, que podem ser acessados em um único ciclo de clock. Seis desses 32 registradores podem formar três registradores de 16 bits, que são usados como ponteiros para endereçamento indireto da memória de dados. Um destes ponteiros de endereços também é usado como ponteiro de endereço de tabelas de constantes na memória de programa. Estes registros de 16 bits são chamados registro-X, registro-Y e registro-Z. A ULA suporta funções aritméticas e lógicas entre registradores e entre constantes e registradores. Os 64 primeiros bytes de endereço da RAM interna são usados como espaço de memória de entrada/saída (I/O Memory). É neste espaço de memória que estão localizados os registradores de controle, os temporizadores/contadores e outros periféricos. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 141 Microcontrolador AT90S8515 Fig. 15-3: Arquitetura interna do AT90S8515 A família AVR utiliza o conceito de arquitetura Harvard, que separa a memória e os barramentos de programa e dados. A memória de programa é executada em um "pipeline" com dois estágios. Enquanto uma instrução está sendo executada, a próxima está sendo trazida da memória de programa. Isso possibilita a execução de instruções em cada ciclo de clock. A memória de programa é uma memória Flash programável no sistema. A SRAM interna possui 512 bytes. Todas as interrupções possuem um vetor de interrupção separado e a tabela de vetores de interrupção começa no início da memória de programa. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 142 Microcontrolador AT90S8515 Fig. 15-4: Memória Flash e memória RAM do AT90S8515 Registradores de Uso Geral Os 32 registradores de uso geral (R0-R31) estão localizados nos endereços 00H a 1FH da SRAM interna. Praticamente todas as instruções que acessam esses registradores são executadas em um ciclo de clock. Os Registradores X, Y e Z Os registradores R26...R31 tem outras funções especiais. Esses registradores são usados como ponteiros de endereços na memória de dados. (R27:R26 = X; R29:R28 = Y; R31:R30 = Z). FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 143 Microcontrolador AT90S8515 ULA – Unidade Lógica e Aritmética A ULA tem conexão direta com os 32 registradores de uso geral. Isso permite que instruções entre registradores sejam executadas em um ciclo de clock. As operações da ULA podem ser divididas em três categorias: operações aritméticas, operações lógicas e operações de manipulação de bits. Memória de Programa Flash Programável no Sistema O AT90S8515 possui 8 Kbytes de memória de programa Flash interna programável no próprio sistema. A Flash é organizada como uma memória de 4 K x 16, já que todas as instruções são de 16 ou 32 bits. A Flash possui mais de 1000 ciclos de leitura/apagamento. Memória de Dados SRAM Interna e Externa Fig. 15-5: Organização da memória RAM interna e externa FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 144 Microcontrolador AT90S8515 A SRAM interna compreende os endereços 00H até 25FH. Do endereço 00H até 1FH estão localizados os registradores de uso geral (R0-R31). Do endereço 20H até 5FH estão os endereços de periféricos de entrada e saída. Do endereço 60H até 25FH está a memória de dados SRAM interna. A partir do endereço 260H a SRAM externa é acessada, até o endereço FFFFH. Se o endereço a ser acessado é maior que a SRAM interna, a SRAM externa é acessada. Quando isso ocorre os sinais de RD e RW são ativados para o acesso à SRAM. Memória de Dados EEPROM O AT90S8515 possui 512 bytes de memória de dados EEPROM. Cada byte pode ser lido ou escrito individualmente. Possui mais de 100000 ciclos de escrita/apagamento. Tempos de Acesso à Memória e Execução de Instruções A CPU dos microcontroladores AVR utiliza o Clock do Sistema Ø, diretamente gerado do cristal externo para o chip. Não é feita nenhuma divisão interna desse Clock. A fig. 15-6 mostra os ciclos de busca e execução de instrução habilitadas pela arquitetura Harvard e o conceito de registro de acesso rápido. Este é o conceito básico utilizado para se obter até 1 MIPS por MHz. Fig. 15-6: Ciclos de busca e execução de instruções A fig. 15-7 mostra a temporização interna para os registros. Em um único ciclo de Clock uma operação da ALU que usa dois registros como operandos é executada e o resultado é armazenado no registro de destino. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 145 Microcontrolador AT90S8515 Fig. 15-7: Temporização interna nos registros do AT90S8515 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 146 Microcontrolador AT90S8515 Memória de Entrada/Saída (I/O) Tabela 15-1: FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 147 Microcontrolador AT90S8515 Todos os I/Os e periféricos do AT90S8515 estão localizados no espaço de I/O. Os endereços de I/O são acessados pelas instruções IN e OUT, que podem transferir dados entre os 32 registros de uso geral e o espaço de I/O. Os endereços dos registros de I/O que vão de $00 até $1F são diretamente acessíveis bit a bit usando instruções SBI e CBI. Nestes registros, o valor de um único bit pode ser testado usando as instruções SBIS e SBIC. Se as instruções IN e OUT forem usadas, os endereços dos I/Os vão de $00 até $3F. Se os registros de I/O forem acessados como uma SRAM, os endereços anteriores devem ser somados a $20 ($20 - $5F). Alguns flags (indicadores) de estado são ZERADOS escrevendo UM lógico neles. Registrador de Status – SREG • Bit 7 – I: Global Interrupt Enable – O bit de habilitação global de interrupções deve ser setado (UM) para que as interrupções sejam habilitadas. Se o bit de habilitação global é ZERADO, nenhuma das interrupções serão habilitadas. • Bit 6 – T: Bit Copy Storage – As instruções de cópia de bit BLD (Bit Load) e BST (Bit Store) usam o bit T como fonte e destino para o bit manipulado. Um bit de um registro pode ser copiado para T pela instrução de BST, e um bit em T pode ser copiado para um bit em um registro pela instrução BLD. • Bit 5 – H: Half Carry Flag – O flag half carry H indica que um "half carry" ocorreu em alguma operação aritmética na ALU. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 148 Microcontrolador AT90S8515 • Bit 4 – S: Sign Bit, S = N ⊕ V – O bit S sempre é um OU-EXCLUSIVO entre o flag de negativo N e o flag de overflow do complemento a dois V. • Bit 3 – V: Two’s Complement Overflow Flag – O flag de overflow no complemento a dois V é utilizado em operações aritméticas que manipulam números na representação complemento a dois. • Bit 2 – N: Negative Flag – O flag de negativo N indica que ocorreu um resultado negativo após a execução de uma subtração aritmética ou de uma operação lógica. • Bit 1 – Z: Zero Flag – O flag de zero Z indica que o resultado ZERO ocorreu depois de uma subtração aritmética ou de uma operação lógica. • Bit 0 – C: Carry Flag – O flag de carry C indica que um carry (vai-um) ocorreu em uma operação aritmética ou operação lógica. Ponteiro de Pilha - SP O Ponteiro de Pilha de 16-bits é constituído de dois registros de 8-bits localizados no espaço de I/O, nos endereços $3E ($5E) e $3D ($5D). Como o AT90S8515 suporta até 64 kB de SRAM externa, todos os 16-bits são usados. Tratamento de Reset e Interrupções O AT90S8515 possui 12 fontes de interrupção diferentes. Estas interrupções e o RESET possuem um vetor reservado na memória de programa. Todas as interrupções são individualmente habilitadas pelos bits de controle juntamente com o bit I no registrador de status SREG. Os vetores de RESET e Interrupções estão localizados no início da memória de programa e podem ser vistos conforme a tabela 15-2. Esta lista também determina os níveis de prioridade dos diferentes tipos de interrupções. O menor endereço possui o maior nível de prioridade: o RESET tem maior prioridade, depois vem INT0 - Interrupção Externa 0, e assim por diante. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 149 Microcontrolador AT90S8515 Tabela 15-2: Fontes de Reset O AT90S8515 tem três fontes de reset: - Power-On Reset: A MCU é reiniciada quando a tensão de alimentação está abaixo da tensão limiar de alimentação (VPOT); - RESET Externo: A MCU é reiniciada quando um nível baixo é colocado no pino RESET por mais de 50 ns; - Watchdog Reset: A MCU é reiniciada quando ocorre o overflow do temporizador Watchdog (Cão de Guarda) e o Watchdog esta habilitado. Durante o reset, todos os registros de I/O são forçados para seus valores iniciais e o programa começa sua execução a partir do endereço $000. A instrução colocada no endereço $000 deve ser um RJMP – salto relativo – instrução para a rotina de reset. Power-On Reset Um circuito de Power-On Reset (POR) assegura que o dispositivo seja resetado quando a alimentação for ligada. Um sinal vindo do oscilador interno do Watchdog Timer impede que a MCU comece durante um certo período depois de VCC alcançou a tensão limiar de Power-On – VPOT. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 150 Microcontrolador AT90S8515 Reset Externo Um reset externo é gerado por um nível baixo pino RESET. Pulsos de reset maiores do que 50 ns gerarão um reset, até mesmo se o Clock estiver parado. Pulsos com duração menor não garantirão o reset. Quando o pulso de reset ultrapassar a tensão limiar de reset – VRST – na borda de subida, um temporizador contará um período tTOUT e ao fim desse tempo, a MCU irá iniciar a operação. Reset por Watchdog Quando o Watchdog expira, um pequeno pulso de reset com a duração de 1 ciclo de XTAL é gerado. Na transição de descida deste pulso, um temporizador contará um período tTOUT e ao fim desse tempo, a MCU irá iniciar a operação. Tratamento de Interrupções O AT90S8515 tem dois Registradores de Controle de Máscaras de Interrupções de 8-bits: - GIMSK – (General Interrupt Mask register) – registrador de máscaras de interrupções gerais. TIMSK – (Timer/Counter Interrupt Mask register) – registrador de máscaras de interrupções dos temporizadores/contadores. Quando uma interrupção ocorre o bit I (Global Interruption Enable) é ZERADO e todas as interrupções são desabilitadas. O bit I é setado quando uma instrução de Retorno de Interrupção – RETI – é executado. Quando o Contador de Programa (PC) é carregado com o endereço do vetor de interrupção atual para executar a rotina de tratamento de interrupção, o hardware zera o flag correspondente que gerou essa interrupção. Se uma ou mais interrupções ocorrerem enquanto o bit de habilitação global de interrupções (I) estiver zerado, os flags de interrupções correspondentes serão setados e assim permanecerão até que o bit de habilitação global de interrupções (I) seja setado e as interrupções serão executadas por ordem de prioridade. Registrador de Máscaras de Interrupções Gerais – GIMSK FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 151 Microcontrolador AT90S8515 • Bit 7 – INT1: External Interrupt Request 1 Enable – O bit INT1 habilita interrupção externa 1 quando setado. • Bit 6 – INT0: External Interrupt Request 0 Enable – O bit INT0 habilita interrupção externa 0 quando setado. • Bits 5..0 – Res: Reserved bits – Esses bits são reservados no AT90S8515 e são sempre lidos como zero. Registrador de Flags de Interrupções Gerais – GIFR • Bit 7 – INTF1: External Interrupt Flag1 – Quando um evento ocorre no pino INT1, um pedido de interrupção é requisitado e o bit INTF1 é setado. • Bit 6 – INTF0: External Interrupt Flag0 – Quando um evento ocorre no pino INT0, um pedido de interrupção é requisitado e o bit INTF0 é setado. • Bits 5..0 – Res: Reserved bits – Esses bits são reservados no AT90S8515 e são sempre lidos como zero. Registrador de Máscaras de Interrupções dos Temporizadores/Contadores – TIMSK • Bit 7 – TOIE1: Timer/Counter1 Overflow Interrupt Enable – O bit TOIE1 habilita interrupção por Overflow do Timer/Counter1 quando setado. • Bit 6 - OCE1A: Timer/Counter1 Output CompareA Match Interrupt Enable – O bit OCE1A habilita interrupção por comparação do valor A com o valor do Timer/Counter1 quando setado • Bit 5 – OCIE1B: Timer/Counter1 Output CompareB Match Interrupt Enable – FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 152 Microcontrolador AT90S8515 O bit OCIE1B habilita interrupção por comparação do valor B com o valor do Timer/Counter1 quando setado. • Bit 4 – Res: Reserved bit – Bit reservado no AT90S8515 e é sempre lido como zero. • Bit 3 - TICIE1: Timer/Counter1 Input Capture Interrupt Enable – O bit TICIE1 habilita interrupção por evento na entrada de captura do Timer/Counter1 quando setado. • Bit 2 – Res: Reserved bit – Bit reservado no AT90S8515 e é sempre lido como zero. • Bit 1 - TOIE0: Timer/Counter0 Overflow Interrupt Enable – O bit TOIE0 habilita interrupção por Overflow do Timer/Counter0 quando setado. • Bit 0 – Res: Reserved bit – Bit reservado no AT90S8515 e é sempre lido como zero. Registrador de Flags de Interrupções dos Temporizadores/Contadores – TIFR • Bit 7 - TOV1: Timer/Counter1 Overflow Flag – O flag TOV1 é setado quando um overflow ocorre no Timer/Counter1. • Bit 6 - OCF1A: Output Compare Flag 1A – O bit OCF1A é setado quando o valor do Timer/Counter1 e valor contido no OCR1A – Registrador de Comparação de Saída 1A. • Bit 5 - OCF1B: Output Compare Flag 1B – O bit OCF1B é setado quando o valor do Timer/Counter1 e valor contido no OCR1B – Registrador de Comparação de Saída 1B. • Bit 4 – Res: Reserved bit – Bit reservado no AT90S8515 e é sempre lido como zero. • Bit 3 – ICF1: Input Capture Flag 1 – O bit ICF1 é setado para sinalizar que um evento de captura ocorreu no pino ICP e que o valor do Timer/Counter1 foi transferido para o registrador de captura – ICR1. