1) - Revisão da Arquitetura do Microcontrolador 8051
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www.mackenzie.com.br APOSTILA MICROPROCESSADORES 2 ESCOLA DE ENGENHARIA PROF. IVAIR REIS N. ABREU www.ivair.com.br SEGUNDO SEMESTRE 2004 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II Índice Revisão: 05/08/2004 1) - REVISÃO DA ARQUITETURA DO MICROCONTROLADOR 8051 ..................................................... 7 1.1) - FAMÍLIA DE MICROCONTROLADORES INTEL MCS-51: ......................................................................... 7 1.2) - SISTEMA MÍNIMO COM O 8051: .............................................................................................................. 7 1.3) - CÓDIGOS DE OPERAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 8051: ....................................................................... 8 1.3.1) - Instruções de transferência de informação: .................................................................................. 8 1.3.2) - Instruções Aritméticas: .................................................................................................................. 9 1.3.3) - Instruções Lógicas: ...................................................................................................................... 10 1.3.4) - Instruções de Transferência de Controle: ................................................................................... 10 1.3.5) - Instruções Booleanas:.................................................................................................................. 11 1.4) - EXERCÍCIOS.......................................................................................................................................... 12 2) - DISPLAY LCD PROGRAMÁVEL........................................................................................................... 13 2.1) - INTRODUÇÃO: ...................................................................................................................................... 13 2.2) - SISTEMA MÍNIMO COM O DISPLAY L.C.D. : ........................................................................................... 14 2.4) - ESCRITA DE DADOS NO DISPLAY: .......................................................................................................... 16 2.5) - EXERCÍCIOS: ........................................................................................................................................ 17 3) - SISTEMA DE TEMPORIZAÇÃO E INTERRUPÇÃO DO 8051 ............................................................ 18 3.1) - SISTEMA DE INTERRUPÇÃO: ................................................................................................................. 18 3.2) - EXERCÍCIOS.......................................................................................................................................... 18 3.3) - APLICAÇÃO DE INTERRUPÇÃO EXTERNA -> SISTEMA DE LEITURA DIRETA DE TECLAS. ......................... 19 3.4) - EXERCÍCIO ........................................................................................................................................... 20 3.5) - SISTEMA DE TEMPORIZAÇÃO: ............................................................................................................... 20 3.3) - EXERCÍCIOS.......................................................................................................................................... 21 4) - SISTEMA DE VARREDURA DE TECLADO/DISPLAY....................................................................... 23 4.1) - EXERCÍCIOS.......................................................................................................................................... 25 5) - SISTEMA DE COMUNICAÇÃO SERIAL .............................................................................................. 26 5.1) - INTRODUÇÃO E CONCEITOS BÁSICOS: ................................................................................................... 26 5.1.1) - Comunicação Assíncrona: ........................................................................................................... 26 5.1.2) - Comunicação Síncrona: .............................................................................................................. 26 5.1.3) - Interface padrão RS-232: ............................................................................................................ 27 5.1.4) - Sinais típicos de uma interface padrão serial: ............................................................................ 27 5.2) - COMUNICAÇÃO SERIAL NO 8051: ......................................................................................................... 28 6) – CONVERSORES ANALÓGICO/DIGITAIS E DIGITAIS ANALÓGICOS ........................................... 32 6.1) - INTRODUÇÃO: ...................................................................................................................................... 32 6.2) – CONVERSOR A/D ADC 0808 ............................................................................................................... 