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 153 Microcontrolador AT90S8515 • Bit 2 – Res: Reserved bit – Bit reservado no AT90S8515 e é sempre lido como zero. • Bit 1 – TOV: Timer/Counter0 Overflow Flag – O bit TOV0 é setado quando ocorre um overflow do Timer/Counter0. • Bit 0 – Res: Reserved bit – Bit reservado no AT90S8515 e é sempre lido como zero. Interrupções Externas As interrupções externas são ativadas pelos pinos INT1 e INT0. As interrupções externas podem ser reconhecidas por uma borda de descida ou subida ou um nível baixo. Isso é configurado no Registrador de Controle da MCU – MCUCR. Tempo de Resposta de Interrupções O intervalo de execução para qualquer uma das interrupções do AT90S8515 habilitadas é de, no mínimo, 4 ciclos de clock. Quatro ciclos de clock depois que o flag de interrupção foi setado, o endereço do vetor de interrupção é executado. Durante estes 4 ciclos de clock, o Contador de Programa – PC (2 bytes) é colocado na Pilha (Stack), e o Ponteiro de Pilha (SP) é decrementado de 2. O vetor normalmente é um salto relativo à rotina de interrupção e este salto leva 2 ciclos de clock. Se uma interrupção acontece durante execução de uma instrução de multi-ciclo, a instrução é completada antes da interrupção ser atendida. O retorno de uma rotina de tratamento de interrupção (ou mesmo uma sub-rotina) leva 4 ciclos de clock. Durante estes 4 ciclos de relógio, o Contador de Programa – PC (2 bytes) é trazido da Pilha (Stack), o Ponteiro de Pilha (SP) é incrementado de 2, e o bit I no SREG é setado. Quando o microcontrolador sai de uma interrupção, ele sempre voltará ao programa principal e executará uma ou mais instruções antes que qualquer interrupção pendente ser atendida. Registrador de Controle da Unidade Central Microprocessadora – MCUCR O registrador de controle da MCU contém os bits de controle para funções gerais da MCU. • Bit 7 – SRE: External SRAM Enable – FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 154 Microcontrolador AT90S8515 Quando o bit SRE é setado, o acesso à memória de dados externa (SRAM) é habilitado e os pinos AD0-7 (Port A), A8-15 (Port C), RW e RD (Port D) são ativados. • Bit 6 – SRW: External SRAM Wait State – Quando o bit SRW é setado, um estado de espera é inserido no ciclo de acesso à SRAM externa. • Bit 5 – SE: Sleep Enable – O bit SE deve ser setado para fazer a MCU entrar no modo Sleep quando a instrução SLEEP for executada. • Bit 4 – SM: Sleep Mode – O bit SM seleciona os dois modos de Sleep disponíveis. Quando SM é zerado, o Modo Idle é selecionado como modo Sleep. Quando SM é setado, o Modo Power Down é selecionado como modo Sleep. • Bit 3, 2 – ISC11, ISC10: Interrupt Sense Control 1 bit 1 and bit 0 – Os bits ISC11 e ISC10 definem de que maneira a interrupção externa 1 deverá ser reconhecida: Tabela 15-3: • Bit 1, 0 – ISC01, ISC00: Interrupt Sense Control 0 bit 1 and bit 0 – Os bits ISC01 e ISC00 definem de que maneira a interrupção externa 0 deverá ser reconhecida: Tabela 15-4: FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 155 Microcontrolador AT90S8515 Modos de Sleep Para entrar nos modos Sleep, o bit SE no MCUCR deve ser setado e uma instrução de SLEEP deve ser executada. Se uma interrupção ocorre enquanto a MCU está em um modo Sleep, o MCU acorda, executa a rotina de interrupção, e retoma a execução da instrução depois de SLEEP. Os conteúdos dos registros, da SRAM e da memória de I/O permanecem inalteradas. Se um Reset ocorre durante modo Sleep, a MCU acorda e executa do vetor RESET. Modo Idle Se o bit de SM é zerado, a instrução SLEEP força a MCU para o Modo Idle, que pára a CPU mas permite que Timer/Counters, Watchdog e Interrupções continuem operando. Isto permite que a MCU possa acordar com uma interrupção externa ou overflow dos timers ou reset do Watchdog. Quando o MCU acorda no modo Idle, a CPU inicia a execução do programa imediatamente. Modo Power Down Quando o bit SM é setado, a instrução de SLEEP força a MCU no modo Power Down. Neste modo, oscilador externo é desligado, enquanto as interrupções externas e o Watchdog (se habilitado) continuam operando. Só um Reset externo ou um Reset por Watchdog (se habilitado) ou uma interrupção externa por nível INT0 ou INT1 podem acordar a MCU. Se uma interrupção externa por nível é usada para acordar a MCU do modo Power Down, o nível baixo deve ser mantido durante um tempo maior do que o período de timeout do reset (tOUT). Caso contrário, a MCU não acordará. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 156 Microcontrolador AT90S8515 15.9- Temporizadores/Contadores O AT90S8515 possui dois Timer/Counters – um temporizador/contador de 8 bits e um temporizador/contador de 16 bits. Os temporizadores/contadores possuem seleção individual de clock, que vem de um mesmo contador de 10 bits (Prescaler). Ambos os Timer/Counters podem ser usados como temporizadores com um clock interno como base de tempo ou como contador utilizando o pino externo (T0 ou T1) como entrada de contagem. Fig. 15-8: Circuito lógico dos temporizadores/contadores Prescaler (Divisor) dos Temporizadores/Contadores As quatro seleções de razões de clock (vindos do prescaler) são: CK/8, CK/64, CK/256 e CK/1024 onde CK é o clock do oscilador. As razões de clock, como CK ou uma fonte externa ou parado podem ser as fontes de clock para os dois Timer/Counters. Temporizador/Contador0 de 8 bits As fontes de clock para o Timer/Counter0 (8 bits) podem ser o clock CK, o clock CK dividido (através do prescaler) ou pino externo. Além disso, o Timer/Counter0 pode ser parado. Isto pode ser configurado através do registrador de Controle do Timer/Counter0 – TCCR0. O flag de overflow encontra-se no registrador de Flags de Interrupção do Timer/Counter – TIFR. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 157 Microcontrolador AT90S8515 Os bits de controle encontram-se no registro de Controle do Timer/Counter0 – TCCR0. O bit de habilitação da interrupção por overflow do Timer/Counter0 encontra-se no registro de Máscaras de Interrupções dos Timer/Counters – TIMSK. Registrador de Controle do Temporizador/Contador0 - TCCR0 • Bits 7..3 – Res: Reserved bits – Esses bits são reservados no AT90S8515 e são sempre lidos como zero. • Bits 2,1,0 - CS02, CS01, CS00: Clock Select0, bit 2,1 and 0 – Os bits 2, 1 e 0 da Seleção de Clock definem a fonte de clock do Timer/Counter0, conforme a tabela 15-5. Tabela 15-5: A condição de Stop desabilita o Timer/Counter0. As razões de CK são obtidas diretamente do clock do oscilador. Se o pino externo é usado com entrada de clock do Timer/Counter0, transições em PB0/(T0) irão ser contadas mesmo que o pino seja configurado como saída. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 158 Microcontrolador AT90S8515 Temporizador/Contador0 – TCNT0 O Timer/Counter0 é um registrador com acesso para leitura e escrita. Se o Timer/Counter0 é escrito e uma fonte de clock está presente, o Timer/Counter0 continua contando a partir do ciclo de clock seguinte à operação de escrita. Temporizador/Contador1 de 16 bits As fontes de clock para o Timer/Counter1 (16 bits) podem ser o clock CK, o clock CK dividido (através do prescaler) ou pino externo. Além disso, o Timer/Counter1 pode ser parado. Isto pode ser configurado através do registrador de Controle do Timer/Counter1 – TCCR1A e TCCR1B. Os diferentes flags de status (overflow, comparação e captura de evento) encontram-se no registrador de Flags de Interrupção do Timer/Counter – TIFR. Os bits de controle encontram-se no registro de Controle do Timer/Counter1 – TCCR1A e TCCR1B. Os bits de habilitações de interrupções Timer/Counter1 encontra-se no registro de Máscaras de Interrupções dos Timer/Counters – TIMSK. O Timer/Counter1 possui dois funções de comparação que utilizam os registradores de Saída de Comparação 1 A e B – OCR1A e OCR1B como fontes de dados para serem comparados com o valor do Timer/Counter1. As funções de Comparação incluem um opcional reinício do contador quando o valor de comparação A for atingido e ações nos pinos de Saída de Comparação para ambos os valores de comparação A e B. O Timer/Counter1 também pode ser usado como um Modulador por Largura de Pulso (PWM) de 8, 9 ou 10 bits. Neste modo, o contador e os registradores OCR1A/OCR1B são utilizados para formarem um duplo PWM. A função de Captura de Eventos do Timer/Counter1 realiza a transferência do conteúdo do Timer/Counter1 para o registrador de Captura – ICR1, ocasionado por um evento externo no pino de Entrada de Captura de Evento – ICP. Os bits que controlam esta funções estão localizados no registrador de Controle do Timer/Counter1 – TCCR1B. Além disso, o Comparador Analógico também pode ser usado para gerar um evento de captura do Timer/Counter1. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 159 Microcontrolador AT90S8515 Registrador A de Controle do Temporizador/Contador1 – TCCR1A • Bits 7,6 – COM1A1, COM1A0: Compare Output Mode1A, bits 1 and 0 – Os bits de controle COM1A1 e COM1A0 determinam qual a ação no pino de saída quando o valor do Timer/Counter1 for igual ao valor de comparação no registrador de Saída de Comparação – OCR1A. Essa ação afetará o pino OC1A – Saída de Comparação A. • Bits 5,4 - COM1B1, COM1B0: Compare Output Mode1B, bits 1 and 0 – Os bits de controle COM1B1 e COM1B0 determinam qual a ação no pino de saída quando o valor do Timer/Counter1 for igual ao valor de comparação no registrador de Saída de Comparação – OCR1B. Essa ação afetará o pino OC1B – Saída de Comparação B. A tabela 15-6 mostra as configurações desses bits para o modo de comparação: Tabela 15-6: No modo PWM, estes bits tem funções diferentes. • Bits 3..2 – Res: Reserved bits – Esses bits são reservados no AT90S8515 e são sempre lidos como zero. • Bits 1..0 – PWM11,PWM10: Pulse Width Modulator Select Bits 1 and 0 – Esses bits selecionam o modo PWM, conforme a tabela 15-7. Tabela 15-7: FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 160 Microcontrolador AT90S8515 Registrador B de Controle do Temporizador/Contador1 – TCCR1B • Bit 7 – ICNC1: Input Capture1 Noise Canceler (4 CKs) – Quando o bit ICNC1 for ZERO, o eliminador de ruído da entrada de captura é desabilitado. Uma transição de subida/descida no pino ICP causará a captura do Timer/Counter1. Quando o bit ICNC1 for UM, quatro amostras sucessivas serão amostradas no ICP – pino de entrada de captura, e todas as amostras devem ser iguais conforme a configuração do bit ICES1. • Bit 6 – ICES1: Input Capture1 Edge Select – Se o bit ICES1 for zerado, o conteúdo do Timer/Counter1 é transferido para o registrador de Captura – ICR1 – na transição de descida no pino de Captura – ICP. Se o bit ICES1 for setado, o conteúdo do Timer/Counter1 é transferido para o registrador de Captura – ICR1 – na transição de subida no pino de Captura – ICP. • Bits 5, 4 – Res: Reserved bits – Esses bits são reservados no AT90S8515 e são sempre lidos como zero. • Bit 3 – CTC1: Clear Timer/Counter1 on Compare Match – Se o bit CTC1 for setado, o Timer/Counter1 é forçado a $0000 no ciclo de clock após o Timer/Counter1 ser igual ao valor de comparação A. Se o bit CTC1 for zerado, o Timer/Counter1 continua contando e seu valor não é alterado. Dependendo do divisor de clock utilizado, a função de comparação do valor do Timer/Counter1 pode se comportar de maneira diferente. Se o divisor de clock for 1, e o registrador de comparação A for carregado com o valor C, a contagem com CTC1 setado fica: ... | C-2 | C-1 | C | 0 | 1 | ... Se o divisor for configurado para 8, a contagem será: ... | C-1, C-1, C-1, C-1, C-1, C-1, C-1, C-1 | C, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 | ... No modo PWM, este bit não tem função. • Bits 2,1,0 – CS12, CS11, CS10: Clock Select1, bit 2,1 and 0 – Os bits 2, 1 e 0 da Seleção de Clock definem a fonte de clock do Timer/Counter0, conforme a tabela 15-8. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 161 Microcontrolador AT90S8515 Tabela 15-8: A condição de Stop desabilita o Timer/Counter1. As razões de CK são obtidas diretamente do clock do oscilador. Se o pino externo é usado com entrada de clock do Timer/Counter1, transições em PB1/(T1) irão ser contadas mesmo que o pino seja configurado como saída. Temporizador/Contador1 – TCNT1H e TCNT1L Este registrador de 16 bits é o Timer/Counter1. Para assegurar que ambos os bytes alto e baixo sejam lidos ou escritos simultaneamente pela CPU, o acesso a esses registradores é feito através de um registrador temporário de 8 bits (TEMP). • Escrita no TCNT1 Timer/Counter1 – Quando a CPU escreve no byte alto TCNT1H, o dado a ser escrito é colocado no registrador TEMP. Depois, quando a CPU escreve o byte baixo TCNT1L, este byte é combinado com o byte do registrador TEMP e todos os 16 bits são escritos simultaneamente no registrador TCNT1 Timer/Counter1. Dessa forma, o byte alto TCNT1H deve ser acessado primeiro para uma escrita completa de 16 bits. • Leitura do TCNT1 Timer/Counter1 – Quando a CPU lê o byte baixo TCNT1L, o dado do byte baixo TCNT1L é enviado para a CPU e o dado do byte alto TCNT1H é colocado no registrador TEMP. Quando a CPU lê os dados do byte alto TCNT1H, a CPU recebe os dados do registrador TEMP. Dessa forma, o byte baixo TCNT1L deve ser acessado primeiro para uma leitura completa de 16 bits. O Timer/Counter1 é um contador ascendente/descendente (no modo PWM) com acesso para leitura e escrita. Se o Timer/Counter1 é escrito e uma FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 162 Microcontrolador AT90S8515 fonte de clock é selecionada, o Timer/Counter1 continua contando no ciclo de clock posterior à escrita do valor. Registrador de Saída de Comparação do Temporizador/Contador1 – OCR1AH e OCR1AL Registrador de Saída de Comparação do Temporizador/Contador1 – OCR1BH e OCR1BL Os registradores de comparação são todos de 16 bits com acessos para leitura ou escrita. Os registradores de comparação do Timer/Counter1 contêm os valores a serem comparados continuamente com o valor do Timer/Counter1. As ações que serão executadas quando o valor de comparação for igual ao valor do Timer/Counter1 estão especificadas no registrador de controle e status do Timer/Counter1. O evento de igualdade irá setar o flag de interrupção de comparação no ciclo de clock seguinte ao evento da comparação. Os registradores de comparação – OCR1A e OCR1B – são registradores de 16 bits. Para assegurar que ambos os bytes alto e baixo sejam lidos ou escritos simultaneamente pela CPU, o acesso a esses registradores é feito através de um registrador temporário de 8 bits (TEMP). FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 163 Microcontrolador AT90S8515 Registrador de Captura de Entrada do Temporizador/Contador1 – ICR1H e ICR1L O registrador de captura de entrada é um registrador de 16 bits com acesso somente de leitura. Quando uma transição de subida ou descida (de acordo com a configuração de transição para captura – ICES1) ocorre no pino de captura (ICP), o valor do Timer/Counter1 é transferido para o registrador de captura – ICR1. Ao mesmo tempo, o flag de captura – ICF1 – é setado O registrador de captura – ICR1 – é registrador de 16 bits. Para assegurar que ambos os bytes alto e baixo sejam lidos simultaneamente pela CPU, o acesso a esse registrador é feito através de um registrador temporário de 8 bits (TEMP). Temporizador/Contador1 no modo PWM Quando o modo PWM é selecionado, o Timer/Counter1, o registrador de comparação 1A – OCR1A e o registrador de comparação 1B – OCR1B formam um duplo PWM de 8, 9 ou 10 bits com saídas nos pinos PD5 (OC1A) e OC1B. O Timer/Counter1 atua com um contador ascendente/descendente que conta de $0000 até TOP e retorna de TOP até $0000, repetindo o ciclo. Quando o valor do Timer/Counter1 for igual ao conteúdo de 10 bits do registrador OCR1A ou OCR1B, os pinos PD5 (OC1A) / OC1B serão setados ou zerados de acordo com as configurações dos bits COM1A1/COM1A0 ou COM1B1/COM1B0 no registrador de Controle do Timer/Counter1 TCCR1A. A tabela 15-9 mostra os valores de TOP (valores máximos) do timer e da freqüência do PWM. Tabela 15-9: FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 164 Microcontrolador AT90S8515 A tabela 15-10 mostra os bits de controle usados no modo de comparação1 e no modo PWM. Tabela 15-10: Quando OCR1 contêm $0000 ou TOP, as saídas OCR1A/OCR1B são atualizadas para BAIXO ou ALTO na comparação seguinte, de acordo com as configurações dos bits COM1A1/COM1A0 ou COM1B1/COM1B0. A tabela 15-11 mostra a qual a saída PWM para OCR1X = $0000 or TOP. Tabela 15-11: No modo PWM, o flag de overflow do Timer/Counter1, TOV1, é setado quando o contador chega a $0000. A interrupção por overflow do Timer/Counter1 é executada quando o bit de overflow do Timer/Counter1 (TOV1) é setado e os bits de habilitação de interrupção por overflow do Timer/Counter1 e de interrupção global estejam setados. Isso também se aplica para os flags e interrupções de comparação do Timer/Counter1. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 165 Microcontrolador AT90S8515 15.10- Watchdog Timer O Watchdog Timer utiliza um sinal de clock vindo de um oscilador interno separado de 1 MHz. Essa é a freqüência típica para uma tensão de alimentação (VCC) de 5 V. O tempo de reset do Watchdog Timer é configurado por um prescaler. A instrução WDR – Watchdog Reset – reinicia o Watchdog Timer. Até oito períodos diferentes de clock podem ser selecionados para determinar o período de reset do Watchdog Timer. Se esse período expira sem que haja um reset do Watchdog, o AT90S8515 é resetado e o vetor de reset é executado. Registrador de Controle do Watchdog Timer – WDTCR • Bits 7..5 - Res: Reserved bits – Esses bits são reservados no AT90S8515 e sempre serão lidos como zero. • Bit 4 - WDTOE: Watch Dog Turn-Off Enable – Esse bit deve ser setado quando o bit WDE for zerado. Caso contrário, o watchdog não será desabilitado. Uma vez setado, o hardware irá zerar esse bit depois de quatro ciclos de clock. Esse bit é usado para se evitar a desabilitação acidental do Watchdog Timer. • Bit 3 - WDE: Watch Dog Enable – Quando o bit WDE for setado, o Watchdog Timer é habilitado, e se o bit WDE for zerado, o Watchdog Timer é desabilitado. O bit WDE só pode ser zerado se o bit WDTOE for setado. O procedimento para desabilitar o Watchdog Timer é mostrado a seguir: 1. Na mesma operação, escrever um UM lógico em WDTOE e WDE. O UM lógico deve ser escrito em WDE mesmo que o bit esteja setado para iniciar a operação de desabilitação do Watchdog Timer. 2. Durante os próximos quatro ciclos de clock, escrever um ZERO lógico em WDE. Isso desabilita o Watchdog Timer. Bits 2..0 - WDP2, WDP1, WDP0: Watch Dog Timer Prescaler 2, 1 and 0 – Os bits WDP2, WDP1 e WDP0 determinam qual a divisão de clock que será usada quando o Watchdog Timer estiver habilitado. Os diferentes valores de prescaler e os períodos de tempo são mostrados na tabela 15-12: FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 166 Microcontrolador AT90S8515 Tabela 15-12: A instrução WDR – Watchdog Reset – sempre deve ser executada antes que o Watchdog Timer seja habilitado. Isso assegura que o período de reset esteja de acordo com o período que foi configurado. Se o Watchdog Timer for habilitado sem um reset, ele pode não começar a contar do valor zero. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 167 Microcontrolador AT90S8515 15.11- Acesso para Leitura/Escrita na EEPROM Os registradores de acesso à EEPROM estão disponíveis na memória de I/O. O tempo de acesso para escrita é de 2,5 a 4 ms, dependendo da tensão de alimentação (VCC). Se o programa contém dados que serão escrita na EEPROM, algumas precauções devem ser tomadas. Em fontes de alimentação filtradas, a tensão de alimentação (VCC) demora um certo tempo para estabilizar. Isso pode fazer com que o dispositivo permaneça funcionando com tensão menores do que a tensão especificada como mínima para o clock usado. Nessas condições, a CPU pode executar saltos (jumps) no programa e eventualmente executar uma rotina de escrita na EEPROM. Para garantir a integridade da EEPROM, um circuito externo de reset (detector de sub-tensão) deve ser usado. Um procedimento específico de escrita na EEPROM deve ser seguido para prevenir escritas errôneas. Quando a EEPROM é acessada para leitura ou escrita, a CPU é parada por dois ciclos de clock antes da próxima instrução ser executada. Registrador de Endereços da EEPROM – EEARH e EEARL Os registradores de endereços da EEPROM – EEARH e EEARL especificam qual o endereço a ser acessado na EEPROM (o AT90S8515 possui 512 bytes de EEPROM). Os 512 bytes são acessados de maneira linear. Registrador de Dados da EEPROM – EEDR • Bits 7..0 - EEDR7..0: EEPROM Data – Para operações de escrita na EEPROM, o registrador EEDR contém o dado a ser escrito na EEPROM no endereço dado pelo registrador EEAR. Para operações de leitura, o registrador EEDR contém o dado lido da EEPROM no endereço dado pelo registrador EEAR. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 168 Microcontrolador AT90S8515 Registrador de Controle da EEPROM – EECR – • Bit 7..3 - Res: Reserved bits – Esses bits são reservados no AT90S8515 e sempre serão lidos como zero. • Bit 2 - EEMWE: EEPROM Master Write Enable – Se bit EEMWE estiver setado, setando o bit EEWE uma escrita é executada na EEPROM no endereço selecionado. Se o bit EEMWE estiver zerado, setar o bit EEWE não terá nenhum efeito. Quando o bit EEMWE for setado por software, o hardware zera o bit depois de quatro ciclos de clock. • Bit 1 - EEWE: EEPROM Write Enable – O bit EEWE é um sinal de habilitação da escrita na EEPROM. Quando um endereço e um dado estão corretamente colocados, o bit EEWE deve ser setado para que o valor seja escrito na EEPROM. O bit EEMWE deve estar setado quando o UM lógico for escrito em EEWE, caso contrário, a escrita na EEPROM não ocorrerá. O seguinte procedimento deve ser seguindo para a execução de uma escrita na EEPROM: 1. Esperar até que EEWE seja zero. 2. Escrever o novo endereço da EEPROM nos registradores EEARL e EEARH. 3. Escrever o dado a ser escrito no registrador EEDR. 4. Escrever UM lógico no bit EEMWE no registrador EECR. 5. Durante os próximos quatro ciclos de clock depois de setar o bit EEMWE, escrever UM lógico no bit EECR. Passado o tempo de acesso à escrita (tipicamente 2,5 ms com VCC = 5V e 4 ms com VCC = 2,7V), o bit EEWE é zerado pelo hardware. O software pode esperar este bit se tornar zero antes de escrever o próximo byte. Quando o bit EEWE for setado, a CPU é parada por dois ciclos antes da próxima instrução ser executada. Importante: Uma interrupção dos passos 4 e 5 gerará uma falha no ciclo de escrita. Se uma rotina de interrupção que acessa a EEPROM é interrompida por outro acesso à EEPROM, os registradores EEAR e EEDR serão modificados, causando uma falha no acesso que foi interrompido. É recomendado zerar o bit I (Global Interrupt Flag – SREG) durante os quatro últimos passos para evitar problemas no acesso. • Bit 0 - EERE: EEPROM Read Enable – O bit EERE é um sinal de habilitação para leitura da EEPROM. Quando o endereço correto foi colocado no registrador EEAR, o bit EERE deve ser setado. Quando o bit EERE for zerado pelo hardware, o dado lido está disponível no registrador EERE. O acesso para leitura da EEPROM é de apenas uma instrução e não é necessário verificar o bit EERE. Quando o bit FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 169 Microcontrolador AT90S8515 EERE estiver setado, a CPU é parada por dois ciclos antes da execução da próxima instrução. O software poderia verificar o bit EEWE antes de iniciar uma operação de leitura. Se a operação de escrita estiver sendo executada quando um novo dado ou endereço é escrito nos registradores de I/O da EEPROM, a operação de escrita será interrompida e o resultado é imprevisível. Prevenção de Perdas de Dados na EEPROM Em condições de baixa tensão de alimentação (VCC), dados na EEPROM podem ser perdidos porque a tensão de alimentação é muito baixa para a CPU e para a EEPROM operarem de maneira correta. A perda de dados da EEPROM pode ocorrer de duas maneiras quando a tensão está muito baixa. Primeiro, a seqüência de escrita na EEPROM requer uma tensão mínima para trabalhar corretamente. Segundo, a CPU pode executar instruções de maneira incorreta se a tensão de alimentação for muito baixa. Algumas recomendações para se evitar a perda de dados da EEPROM: 1. Manter o RESET do AVR ativo (nível baixo) quando a tensão de alimentação estiver muito baixa. Isso pode ser feito com um circuito externo de reset (Brown-Out Detector – BOD). 2. Manter o AVR em Power Down Mode quando a tensão de alimentação estiver muito baixa. Isso evita que a CPU decodifique e execute instruções, protegendo efetivamente os registradores da EEPROM contra escritas. 3. Armazenar constantes na memória Flash se o software não precisar alterar esse dado. A memória Flash não pode ser modificada pela CPU e, por isso, o dado nunca será perdido. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 170 Microcontrolador AT90S8515 15.12- UART O AT90S8515 possui um Receptor e Transmissor Assíncrono Universal (UART) full duplex (com registradores de transmissão e recepção separados). As principais características são: • Gerador de baud rate (taxa de transmissão/recepção) pode gerar várias taxas (bps). • Altas taxas de baud com cristais de baixa freqüência. • 8 ou 9 bits de dados. • Filtro contra ruído. • Detecção de Overrun (perda de dado). • Detecção de Framing Error (falha na detecção do STOP bit). • Detecção de Falso START bit. • Três interrupções separadas: TX Complete (transmissão completada), TX Data Register Empty (registrador de dados vazio) e RX Complete (recepção completada). Transmissão de Dados A transmissão de dados é iniciada pela escrita do dado a ser transmitido no registrador de dados da UART – UDR. Se o bit 10 (11) do registrador de deslocamento do transmissor tiver sido transmitido, um novo dado é transferido do UDR para o registrador de deslocamento. Nesse momento, o bit UDRE (registrador de dados da UART vazio) no registrador de status da UART – USR, é setado. Quando esse bit for UM, o UDR da UART está pronto para receber o próximo caracter. No momento que um dado é transferido do UDR para o registrador de deslocamento de 10 (11) bits, o bit 0 do registrador de deslocamento é zerado (bit START) e o bit 9 ou 10 é setado (bit STOP). Se o dado possui 9 bits (o bit CHR9 no registrador de controle da UART, UCR, é setado), o bit TXB8 no UCR é transferido para o bit 9 do registrador de deslocamento do transmissor. Depois da transferência do UDR para o registrador de deslocamento, o bit START é transmitido na freqüência de clock do Baud Rate (taxa de transmissão) pelo pino TXD. Em seguida, o dado é transmitido bit a bit, começando pelo menos significativo (LSB). Depois do bit de STOP ser transmitido, o registrador de deslocamento é carregado se qualquer dado tenha sido escrito no UDR durante a transmissão. Durante a carga, o bit UDRE é setado. Se não existir nenhum dado no UDR a ser enviado, o UDRE permanecerá em UM até que UDR contenha um novo dado. Se nenhum dado foi escrito, e o bit de STOP está presente no pino TXD por um bit de largura, o flag TX Complete, TXC, no USR é setado. O bit TXEN no UCR habilita o transmissor da UART quando estiver setado. Se esse bit for zerado, o pino PD1 pode ser usado com um pino de I/O. Quando o bit TXEN é setado, o transmissor da UART será conectada a PD1, que será forçada a ser saída independente da configuração do bit 1 do registrador DDRD (registrador de direção do PORT D). FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 171 Microcontrolador AT90S8515 Recepção de Dados O circuito lógico do receptor amostra o pino RXD numa freqüência 16 vezes maior do que a taxa de transmissão. Enquanto a linha é inativa, uma única amostra em nível ZERO é interpretada como sendo uma transição de descida do bit START e a seqüência de detecção do bit START é iniciada. Depois da transição de descida, o receptor amostra o pino RXD nas amostras 8, 9 e 10. Se duas ou mais amostras tiverem nível lógico UM, o bit START é considerado um ruído e o receptor volta a esperar uma nova transição de descida. Entretanto, se um bit de START válido é detectado, a amostragem dos bits seguintes é feita também nas amostras 8, 9 e 10. O valor lógico encontrado em pelo menos duas das três amostras é considerado como o valor do bit. Todos os bits são deslocados para o registrador de deslocamento da maneira como eles são amostrados. Fig. 15-9: Amostragem dos dados recebidos pela UART Quando o bit STOP entra no receptor, a maioria de três amostras deve ser UM para que o bit de STOP seja aceito. Se dois ou mais amostras são ZERO, o flag Framing Error (FE) no registrador de Status da UART (USR) é setado. Antes da leitura de UDR, o usuário deve verificar sempre o bit FE para detectar o Framing Error. Mesmo que o bit de STOP não tenha sido detectado no fim da recepção de um dado, esse dado é transferido para o UDR e o flag RXC no USR é setado. Na realidade, UDR corresponde fisicamente a dois registradores, um para transmissão e outro para recepção de dados. Quando UDR é lido, o registrador de recepção de dados é acessado e quando é escrito, o registrador de transmissão de dados é acessado. Se a palavra de dados possui 9 bits (o bit CHR9 no registrador de Controle da UART, UCR, é setado), o bit RXB8 no UCR é atualizado com o bit 9 do registrador de deslocamento quando o dado é transferido para UDR. Se UDR não foi lido e um novo dado foi recebido, o flag Overrun (OR) é setado. Isso significa que o último dado deslocado para o registrador de deslocamento não pôde ser transferido para UDR e será perdido. O bit OR é mantido até que um dado válido no UDR seja lido Quando o bit RXEN no registrador UCR é zerado, o receptor é desabilitado. Isso significa que o pino PD0 pode ser usado como um pino de I/O. Quando o bit RXEN é setado, o receptor da UART é conectado a PD0, que é forçado a ser uma entrada, independente da configuração do bit 0 do registrador DDRD (registrador de direção do PORT D). Se PD0 é forçado como entrada pela UART, o bit 0 de PORTD pode ainda ser usado para controlar o resistor de pull-up no pino. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 172 Microcontrolador AT90S8515 Se o bit CHR9 no registrador UCR é setado, os caracteres transmitidos e recebidos tem 9 bits mais os bits de START e STOP. O 9º bit a ser transmitido é o bit TXB8 no registrador UCR. O 9º bit recebido é o bit RXB8 no registrador UCR. Controle da UART Registrador de Dados da UART – UDR O registrador UDR fisicamente corresponde a dois registradores separados que compartilham o mesmo endereço de I/O. Ao escrever no registrador, o registrador de transmissão da UART é escrito. Ao ler do registrador, o registrador de recepção da UART é lida. Registrador de Status da UART – USR O USR é um registrador que contém informações de status da UART. • Bit 7 – RXC: UART Receive Complete – Esse bit é setado quando o dado recebido é transferido do registrador de deslocamento para UDR. Esse bit é setado mesmo que ocorra um framing error. Se o bit RXCIE no UCR estiver setado, a interrupção de recepção completa da UART será executada se o bit RXC estiver setado. RXC é zerado com a leitura de UDR. • Bit 6 – TXC: UART Transmit Complete – Esse bit é setado quando um dado (incluindo o bit STOP) no registrador de deslocamento foi transmitido e nenhum novo dado foi escrito no UDR. Quando o bit TXCIE no UCR é setado, se o bit TXC é setado, uma interrupção por transmissão completa na UART é executada. TXC é zerado por hardware pela execução da rotina de tratamento da interrupção. • Bit 5 – UDRE: UART Data Register Empty – Esse bit é setado quando um dado escrito no UDR é transferido para o registrador de deslocamento do transmissor. Isso indica que o transmissor está pronto para receber um novo caracter para transmissão. Quando o bit UDRIE no UCR é setado, e o bit UDRE é setado, a interrupção por registro de dados da UART vazio será executada. Quando uma interrupção ocorre, a rotina de interrupção por registrador de dados da UART vazio deve escrever no UDR para zerar o bit UDRE, caso contrário, uma nova FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 173 Microcontrolador AT90S8515 interrupção irá ocorrer quando a rotina de interrupção terminar. UDRE é setado durante o reset para indicar que o transmissor está pronto. • Bit 4 – FE: Framing Error – Esse bit é setado quando um Framing Error é detectado, ou seja, um bit de STOP foi amostrado como ZERO. O bit FE é zerado quando o bit de STOP de um dado é recebido como UM. • Bit 3 – OR: Overrun – Esse bit é setado quando um Overrun é detectado, ou seja, quando o dado no UDR não foi lido antes do próximo dado ter sido recebido no registrador de deslocamento. O bit OR é mantido até que um dado válido no UDR seja lido. O bit OR é zerado quando um dado é recebido e transferido para UDR. • Bits 2..0 – Res: Reserved bits – Esses bits são reservados no AT90S8515 e são sempre lidos como zero. Registrador de Controle da UART – UCR • Bit 7 – RXCIE: RX Complete Interrupt Enable – Quando esse bit é setado, se o bit RXC no USR é setado, a rotina de interrupção por recepção completa será executada se as interrupções estiverem habilitadas (bit I em SREG). • Bit 6 – TXCIE: TX Complete Interrupt Enable – Quando esse bit é setado, se o bit TXC no USR é setado, a rotina de interrupção por transmissão completa será executada se as interrupções estiverem habilitadas (bit I em SREG). • Bit 5 – UDRIE: UART Data Register Empty Interrupt Enable – Quando esse bit é setado, se o bit UDRE no USR é setado, a rotina de interrupção por registrador de dados da UART vazio será executada se as interrupções estiverem habilitadas (bit I em SREG). • Bit 4 – RXEN: Receiver Enable – Quando setado, esse bit habilita o receptor da UART. Se o receptor estiver desabilitado, os flags de status TXC, OR e FE não serão setados. Se esses flags estiverem setados, desabilitar o RXEN não irá zerar esses bits. • Bit 3 – TXEN: Transmitter Enable – Quando setado, esse bit habilita o transmissor da UART. Se o transmissor é desabilitado durante a transmissão de um dado, a transmissão não é FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 174 Microcontrolador AT90S8515 desabilitada até que os dados no registrador de deslocamento e no UDR tenham sido completamente transmitidos. • Bit 2 – CHR9: 9-bit Characters – Quando CHR9 é setado, os dados transmitidos e recebidos possuem 9 bits mais o bit de START e STOP. O 9º bit é lido e escrito nos bits RXB8 e TXB8 no UCR, respectivamente. O 9º bit de dado pode ser usado como um bit de STOP extra ou um bit de Paridade. • Bit 1 – RXB8: Receive Data Bit 8 – Quando o bit CHR9 está setado, RXB8 é o 9º bit do dado recebido. • Bit 0 – TXB8: Transmit Data Bit 8 – Quando o bit CHR9 está setado, TXB8 é o 9º bit do dado a ser transmitido. Gerador de BAUD Rate O gerador de baud rate é um divisor de freqüência que gera taxas de transmissão de acordo com a seguinte equação: Fig. 15-10: Equação que relaciona a freqüência do oscilador com o baud rate Registrador de BAUD Rate da UART - UBRR O registrador UBRR é um registrador de leitura/escrita que especifica o baud rate de acordo com a equação anterior. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 175 Microcontrolador AT90S8515 15.13- Comparador Analógico O comparador analógico compara tensões da entrada positiva PB2 (AIN0) e da entrada negativa PB3 (AIN1). Quando a tensão na entrada positiva PB2 (AIN0) é maior do que a tensão na entrada negativa PB3 (AIN1), a saída do comparador analógico, ACO, é setado. A saída do comparador pode ser usada para disparar a função de entrada de captura do Timer/Counter1. O comparador também pode disparar uma interrupção separada, exclusiva para o comparador analógico. O usuário pode selecionar a ocorrência da interrupção na borda de subida, descida ou inversão da saída do comparador. Registrador de Controle e Status do Comparador Analógico – ACSR • Bit 7 – ACD: Analog Comparator Disable – Quando esse bit é setado, o comparador analógico é desligado. Caso contrário, o comparador analógico ficará ligado. • Bit 6 – Res: Reserved bit – Esse bit é reservado no AT90S8515 e é sempre lido como zero. • Bit 5 – ACO: Analog Comparator Output – O bit ACO está diretamente conectado à saída do comparador analógico. • Bit 4 – ACI: Analog Comparator Interrupt Flag – Esse bit é setado quando um evento definido por ACIS1 e ACIS0 ocorre na saída do comparador. A rotina de interrupção do comparador analógico é executada se o bit ACIE está setado e o bit I no SREG está setado. • Bit 3 – ACIE: Analog Comparator Interrupt Enable – Quando o bit ACIE é setado e o bit I no registrador de Status (SREG) está setado, a interrupção do comparador analógico está ativada. Se for zerado, a interrupção será desabilitada. • Bit 2 – ACIC: Analog Comparator Input Capture Enable – Se esse bit for setado, isso habilita a função de captura do Timer/Counter1 a ser disparada pelo comparador analógico. Neste caso, a saída do comparador é conectada diretamente na lógica da entrada de captura, fazendo com que o comparador utilize o redutor de ruído e as características de seleção de transição da interrupção de captura do Timer/Counter1. Se esse bit for zerado, a conexão entre o comparador analógico e a função de entrada de captura não será feita. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 176 Microcontrolador AT90S8515 • Bits 1,0 – ACIS1, ACIS0: Analog Comparator Interrupt Mode Select – Esses bits determinam qual evento no comparador irá disparar a interrupção do comparador analógico. As configurações de ACIS1/ACIS0 são mostradas na tabela 15-12. Tabela 15-12: FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 177 Microcontrolador AT90S8515 15.14- Interface com SRAM Externa • • • • A interface com uma SRAM consiste: Port A: Barramento multiplexado entre a parte baixa do barramento de endereço e o barramento de dados Port C: Parte alta do barramento de endereços Pino ALE: Address latch enable – Habilitação do Latch de Endereços Pinos RD e WR : Sinais de controle de Leitura e Escrita A SRAM de dados externa é habilitada quando o bit SRE – bit de habilitação da SRAM externa no registrador de controle da MCU, o MCUCR – é setado e as definições de direção do registrador DDRA serão anuladas. Quando o bit SRE é zerado, a SRAM externa é desabilitada e as configurações de direção dos pinos podem ser usadas. Quando ALE vai de ALTO para BAIXO, um endereço válido está no Port A. ALE se mantém em BAIXO durante a transferência de dados. RD e WR são ativados apenas durante o acesso à SRAM externa. A figura abaixo mostra como conectar uma SRAM externa usando um AVR e 8 latches que são habilitados com G em ALTO. Tipicamente, a SRAM externa é acessada em três ciclos. Se um estado de espera (WAIT STATE) for necessário, o bit SRW no registrador MCUCR deve ser setado. Note que o PORTA só é um barramento de dados em um ciclo. Assim que o acesso aos dados termina, PORTA volta a ser o barramento baixo de endereços. Fig. 15-11: Conexão de uma SRAM Externa com um AVR FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 178 Microcontrolador AT90S8515 15.15- Portas de Entrada/Saída Todos os ports tem a funcionalidade de Ler-Modificar-Escrever como um port digital I/O. Isso significa que a direção de um pino do port pode ser trocada sem que a direção de outro pino seja trocada com as instruções SBI e CBI. O mesmo se aplica para a troca do valor do drive (se configurado como saída) ou habilitando/desabilitando o resistor de pull-up (se configurado como entrada). Port A O port A é um port bidirecional de 8 bits. Três endereços na memória de I/O são usados para alocar o Port A, um para o registrador de dados – PORTA, $1B($3B), registrador de direção dos dados – DDRA, $1A($3A) e os pinos de entrada do port A – PINA, $19($39). O endereço dos pinos de entrada do port A é apenas de leitura, enquanto o registrador de dados e de direção de dados são de leitura/escrita. Todos os pinos do port possuem resistores de pull-up individualmente selecionáveis. Os buffers de saída do port A podem fornecer 20 mA e assim acionar diretamente display de LED. Quando os pinos PA0 até PA7 são usados como entradas e são externamente colocadas em ZERO, elas se tornarão fontes de corrente se o resistor de pull-up interno está ativado. Os pinos do port A podem ser usados para o acesso à uma SRAM de dados externa. O port A pode ser configurado para ser um barramento multiplexado entre a parte baixa dos endereços e dados durante o acesso à memória de dados externa. Nesse modo, o port A possui resistores de pull-up internos. Quando o port A é usado para a acessar a SRAM externa pelo bit SRE – External SRAM Enable – no registrador MCUCR – registrador de controle da MCU, a configuração dos bits no registrador de direção de dados – DDRA – é anulada. Registrador de Dados do Port A – PORTA Registrador de Direção de Dados do Port A – DDRA FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 179 Microcontrolador AT90S8515 Endereço dos Pinos de Entrada do Port A – PINA O endereço dos pinos do port A – PINA – não é um registrador e esse endereço habilita o acesso ao valor físico em cada pino do port A. Ao ler o PORTA, o latch de dados do port A é lido e ao ler PINA, o valor lógico nos pinos é lido. Port A como Entrada/Saída Digital PAn, pino de I/O: o bit DDAn no registrador DDRA seleciona a direção desse pino. Se DDAn for UM, PAn é configurado como um pino de saída. Se DDAn for ZERO, PAn é configurado como um pino de entrada. Se PORTAn for UM quando o pino foi configurado como uma entrada, o resistor de pull-up MOS é ativado. Para desligar o resistor de pull-up, o PORTAn deve ser zerado ou o pino deve ser configurado como uma saída. Os pinos do port A estarão em tri-state quando um reset ocorre, sempre se o clock não está ativo. A tabela 15-13 mostra a configuração de DDAn e PORTAn. Tabela 15-13: Port B O port B é um port bidirecional de 8 bits. Três endereços na memória de I/O são usados para alocar o Port B, um para o registrador de dados – PORTB, $18($38), registrador de direção dos dados – DDRB, $17($37) e os pinos de entrada do port B – PINB, $16($36). O endereço dos pinos de entrada do port B é apenas de leitura, enquanto o registrador de dados e de direção de dados são de leitura/escrita. Todos os pinos do port possuem resistores de pull-up individualmente selecionáveis. Os buffers de saída do port B podem fornecer 20 mA e assim acionar diretamente display de LED. Quando os pinos PB0 até PB7 são usados como entradas e são externamente colocadas em ZERO, elas se tornarão fontes de corrente se o resistor de pull-up interno está ativado. A tabela 15-14 mostra as funções alternativas dos pinos do port B. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 180 Microcontrolador AT90S8515 Tabela 15-14: Quando os pinos são usados com outra função, os registradores DDRB e PORTB deverão ser configurados conforme a descrição da função. Registrador de Dados do Port B – PORTB Registrador de Direção de Dados do Port B – DDRB Endereço dos Pinos de Entrada do Port B – PINB O endereço dos pinos do port B – PINB – não é um registrador e esse endereço habilita o acesso ao valor físico em cada pino do port B. Ao ler o PORTB, o latch de dados do port B é lido e ao ler PINB, o valor lógico nos pinos é lido. Port B como Entrada/Saída Digital PBn, pino de I/O: o bit DDBn no registrador DDRB seleciona a direção desse pino. Se DDBn for UM, PBn é configurado como um pino de saída. Se DDBn for ZERO, PBn é configurado como um pino de entrada. Se PORTBn for FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 181 Microcontrolador AT90S8515 UM quando o pino foi configurado como uma entrada, o resistor de pull-up MOS é ativado. Para desligar o resistor de pull-up, o PORTBn deve ser zerado ou o pino deve ser configurado como uma saída. Os pinos do port B estarão em tri-state quando um reset ocorre, sempre se o clock não está ativo. A tabela 15-15 mostra a configuração de DDBn e PORTBn. Tabela 15-15: Outras Funções do Port B As funções alternativas dos pinos do port B são as seguintes: • SCK – Port B, Bit 7 – SCK: pino de saída de clock no modo master, pino de entrada de clock no modo slave da SPI. Quando a SPI é habilitada como slave, esse pino é configurado como uma entrada, anulando as definições de DDB7. Quando a SPI é habilitada como master, a direção dos dados desse pino é controlada por DDB7. Quando o pino é forçado a ser uma entrada, o resistor de pull-up é controlado pelo bit PORTB7. • MISO – Port B, Bit 6 – MISO: pino de entrada de dados no modo master, pino de saída de dados no modo slave da SPI. Quando a SPI é habilitada como master, esse pino é configurado como entrada, anulando as definições de DDB6. Quando a SPI é habilitada como slave, a direção dos dados desse pino é controlada por DDB6. Quando o pino é forçado a ser uma entrada, o resistor de pull-up é controlado pelo bit PORTB6. • MOSI – Port B, Bit 5 –] MOSI: pino de saída de dados no modo master, pino de entrada de dados no modo slave da SPI. Quando a SPI é habilitada como slave, esse pino é configurado como uma entrada, anulando as definições de DDB5. Quando a SPI é habilitada com o master, a direção dos dados desse pino é controlada por DDB5. Quando o pino é forçado a ser uma entrada, o resistor de pull-up é controlado pelo bit PORTB5. • SS – Port B, Bit 4 – SS : pino de entrada de seleção do slave. Quando a SPI é habilitada como slave, esse pino é configurado como uma entrada, anulando as definições de DDB4. Como slave, a SPI é habilitada quando esse pino é colocado em BAIXO. Quando a SPI for habilitada como master, a direção dos dados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 182 Microcontrolador AT90S8515 desse pino é controlada por DDB4. Quando o pino é forçado a ser uma entrada, o resistor de pull-up é controlado pelo bit PORTB4. • AIN1 – Port B, Bit 3 – AIN1: entrada negativa do comparador analógico. Quando esse pino é configurado como uma entrada (DDR3 é zerado) e com o resistor MOS de pull-up desligado (PB3 é zerado), esse pino também é usado como a entrada negativa do comparador analógico. • AIN0 – Port B, Bit 2 – AIN0: entrada positiva do comparador analógico. Quando esse pino é configurado como uma entrada (DDR2 é zerado) e com o resistor MOS de pull-up desligado (PB2 é zerado), esse pino também é usado como a entrada posiva do comparador analógico. • T1 – Port B, Bit 1 – T1: entrada da fonte de clock do Timer/Counter1. • T0 – Port B, Bit 0 – T0: entrada da fonte de clock do Timer/Counter0. Port C O port C é um port bidirecional de 8 bits. Três endereços na memória de I/O são usados para alocar o Port C, um para o registrador de dados – PORTC, $15($35), registrador de direção dos dados – DDRC, $14($34) e os pinos de entrada do port C – PINC, $13($33). O endereço dos pinos de entrada do port C é apenas de leitura, enquanto o registrador de dados e de direção de dados são de leitura/escrita. Todos os pinos do port possuem resistores de pull-up individualmente selecionáveis. Os buffers de saída do port C podem fornecer 20 mA e assim acionar diretamente display de LED. Quando os pinos PC0 até PC7 são usados como entradas e são externamente colocadas em ZERO, elas se tornarão fontes de corrente se o resistor de pull-up interno está ativado. Os pinos do port C podem ser usados para o acesso à uma SRAM de dados externa. O port C pode ser configurado para ser o barramento da parte alta dos endereços durante o acesso à memória de dados externa. Quando o port C é usado para a acessar a SRAM externa pelo bit SRE – External SRAM Enable – no registrador MCUCR – registrador de controle da MCU, a configuração dos bits no registrador de direção de dados – DDRC – é anulada. Registrador de Dados do Port C – PORTC FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 183 Microcontrolador AT90S8515 Registrador de Direção de Dados do Port C – DDRC Endereço dos Pinos de Entrada do Port C – PINC O endereço dos pinos do port C – PINC – não é um registrador e esse endereço habilita o acesso ao valor físico em cada pino do port C. Ao ler o PORTC, o latch de dados do port C é lido e ao ler PINC, o valor lógico nos pinos é lido. Port C como Entrada/Saída Digital PCn, pino de I/O: o bit DDCn no registrador DDRC seleciona a direção desse pino. Se DDCn for UM, PCn é configurado como um pino de saída. Se DDCn for ZERO, PCn é configurado como um pino de entrada. Se PORTCn for UM quando o pino foi configurado como uma entrada, o resistor de pull-up MOS é ativado. Para desligar o resistor de pull-up, o PORTCn deve ser zerado ou o pino deve ser configurado como uma saída. Os pinos do port C estarão em tri-state quando um reset ocorre, sempre se o clock não está ativo. A tabela 15-16 mostra a configuração de DDCn e PORTCn. Tabela 15-16: FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 184 Microcontrolador AT90S8515 Port D O port D é um port bidirecional de 8 bits. Três endereços na memória de I/O são usados para alocar o Port D, um para o registrador de dados – PORTD, $12($32), registrador de direção dos dados – DDRD, $11($31) e os pinos de entrada do port D – PIND, $10($30). O endereço dos pinos de entrada do port D é apenas de leitura, enquanto o registrador de dados e de direção de dados são de leitura/escrita. Todos os pinos do port possuem resistores de pull-up individualmente selecionáveis. Os buffers de saída do port D podem fornecer 20 mA e assim acionar diretamente display de LED. Quando os pinos PD0 até PD7 são usados como entradas e são externamente colocadas em ZERO, elas se tornarão fontes de corrente se o resistor de pull-up interno está ativado. A tabela 15-17 mostra as funções alternativas dos pinos do port D. Tabela 15-17: Registrador de Dados do Port D – PORTD Registrador de Direção de Dados do Port D – DDRD Endereço dos Pinos de Entrada do Port D – PIND FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 185 Microcontrolador AT90S8515 O endereço dos pinos do port D – PIND – não é um registrador e esse endereço habilita o acesso ao valor físico em cada pino do port D. Ao ler o PORTD, o latch de dados do port D é lido e ao ler PIND, o valor lógico nos pinos é lido. Port D como Entrada/Saída Digital PDn, pino de I/O: o bit DDDn no registrador DDRD seleciona a direção desse pino. Se DDDn for UM, PDn é configurado como um pino de saída. Se DDDn for ZERO, PDn é configurado como um pino de entrada. Se PORTDn for UM quando o pino foi configurado como uma entrada, o resistor de pull-up MOS é ativado. Para desligar o resistor de pull-up, o PORTDn deve ser zerado ou o pino deve ser configurado como uma saída. Os pinos do port D estarão em tri-state quando um reset ocorre, sempre se o clock não está ativo. A tabela 15-18 mostra a configuração de DDDn e PORTDn. Tabela 15-18: Outras Funções do Port D • RD – Port D, Bit 7 – RD é o sinal de controle para leitura da memória de dados externa. • WR – Port D, Bit 6 – WR é o sinal de controle para escrita da memória de dados externa. • OC1A – Port D, Bit 5 – OC1A, saída de comparação do Timer/Counter1: o pino PD5 pode ser usado como uma saída externa quando o valor de comparação é igual ao Timer/Counter1. O pino PD5 deve ser configurado como uma saída (DDD5 deve ser setado). • INT1 – Port D, Bit 3 – INT1, entrada de interrupção externa 1: o pino PD3 serve como entrada para a interrupção externa 1 para a MCU. • INT0 – Port D, Bit 2 – INT0, entrada de interrupção externa 0: o pino PD2 serve como entrada para a interrupção externa 0 para a MCU. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 186 Microcontrolador AT90S8515 • TXD – Port D, Bit 1 – Transmissão de dados (pino de saída de dados da UART). Quando o transmissor da UART está habilitado, esse pino é configurado como saída. • RXD – Port D, Bit 0 – Recepção de dados (pino de entrada de dados da UART). Quando o receptor da UART está habilitado, esse pino é configurado como entrada. Quando a UART força esse pino ser uma entrada, um nível lógico UM em PORTD0 irá acionar o resistor de pull-up interno. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 187 Guia para Uso do Assembler AVR 16. Guia para Uso do Assembler AVR 16.1- Introdução O Assembler AVR converte um código fonte feito em assembly para um código objeto que será utilizado em microcontroladores da família AT90S Atmel. Esse código objeto gerado pode ser usado em um simulador ou emulador (In-Circuit Emulator). O Assembler também gera um código objeto de programação da memória de programa (FLASH) dos microcontroladores AVR. 16.2- Código Fonte do Assembler O Assembler utiliza arquivos fonte que contém mnemônicos de instruções, labels e diretivas. Os mnemônicos de instruções e as diretivas necessitam de operados. Cada linha de código é limitada em 120 caracteres. Cada linha pode ter um label, que é uma seqûência de letras ou números terminada com “:”. Esses labels são usados como “alvos” para instruções de pulo ou desvio ou como nome de variáveis na memória de Programa ou na RAM. Uma linha do código fonte pode ter as seguintes formas: 1. [label:] diretiva [operandos] [Comentários] 2. [label:] instruções [operandos] [Comentários] 3. Comentários 4. Linha em branco Um comentário é feito da seguinte maneira: ; [texto] Os itens colocados em colchetes [] são opcionais. O texto colocado entre o delimitador de comentários (;) e o caracter fim de linha (EOL) é ignorado pelo Assembler. Exemplos: label: .EQU var1=100 .EQU var2=200 ; Faz var1 igual 100 (Diretiva) ; Faz var2 igual 200 test: rjmp test ; Linha comentada ; Outra linha comentada ; Loop Infinito (Instrução) FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 188 Guia para Uso do Assembler AVR 16.3- Registradores da Memória de I/O do AT90S8515 Tabela 16-1: Endereço Nome Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 $3F ($5F) $3E ($5E) $3D ($5D) $3C ($5C) $3B ($5B) $3A ($5A) $39 ($59) $38 ($58) $37 ($57) $36 ($56) $35 ($55) $34 ($54) $33 ($53) $32 ($52) ... $2F ($4F) $2E ($4E) $2D ($4D) $2C ($4C) $2B ($4B) $2A ($4A) $29 ($49) $28 ($48) ... $25 ($45) $24 ($44) ... $21 ($41) $20 ($40) $1F ($3F) $1E ($3E) $1D ($3D) $1C ($3C) $1B ($3B) $1A ($3A) $19 ($39) $18 ($38) $17 ($37) $16 ($36) $15 ($35) $14 ($34) $13 ($33) $12 ($32) $11 ($31) $10 ($30) $0F ($2F) $0E ($2E) $0D ($2D) SREG SPH SPL Reserved GIMSK GSER TIMSK TSER Reserved Reserved MCUCR Reserved TCCR0 TCNT0 Reserved TCCR1A TCCR1B TCNT1H TCNT1L OCR1AH OCR1AL OCR1BH OCR1BL Reserved ICR1H ICR1L Reserved WDTCR Reserved EEARH EEARL EEDR EECR PORTA DDRA PINA PORTB DDRB PINB PORTC DDRC PINC PORTD DDRD PIND SPDR SPSR SPCR I SP15 SP7 T SP14 SP6 H SP13 SP5 S SP12 SP4 V SP11 SP3 N SP10 SP2 Z SP9 SP1 C SP8 SP0 INT1 INTF1 TOIE1 TOV1 INT0 INTF0 OCIE1A OCF1A OCIE1B OCF1B - TICIE1 ICF1 - TOIE0 TOV0 - SRE SRW SE SM ISC11 ISC10 ISC01 ISC00 - - - CS02 CS01 CS00 COM1A1 ICNC1 COM1A0 ICES1 Timer/Counter0 (8 Bit) COM1B1 COM1B0 PWM11 CTC1 CS12 CS11 Timer/Counter1 - Counter Register High Byte Timer/Counter1 - Counter Register Low Byte Timer/Counter1 - Output Compare Register A High Byte Timer/Counter1 - Output Compare Register A Low Byte Timer/Counter1 - Output Compare Register B High Byte Timer/Counter1 - Output Compare Register B Low Byte PWM10 CS10 Timer/Counter1 - Input Capture Register High Byte Timer/Counter1 - Input Capture Register Low Byte - - - - PORTA7 DDA7 PINA7 PORTB7 DDB7 PINB7 PORTC7 DDC7 PINC7 PORTD7 DDD7 PIND7 PORTA6 DDA6 PINA6 PORTB6 DDB6 PINB6 PORTC6 DDC6 PINC6 PORTD6 DDD6 PIND6 SPSE SPIE WCOL SPE - WDTOE WDE WDP2 EEPROM Address Register Low Byte EEPROM Data Register EEMWE PORTA5 PORTA4 PORTA3 PORTA2 DDA5 DDA4 DDA3 DDA2 PINA5 PINA4 PINA3 PINA2 PORTB5 PORTB4 PORTB3 PORTB2 DDB5 DDB4 DDB3 DDB2 PINB5 PINB4 PINB3 PINB2 PORTC5 PORTC4 PORTC3 PORTC2 DDC5 DDC4 DDC3 DDC2 PINC5 PINC4 PINC3 PINC2 PORTD5 PORTD4 PORTD3 PORTD2 DDD5 DDD4 DDD3 DDD2 PIND5 PIND4 PIND3 PIND2 SPI Data Register DORD MSTR CPOL CPHA FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller WDP1 WDP0 - EEAR8 EEWE PORTA1 DDA1 PINA1 PORTB1 DDB1 PINB1 PORTC1 DDC1 PINC1 PORTD1 DDD1 PIND1 EERE PORTA0 DDA0 PINA0 PORTB0 DDB0 PINB0 PORTC0 DDC0 PINC0 PORTD0 DDD0 PIND0 SPR1 SPR0 189 Guia para Uso do Assembler AVR $0C ($2C) UDR $0B ($2B) USR $0A ($2A) UCR $09 ($29) UBRR $08 ($28) ACSR … Reserved $00 ($20) Reserved RXC RXCIE TXC TXCIE UDRE UDRIE ACD - ACO UART I/O Data Register FE OR RXEN TXEN CHR9 UART Baud Rate Register ACI ACIE ACIC RXB8 TXB8 ACIS1 ACIS0 Bits reservados devem ser escritos com zero, se forem acessados. Endereços de memória de I/O reservados nunca devem ser escritos. Alguns flags de status são zerados com a escrita do valor lógico UM neles. As instruções CBI e SBI operarão em todos os bits dos registradores de I/O, escrevendo um UM lógico no flag lido como UM lógico e assim zerando o flag. As instruções CBI e SBI operam com os registradores de $00 a $1F apenas. 16.4- Tabela de Instruções Rd: Registrador de destino (e origem) Rr: Registrador de origem b: Constante (0-7), pode ser uma expressão constante s: Constante (0-7), pode ser uma expressão constante P: Constante (0-31/63), pode ser uma expressão constante k: Constante, faixa de valores depende da instrução. Pode ser uma expressão constante q: Constante (0-63), pode ser uma expressão constante Rdl: R24, R26, R28, R30. Usados nas instruções ADIW e SBIW X,Y,Z: Registradores para endereçamento indireto (X=R27:R26, Y=R29:R28, Z=R31:R30) FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 190 Guia para Uso do Assembler AVR Tabela 16-2: INSTRUÇÕES ARITMÉTICAS E LÓGICAS Mnemônicos Operandos ADD Rd, Rr ADC Rd, Rr ADIW Rdl,K SUB Rd, Rr SUBI Rd, K SBC Rd, Rr SBCI Rd, K SBIW Rdl,K AND Rd, Rr ANDI Descrição Soma dois registradores Operação Flags Nº de Clock Rd Å Rd + Rr Z,C,N,V,H 1 Rd Å Rd + Rr + C Z,C,N,V,H 1 Rdh:Rdl Å Rdh:Rdl + K Z,C,N,V,S 2 Rd Å Rd – Rr Z,C,N,V,H 1 Rd Å Rd – K Z,C,N,V,H 1 Rd Å Rd – Rr – C Z,C,N,V,H 1 Rd Å Rd – K – C Z,C,N,V,H 1 Rdh:Rdl Å Rdh:Rdl – K Z,C,N,V,S 2 E lógico entre registradores Rd Å Rd · Rr Z,N,V 1 Rd, K E lógico entre registrador e constante Rd Å Rd · K Z,N,V 1 OR Rd, Rr OU lógico entre registradores Rd Å Rd v Rr Z,N,V 1 ORI Rd, K Rd Å Rd v K Z,N,V 1 EOR Rd, Rr Rd Å Rd Å Rr Z,N,V 1 COM Rd Complemento de um Rd Å $FF – Rd Z,C,N,V 1 NEG Rd Complemento de dois Rd Å $00 – Rd Z,C,N,V,H 1 SBR Rd,K Faz bit(s) no registrador = 1 Rd Å Rd v K Z,N,V 1 CBR Rd,K Faz bit(s) no registrador = 0 Rd Å Rd · ($FF – K) Z,N,V 1 INC Rd Incrementa Rd Å Rd + 1 Z,N,V 1 DEC Rd Decrementa Rd Å Rd – 1 Z,N,V 1 TST Rd Testa registrador por zero ou negativo Rd Å Rd · Rd Z,N,V 1 CLR Rd Faz registrador = $00 Rd Å Rd Å Rd Z,N,V 1 SER Rd Faz registrador = $FF Rd Å $FF None 1 Soma com Carry dois registradores Soma valor imediato a uma palavra Subtrai dois registradores Subtrai uma constante de um registrador Subtrai com Carry dois registradores Subtrai com Carry constante de registrador Subtrai valor imediato de uma palavra OU lógico entre registrador e constante OU Exclusivo entre registradores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 191 Guia para Uso do Assembler AVR Tabela 16-3: INSTRUÇÕES DE DESVIO Mnemônicos Operandos RJMP k Descrição Operação Flags Nº de Clock Salto relativo PC Å PC + k + 1 None 2 Salto indireto a (Z) PC Å Z None 2 Chamada relativa a sub-rotina PC Å PC + k + 1 None 3 ICALL Chamada indireta a (Z) PC Å Z None 3 RET Retorno de sub-rotina PC Å STACK None 4 RETI Retorno de interrupção PC Å STACK I 4 IJMP RCALL k CPSE Rd,Rr Compara, salta instrução se for igual se (Rd = Rr) PC Å PC + 2 ou 3 None CP Rd,Rr Compara Rd – Rr Z, N,V,C,H 1 CPC Rd,Rr Compara com Carry Rd – Rr – C Z, N,V,C,H 1 CPI Rd,K Rd – K Z, N,V,C,H 1 SBRC Rr, b SBRS Rr, b SBIC P, b SBIS P, b BRBS s, k Desvia se flag de status é um BRBC s, k Desvia se flag de status é zero BREQ k Desvia se igual BRNE k Desvia se não igual BRCS k Desvia se Carry é um BRCC k Desvia se Carry é zero BRSH k Desvia se maior ou igual BRLO k Desvia se menor BRMI k Desvia se negativo BRPL k Desvia se positivo Compara registrador com valor imediato Salta instrução se bit no registrador é zero Salta instrução se bit no registrador é um Salta instrução se bit no reg. de I/O é zero Salta instrução se bit no reg. de I/O é um se (Rr(b)=0) PC Å PC + 2 ou 3 se (Rr(b)=1) PC Å PC + 2 ou 3 se (P(b)=0) PC Å PC + 2 ou 3 se (P(b)=1) PC Å PC + 2 ou 3 se (SREG(s)=1) então PC Å PC+ k + 1 se (SREG(s)=0) então PC Å PC+ k + 1 se (Z = 1) então PC Å PC +k+1 se (Z = 0) então PC Å PC +k+1 se (C = 1) então PC Å PC +k+1 se (C = 0) então PC Å PC +k+1 se (C = 0) então PC Å PC +k+1 se (C = 1) então PC Å PC +k+1 se (N = 1) então PC Å PC +k+1 se (N = 0) então PC Å PC +k+1 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 1/2/ 3 1/2/ 3 1/2/ 3 1/2/ 3 1/2/ 3 None None None None None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 192 Guia para Uso do Assembler AVR BRGE k BRLT k BRHS k BRHC k BRTS k BRTC k BRVS k BRVC k BRIE k BRID k Desvia se maior ou igual, sinalizado Desvia se menor do que zero, sinalizado se (N Å V = 0) então PC Å PC + k + 1 se (N Å V = 1) então PC Å PC + k + 1 se (H = 1) então PC Å PC Desvia se Half Carry é um +k+1 se (H = 0) então PC Å PC Desvia se Half Carry é zero +k+1 se (T = 1) então PC Å PC Desvia se flag T é um +k+1 se (T = 0) então PC Å PC Desvia se flag T é zero +k+1 se (V = 1) então PC Å PC Desvia se flag de Overflow é um +k+1 Desvia se flag de Overflow é se (V = 0) então PC Å PC zero +k+1 Desvia se interrupções estão se ( I = 1) então PC Å PC habilitadas +k+1 Desvia se interrupções estão se ( I = 0) então PC Å PC desabilitadas +k+1 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 None 1/2 Tabela 16-4: INSTRUÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE DADOS Mnemônicos Operandos Descrição Operação Flags Nº de Clock MOV Rd, Rr Move conteúdo de registrador para outro Rd Å Rr None 1 LDI Rd, K Carrega valor imediato Rd Å K None 1 LD Rd, X Carrega valor indireto Rd Å (X) None 2 LD Rd, X+ Rd Å (X), X Å X + 1 None 2 LD Rd, - X X Å X – 1, Rd Å (X) None 2 LD Rd, Y Rd Å (Y) None 2 LD Rd, Y+ Rd Å (Y), Y Å Y + 1 None 2 LD Rd, - Y Y Å Y – 1, Rd Å (Y) None 2 LDD Rd,Y + q Rd Å (Y + q) None 2 LD Rd, Z Rd Å (Z) None 2 LD Rd, Z+ Rd Å (Z), Z Å Z+1 None 2 LD Rd, -Z Z Å Z – 1, Rd Å (Z) None 2 LDD Rd, Z+q Rd Å (Z + q) None 2 Carrega valor indireto com pós incremento Carrega valor indireto com pré decremento Carrega valor indireto Carrega valor indireto com pós incremento Carrega valor indireto com pré incremento Carrega valor indireto com deslocamento Carrega valor indireto Carrega valor indireto com pós incremento Carrega valor indireto com pré decremento Carrega valor indireto com deslocamento FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 193 Guia para Uso do Assembler AVR LDS Rd, k Carrega valor direto da SRAM Rd Å (k) None 2 ST X, Rr Armazena valor indireto (X) Å Rr None 2 ST X+, Rr None 2 ST -X, Rr None 2 ST Y, Rr None 2 ST Y+, Rr ST -Y, Rr STD Y + q, Rr ST Z, Rr ST Z+, Rr ST -Z, Rr STD Z+q, Rr STS k, Rr LPM Armazena valor indireto com (X) Å Rr, X Å X + 1 pós inc. Armazena valor indireto com pré X Å X – 1, (X) Å Rr dec. Armazena valor indireto (Y) Å Rr Armazena valor indireto com (Y) Å Rr, Y Å Y + 1 pós inc. Armazena valor indireto com pré Y Å Y – 1, (Y) Å Rr dec. Armazena valor indireto com (Y + q) Å Rr deslocamento None 2 None 2 None 2 Armazena valor indireto None 2 None 2 None 2 None 2 (Z) Å Rr Armazena valor indireto com (Z) Å Rr, Z Å Z + 1 pós inc. Armazena valor indireto com pré Z Å Z – 1, (Z) Å Rr dec. Armazena valor indireto com (Z + q) Å Rr deslocamento Armazena direto na SRAM (k) Å Rr None 2 Carrega valor da memória de programa R0 Å (Z) None 3 IN Rd, P Port de entrada Rd Å P None 1 OUT P, Rr Port de saída P Å Rr None 1 PUSH Rr Guarda valor na pilha STACK Å Rr None 2 POP Rd Busca valor da pilha para o registrador Rd Å STACK None 2 Tabela 16-5: INSTRUÇÕES DE TESTE BIT A BIT SBI P,b Faz bit no registrador de I/O = 1 I/O(P,b) Å 1 None 2 CBI P,b Faz bit no registrador de I/O = 0 I/O(P,b) Å 0 None 2 LSL Rd Z,C,N,V 1 LSR Rd Z,C,N,V 1 ROL Rd Z,C,N,V 1 ROR Rd Z,C,N,V 1 ASR Rd Z,C,N,V 1 Deslocamento lógico para a esquerda Deslocamento lógico para da direita Rotação para a esquerda com Carry Rotação para a direita com Carry Deslocamento aritmético para a direita Rd(n+1) Å Rd(n), Rd(0) Å 0 Rd(n) Å Rd(n+1), Rd(7) Å 0 Rd(0)Å C,Rd(n+1)Å Rd(n),CÅRd(7) Rd(7)ÅC,Rd(n)Å Rd(n+1),CÅRd(0) Rd(n) Å Rd(n+1), n=0..6 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 194 Guia para Uso do Assembler AVR SWAP Rd Troca nibbles Rd(3..0)Å None Rd(7..4),Rd(7..4)ÅRd(3..0) 1 BSET s Faz flag = 1 SREG(s) Å 1 SREG(s) 1 BCLR s Faz flag = 0 SREG(s) Å 0 SREG(s) 1 BST Rr, b Armazena bit do reg. no flag T T Å Rr(b) T 1 BLD Rd, b Carrega bit no reg. com o flag T Rd(b) Å T None 1 SEC Faz Carry = 1 CÅ1 C 1 CLC Faz Carry = 0 CÅ0 C 1 SEN Faz flag Negative = 1 NÅ1 N 1 CLN Faz flag Negative = 0 NÅ0 N 1 SEZ Faz flag Zero = 1 Z Å1 Z 1 CLZ Faz flag Zero = 0 ZÅ0 Z 1 SEI Habilita interrupções IÅ1 I 1 CLI Desabilita interrupções IÅ0 I 1 SES Faz flag Signed Test = 1 SÅ1 S 1 CLS Faz flag Signed Test = 0 SÅ0 S 1 VÅ1 V 1 VÅ0 V 1 SEV CLV Faz flag Two’s Complement Overflow = 1 Faz flag Two’s Complement Overflow = 0 SET Faz flag T no SREG = 1 TÅ1 T 1 CLT Faz flag T no SREG = 0 TÅ0 T 1 SEH Faz flag Half Carry no SREG = 1 H Å 1 H 1 CLH Faz flag Half Carry no SREG = 0 H Å 0 H 1 NOP Nenhuma operação None 1 SLEEP Sleep None 3 WDR Reinicia Watchdog None 1 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 195 Guia para Uso do Assembler AVR 16.5- Diretivas no Assembler As diretivas não são convertidas diretamente em opcodes (códigos de operação). Elas são usadas para corrigir endereços do programa na memória, definir macros, inicializar memória, dentre outras funções. A tabela 16-6 mostra a lista de diretivas suportadas pelo Assembler. Tabela 16-6: Diretiva BYTE CSEG DB DEF DEVICE DSEG DW ENDMACRO EQU ESEG EXIT INCLUDE LIST LISTMAC MACRO NOLIST ORG SET Descrição Reserva bytes para uma variável Segmento de código Define constantes de um byte Define um nome simbólico para um registrador Define o componente para o Assembler Segmento de dados Define constantes de dois bytes (word) Finaliza de uma macro Substitui uma expressão por um nome simbólico Segmento da EEPROM Sai do arquivo Le o fonte de outro arquivo Habilita a criação de um arquivo de descrição (list file) Habilita a expansão de macro Inicia uma macro Desabilita a criação de um arquivo de descrição (list file) Posiciona o programa no endereço dado Substitui uma expressão por um nome simbólico Todas as diretivas devem ser precedidas por um ponto (.). BYTE – Reserva bytes para uma variável A diretiva BYTE reserva posições de memória na SRAM. A diretiva BYTE deve ser precedida por um label (nome da variável). A diretiva recebe como parâmetro o número de bytes a serem reservados para a variável na SRAM. Por isso, essa diretiva deve ser usada apenas dentro das definições do segmento de dados (DSEG). Os bytes reservados não serão inicializados. Sintaxe: LABEL: .BYTE expressão Exemplo: .DSEG var1: .BYTE 1 table: .BYTE tab_size .CSEG ldi r30,low(var1) ldi r31,high(var1) ld r1,Z ; reserva 1 byte para var1 ; reserva tab_size bytes para table ; Carrega o registrador BAIXO de Z ; Carrega o registrador ALTO de Z ; Carrega VAR1 para o registrador 1 FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 196 Guia para Uso do Assembler AVR CSEG – Segmento de código A diretiva CSEG define o início do Segmento de Código. Um arquivo pode conter vários segmentos de código, que serão concatenados em um único segmento de código quando o Assembler for executado. A diretiva BYTE não pode ser usada dentro de um segmento de código. A diretiva ORG pode ser usada para especificar endereços de códigos ou constantes na memória de programa. Esta diretiva não requer nenhum parâmetro. Sintaxe: .CSEG Exemplo: .DSEG vartab: .BYTE 4 .CSEG const: .DW 2 mov r1,r0 ; Início do segmento de dados ; Reserva 4 bytes na SRAM para vartab ; Início do segmento de código ; Escreve o valor 0x0002 (16 bits) na memória de ; programa ; Faz qualquer coisa DB – Define constantes de um byte na memória de programa ou na EEPROM A diretiva DB armazena bytes na memória de programa ou na EEPROM. A diretiva DB deve ser precedida por um label (nome de uma constante). A diretiva recebe como parâmetro um byte ou uma seqüência de bytes. A diretiva DB deve ser usada dentro do segmento de código ou segmento de EEPROM. Os bytes da lista devem ser separados por vírgulas (,). Cada valor deve ser um número entre –128 e 255. Se o valor for negativo, a representação complemento a dois de 8 bits do valor será armazenada na memória de programa ou na EEPROM. Se a diretiva DB é usada no segmento de código e o número de valores é maior do que um, os dados são armazenados a cada dois bytes em cada endereço da memória de programa. Sintaxe: LABEL: .DB listadevalores Exemplo: .CSEG consts: .DB 0, 255, 0b01010101, -128, 0xaa .ESEG eeconst: .DB 0xff DEF – Define um nome simbólico para um registrador A diretiva DEF permite que os registradores possam ser chamados por nomes simbólicos. Um nome definido é usado pelo programa para chamar um registrador. Um registrador pode ter vários nomes associados a ele. Um nome pode ser redefinido mais tarde dentro do programa. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 197 Guia para Uso do Assembler AVR Sintaxe: .DEF Nome=Registrador Exemplo: .DEF temp=R16 .DEF ior=R0 .CSEG ldi temp,0xf0 in ior,0x3f eor temp,ior ; Carrega o valor 0xf0 no registrador temp ; Le SREG e o armazena no registrador ior ; Ou Exclusivo entre temp e ior DEVICE – Define qual componente será usado pelo programa A diretiva DEVICE indica para o Assembler qual componente que o código será executado. Se esta diretiva é usada e o código possui uma instrução não suportada pelo componente, uma mensagem de aviso é mostrada de Assembler. Se o tamanho do segmento de código ou do segmento da EEPROM é maior do que o suportado pelo componente especificado, um aviso também ocorrerá. Se a diretiva DEVICE não for usada, o Assembler assume que todas as instruções são suportadas e não há restrições de tamanho de memória. Sintaxe: .DEVICE AT90S1200 | AT90S2313 | AT90S4414 | AT90S8515 Exemplo: .DEVICE AT90S1200 ; Especifica que o componente a ser usado é o AT90S1200 .CSEG push r30 ; Essa instrução irá gerar um mensagem de aviso, já que o ; componente especificado não suporta esta instrução DSEG – Segmento de dados A diretiva DSEG define o início do segmento de dados. Um arquivo pode conter vários segmentos de dados, que serão concatenados em um único segmento de dados quando o Assembler for executado. Um segmento de dados consistirá, basicamente, de diretivas BYTE (e labels). A diretiva ORG pode ser usada para endereçar variáveis na SRAM. A diretiva não requer nenhum parâmetro. Sintaxe: .DSEG Exemplo: .DSEG var1: .BYTE 1 table: .BYTE tab_size ; Início do segmento de dados ; reserva 1 byte para var1 ; reserva tab_size bytes FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 198 Guia para Uso do Assembler AVR .CSEG ldi r30,low(var1) ldi r31,high(var1) ld r1,Z ; Carrega o registrador baixo de Z ; Carrega o registrador alto de Z ; Carrega var1 para registrador 1 DW – Define constantes de dois bytes (word) na memória de programa ou na EEPROM A diretiva DW reserva words memória de programa ou na EEPROM. A diretiva DW deve ser precedida por um label (nome de uma constante). A diretiva recebe como parâmetro uma word ou uma seqüência de words. A diretiva DW deve ser usada dentro do segmento de código ou segmento de EEPROM. As words da lista devem ser separadas por vírgulas (,). Cada valor deve ser um número entre –32768 e 65535. Se o valor for negativo, a representação complemento a dois de 16 bits do valor será armazenada na memória de programa ou na EEPROM. Sintaxe: LABEL: .DW listadevalores Exemplo: .CSEG varlist: .DW 0,0xffff,0b1001110001010101,-32768,65535 .ESEG eevar: .DW 0xffff ENDMACRO – Finaliza uma macro A diretiva ENDMACRO indica o fim de uma definição de macro. Esta diretiva não requer parâmetros. Sintaxe: .ENDMACRO Exemplo: .MACRO SUBI16 subi r16,low(@0) sbci r17,high(@0) .ENDMACRO ; Inicia uma definição de macro ; Subtrai o byte baixo ; Subtrai o byte alto ; Fim da definição de macro EQU – Substitui uma expressão por um nome simbólico A diretiva EQU associa um nome (label) a um valor. Esse nome pode ser usado em expressões posteriores. Um nome associado a um valor pela diretiva EQU é uma constante e não pode ser mudado ou redefinido. Sintaxe: .EQU label = expressão FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 199 Guia para Uso do Assembler AVR Exemplo: .EQU io_offset = 0x23 .EQU porta = io_offset + 2 .CSEG ; Início do segmento de código clr r2 ; Zera o registrador 2 out porta,r2 ; Escreve o valor do registrador 2 no Port A ESEG – Segmento de EEPROM A diretiva ESEG define o início do segmento de EEPROM. Um arquivo pode conter vários segmentos de EEPROM, que serão concatenados para um único segmento de EEPROM quando o Assembler for executado. A diretiva BYTE não pode ser usada em um segmento de EEPROM. A diretiva ORG pode ser usada para localizar constantes na EEPROM. Esta diretiva não requer parâmetros. Sintaxe: .ESEG Exemplo: .DSEG vartab: .BYTE 4 .ESEG eevar: .DW 0xff0f .CSEG const: .DW 2 mov r1,r0 ; Inicia o segmento de dados ; Reserva 4 bytes na SRAM ; Inicializa uma word na EEPROM ; Inicia o segmento de código ; Escreve o valor 0x0002 na memória de programa ; Faz qualquer coisa EXIT – Sai deste arquivo A diretiva EXIT para a execução do Assembler. Normalmente, o Assembler é executado até encontrar o fim de arquivo (EOF). Se a diretiva EXIT aparece em um arquivo que foi incluído, o Assembler continua da linha seguinte da diretiva INCLUDE. Sintaxe: .EXIT Exemplo: .EXIT ; Sai deste arquivo INCLUDE – Inclui outro arquivo A diretiva INCLUDE indica para o Assembler começar a leitura do arquivo especificado. O Assembler então é executado até encontrar o fim de arquivo (EOF) ou uma diretiva EXIT. Um arquivo incluído pode conter também outras diretivas INCLUDE. Sintaxe: .INCLUDE “nomedoarquivo” FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 200 Guia para Uso do Assembler AVR Exemplo: ; iodefs.asm: .EQU sreg=0x3f ; Registrador de Status .EQU sphigh=0x3e ; Registrador Alto do Ponteiro de Pilha (Stack pointer) .EQU splow=0x3d ; Registrador Baixo do Ponteiro de Pilha (Stack pointer) ; incdemo.asm .INCLUDE “iodefs.asm” in r0,sreg ; Inclui definições de I/O ; Le registrador de status LIST – Habilita a criação do arquivo de descrição (listfile) A diretiva LIST indica para o Assembler criar um arquivo de descrição (listfile). Esse arquivo é uma combinação do código fonte, endereços e opcodes (códigos de instruções). A criação deste arquivo, por default, está habilitada. Esta diretiva pode ser usada junto com a diretiva NOLIST para gerar um listfile de partes do programa fonte. Sintaxe: .LIST Exemplo: .NOLIST .INCLUDE “macro.inc” .INCLUDE “const.def” .LIST ; Desabilita a criação do listfile ; Os arquivos incluídos não serão mostrados o listfile ; Habilita novamente a criação do listfile LISTMAC – Habilita expansão de macro A diretiva LISTMAC informa para o Assembler que, quando uma macro é chamada, a expansão da macro deve ser mostrada no listfile gerado pelo Assembler. Por default, apenas as chamadas de macros com parâmetros são mostradas no listfile. Sintaxe: .LISTMAC Exemplo: .MACRO MACX add r0,@0 eor r1,@1 .ENDMACRO .LISTMAC MACX r2,r1 ; Define um exemplo de macro ; Faz qualquer coisa ; Faz qualquer coisa ; Fim da definição da macro ; Habilita expansão da macro ; Chama a macro, mostra a expansão MACRO – Inicia uma macro A diretiva MACRO informa para o Assembler o início de uma macro. A diretiva MACRO usa o nome da macro como parâmetro. Quando o nome da macro é escrito posteriormente no programa, a definição da macro é expandida no local FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 201 Guia para Uso do Assembler AVR onde ela foi usada. Uma macro suporta até 10 parâmetros. Esses parâmetros são chamados como @0-@9 dentro da definição da macro. Na chamada de uma macro, os parâmetros são passados em forma de lista, separados por vírgulas (,). Uma definição de macro é finalizada por uma diretiva ENDMACRO. Por default, apenas as chamadas a uma macro são mostradas no listfile gerado pelo Assembler. Para incluir uma expansão de macro no listfile, a diretiva LISTMAC deve ser usada. Uma macro é marcada com um + no campo do opcode no listfile. Sintaxe: .MACRO nomedamacro Exemplo: .MACRO SUBI16 subi @1,low(@0) sbci @2,high(@0) .ENDMACRO .CSEG SUBI16 0x1234,r16,r17 ; Inicia uma definição de macro ; Subtrai o byte baixo ; Subtrai o byte alto ; Fim da definição da macro ; Início do segmento de código ; Subtrai 0x1234 de r17:r16 NOLIST – Desabilita a criação do arquivo de descrição (listfile) A diretiva NOLIST informa que o Assembler não deve criar o arquivo de descrição listfile. Normalmente, o Assembler gera um listfile que é uma combinação de código fonte, endereços e opcodes. Por default, a criação do listfile é habilitada, mas pode ser desabilitada usando a diretiva NOLIST. Esta diretiva pode ser usada junto com a diretiva LIST para gerar um listfile de partes do programa fonte. Sintaxe: .NOLIST ; Habilita a geração de listfile Exemplo: .NOLIST .INCLUDE “macro.inc” .INCLUDE “const.def” .LIST ; Desabilita a geração de listfile ; Os arquivos incluídos não serão mostrados no ; listfile ; ; Habilita novamente a geração de listfile ORG – Posiciona o programa no endereço dado A diretiva ORG posiciona o programa no endereço dado. Se a diretiva ORG for usada no segmento de dados, um valor será armazenado a partir do endereço especificado. Se a diretiva ORG for usada no segmento de código, um valor será armazenado a partir do endereço especificado. Se a diretiva OR for usada no segmento de EEPROM, um valor será armazenado a partir do endereço especificado. Se a diretiva for precedida por um label (na mesma linha do código fonte), o label será tomado como parâmetro. O valor default inicial dos endereços de memória de código e EEPROM é zero, enquanto para a SRAM é 32 (a partir dos registradores R0-R31). O endereço da EEPROM e a SRAM é FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 202 Guia para Uso do Assembler AVR dado em bytes enquanto o endereço da memória de programa é dado em words. Sintaxe: .ORG expressão Exemplo: .DSEG .ORG 0x67 variable:.BYTE 1 .ESEG .ORG 0x20 eevar: .DW 0xfeff .CSEG .ORG 0x10 mov r0,r1 ; Inicia a memória de dados ; Aponta para o endereço 0x67 da SRAM ; Reserva um byte no endereço 0x67 da SRAM ; Inicia do segmento da EEPROM ; Aponta para o endereço 0x20 da EEPROM ; Inicializa uma word ; Aponta para o endereço 0x10 da memória de ; programa ; Faz qualquer coisa EQU – Substitui uma expressão por um nome simbólico A diretiva EQU associa um nome (label) a um valor. Esse nome pode ser usado em expressões posteriores. Um nome associado a um valor pela diretiva EQU é uma constante e não pode ser mudado ou redefinido. SET – Substitui uma expressão por um nome simbólico A diretiva SET associa um nome (label) a um valor. Esse nome poder ser usado em expressões posteriores. Um nome associado a um valor pela diretiva SET pode ser alterado no programa. Sintaxe: .SET label = expressão Exemplo: .SET io_offset = 0x23 .SET porta = io_offset + 2 .CSEG ; Inicia o segmento de código clr r2 ; Zera o registrador 2 out porta,r2 ; Escreve o conteúdo do registrador 2 no Port A FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 203 Guia para Uso do Assembler AVR 16.6- Expressões O Assembler pode manipular expressões. Expressões consistem de operandos, operadores e funções. Todas as expressões, internamente, são de 32 bits. Operandos - - Os seguintes operandos podem ser usados: Labels definidos pelo usuário para um endereço da memória Variáveis definidas pela diretiva SET Variáveis definidas pela diretiva QUE Constantes inteiras: constantes de vários tipos: a) Decimal (default): 10, 255 b) Hexadecimal (duas notações): 0x0a, $0a, 0xff, $ff c) Binário: 0b00001010, 0b11111111 PC – o valor atual do contador de endereços da memória de programa Funções - As seguintes funções são definidas: LOW(expressão) retorna o primeiro byte de uma expressão HIGH(expressão) retorna o segundo byte de uma expressão BYTE2(expressão) tem a mesma função de HIGH BYTE3(expressão) retorna o terceiro byte de uma expressão BYTE4(expressão) retorna o quarto byte de uma expressão LWRD(expressão) retorna os bits de 0 a 15 (low word) de uma expressão HWRD(expressão) retorna os bits de 16 a 31 (high word) de uma expressão PAGE(expressão) retorna os bits de 16 a 21 de uma expressão EXP2(expressão) retorna 2^expressão LOG2(expressão) retorna a parte inteira de log2(expressão) Operadores O Assembler suporta vários operadores, onde o de maior precedência possui a maior prioridade. Não Lógico Símbolo: ! Descrição: Operador unário que retorna 1 se a expressão for zero e retorna 0 se a expressão for diferente de zero. Precedência: 14 Exemplo: ldi r16,!0xf0 ; Carrega r16 com 0x00 Não bit a bit Símbolo: ~ FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 204 Guia para Uso do Assembler AVR Descrição: Operador unário que retorna todos os bits invertidos de uma expressão. Precedência: 14 Exemplo: ldi r16,~0xf0 ; Carrega r16 com 0x0f Negação Símbolo: Descrição: Operador unário que retorna a negação aritmética de uma expressão. Precedência: 14 Exemplo: ldi r16,-2 ; Carrega -2(0xfe) em r16 Multiplicação Símbolo: * Descrição: Operador binário que retorna o produto de duas expressões. Precedência: 13 Exemplo: ldi r30,label*2 ; Carrega r30 com label*2 Divisão Símbolo: / Descrição: Operador binário que retorna o quociente inteiro da expressão da esquerda dividida pelo expressão da direita. Precedência: 13 Exemplo: ldi r30,label/2 ; Carrega r30 com label/2 Adição Símbolo: + Descrição: Operador binário que retorna a soma de duas expressões Precedência: 12 Exemplo: ldi r30,c1+c2 ; Carrega r30 com c1+c2 Subtração Símbolo: Descrição: Operador binário que retorna a expressão da esquerda menos a expressão da direita. Precedência: 12 Exemplo: ldi r17,c1-c2 ; Carrega r17 com c1-c2 Deslocamento para a esquerda Símbolo: << Descrição: Operador binário que retorna a expressão da esquerda deslocada para a esquerda um número de vezes igual à expressão da direita. Precedência: 11 Exemplo: ldi r17,1<> Descrição: Operador binário que retorna a expressão da esquerda deslocada para a direita um número de vezes igual à expressão da direita. FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 205 Guia para Uso do Assembler AVR Precedência: 11 Exemplo: ldi r17,c1>>c2 vezes ;Carrega r17 com c1 deslocado para a direita c2 Menor do que Símbolo: < Descrição: Operador binário que retorna 1 se a expressão sinalizada da esquerda for menor do que a expressão sinalizada da direita, caso contrário, retorna 0. Precedência: 10 Exemplo: ori r18,bitmask*(c1 Descrição: Operador binário que retorna 1 se a expressão sinalizada da esquerda for maior do que a expressão da direita, caso contrário, retorna 0. Precedência: 10 Exemplo: ori r18,bitmask*(c1>c2)+1 ; Ou entre r18 e uma expressão Maior ou igual Símbolo: >= Descrição: Operador binário que retorna 1 se a expressão sinalizada da esquerda for maior ou igual à expressão da direita, caso contrário, retorna 0. Precedência: 10 Exemplo: ori r18,bitmask*(c1>=c2)+1 ; Ou entre r18 e uma expressão Igual Símbolo: == Descrição: Operador binário que retorna 1 se a expressão sinalizada da esquerda for igual à expressão da direita, caso contrário, retorna 0. Precedência: 9 Exemplo: andi r19,bitmask*(c1==c2)+1 ; E entre r19 e uma expressão Diferente Símbolo: != Descrição: Operador binário que retorna 1 se a expressão sinalizada da esquerda for diferente da expressão sinalizada da direita, caso contrário, retorna 0. Precedência: 9 Exemplo: .SET flag=(c1!=c2) ; Faz flag igual a 1 ou 0 E bit a bit Símbolo: & FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 206 Guia para Uso do Assembler AVR Descrição: Operador binário que retorna a operação E bit a bit entre duas expressões. Precedência: 8 Exemplo: ldi r18,High(c1&c2) ; Carrega r18 com uma expressão Ou Exclusivo bit a bit Símbolo: ^ Descrição: Operador binário que retorna a operação de Ou Exclusivo bit a bit entre duas expressões. Precedência: 7 Exemplo: ldi r18,Low(c1^c2) ; Carrega r18 com uma expressão Ou bit a bit Símbolo: | Descrição: Operador binário que retorna a operação Ou bit a bit entre duas expressões. Precedência: 6 Exemplo: ldi r18,Low(c1|c2) ; Carrega r18 com uma expressão E lógico Símbolo: && Descrição: Operador binário que retorna 1 se a ambas expressões forem diferentes de zero, caso contrário, retorna 0. Precedência: 5 Exemplo: ldi r18,Low(c1&&c2) ; Carrega r18 com uma expressão Ou lógico Símbolo: || Descrição: Operador binário que retorna 1 se uma ou ambas expressões forem diferentes de zero, caso contrário, retorna 0. Precedência: 4 Exemplo: ldi r18,Low(c1||c2) ; Carrega r18 com uma expressão FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 207