33 DOWNLOAD -> HTTP://WWW.NATIONAL.COM/ADS-CGI/VIEWER.PL/DS/AD/ADC0808.PDF ....... 33 6.3) - EXERCÍCIOS.......................................................................................................................................... 34 7) - PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAL ............................................................................................. 35 7.1) INTRODUÇÃO AO PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS ....................................................... 35 2 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II 7.2) - CARACTERÍSTICAS DA ARQUITETURA DE UM CIRCUITO INTEGRADO DEDICADO A DSP: ........................ 36 7.3) - CONCLUSÃO: ........................................................................................................................................ 39 ANEXO I .......................................................................................................................................................... 40 SEMINÁRIOS DE MICROPROCESSADORES ......................................................................................... 40 3 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II AULA 1 PLANEJAMENTO DIDÁTICO PEDAGÓGICO DA DISCIPLINA MICROPROCESSADORES II SEGUNDO SEMESTRE 2004 ESCOLA DE ENGENHARIA - PROF. MESTRE IVAIR R. NEVES ABREU UNIDADE: Engenharia DISCIPLINA: Microprocessadores II PROFESSOR: Ivair R. Neves Abreu Departamento: Eletrônica ETAPA: 8 CÓDIGO CRÉDITOS CARGA HORÁRIA: 2 aulas SEMESTRE LETIVO: SEGUNDO OBJETIVOS: o aluno deverá adquirir os conceitos básicos de sistemas com microcontroladores e processadores digitais de sinal a nível de projeto físico e programação em linguagem de montagem (e máquina) para teste do sistema elaborado. Projetos básicos de sistemas práticos com microcontroladores e P.D.S. deverão ser projetados. EMENTA: Revisão de Conceitos de Microprocessadores (Arquitetura e Linguagem Assembler) e Microcontrolador (família 8051) Sistema de Interrupção Microcontrolador 8051 Estudo de Interfaces para Controle com Microcontroladores 8051 Projetos com microcontroladores 8051. Estudo dos microcontroladores TMS370, Z8, 6811 e PIC. Introdução ao estudo de Processadores Digitais de Sinais METODOLOGIA Aula expositiva com auxílio de recursos audivisuais (principalmente retroprojetor). O aluno deverá constantemente participar através de aplicação de exercícios e projetos. Uma apostila envolvendo todos os pontos abordados servirá de apoio didático durante as exposições. Trabalhos levarão o aluno a refletir sobre pontos avançados não abordados diretamente na sala de aula. CRITÉRIO DE AVALIAÇÃO 4 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II ((P1 X 0,7) + (LAB X 0,2) + (T1 X 0,1)) X 0,5 + (P2 X 0,5) onde: P1 = primeira prova semestral P2 = segunda prova semestral. T1 = seminário Microcontroladores Lab = laboratório Média > 7 -> aluno aprovado 5,5<média<6.9 -> aprovado se freqüência > 80% Se média < 5 -> aluno reprovado Calendário de Provas: P1 P2 T1 -> 05/10/2004 -> definido pela secretária -> a ser agendado CONTEÚDO PROGRAMÁTICO - Revisão de Conceitos de Microprocessadores (Arquitetura e Linguagem Assembler) e Microcontrolador (família 8051) - Estudo do Sistema de Interrupção do microcontrolador 8051. Aplicações. - Estudo do Sistema de Temporização do microcontrolador 8051. Aplicações. - Interface para teclados e displays com varredura. Aplicações. - Interface para display de cristal líquido. Aplicações. - Conversores A/D e D/A com microcontroladores - Projetos completos de sistemas de controle com microcontroladores 8051. - Estudo dos microcontroladores TMS370, Z8, 6811 e PIC (Seminários). - Introdução ao estudo de Processadores Digitais de Sinais. Diferenças básicas em relação aos processadores tradicionais. Estudo da Arquitetura do TMS320. Sistemas Mínimo com o TMS320. Estudo da rotina de filtro finito (FIR) e digitalização de sinais de áudio. BIBLIOGRAFIA - APLICAÇÕES PRÁTICAS DO MICRONTROLADOR 8051. Vidal Pereira da Silva Jr. - Érica THE 8051 FAMILY OF MICROCONTROLLERS. Richard H. Barnett. Prentice Hall. THE 8051 MICROCONTROLLER. I. Schott Mackenzie. Prentice Hall. Using the MCS-51 Microcontroller 8051. HANG, Han-Way, 2000. Ed. Oxford University 5 APOSTILA DE TEORIA - MACKENZIE MICROPROCESSADORES II C and the 8051. SCHULTZ, Thomas, 2001. Ed. Prentice Hall APOSTILA MICROPROCESSADORES II. Ivair Reis Neves Abreu Internet: www.microcontroller.com www.8052.com www.vidal.com.br www.questlink.com www.microchip.com www.ti.com www.zilog.com PLANEJAMENTO DAS AULAS: - Semanas úteis: 17 semanas – 2 avaliações - Semanas de aulas: 15 semanas 1 Semana: Apresentação da disciplina 2 Semana: Revisão de Sistemas com Microcontrolador 8051 3 Semana: Sistema de Interrupção do 8051 4 Semana: Sistema de Temporização do 8051 / Exercícios de Temporização 5 Semana: Sistema de Teclado Matricial. Projetos 6 Semana: Interfaces de display de 7 segmentos com o 8051. Projetos 7 Semana: Display de Cristal Líquido. Projetos 8 Semana: Sistema de Comunicação Serial / UART 8051 - Projetos 9 Semana: Estudo de Conversores A/D e D/A para microcontroladores 10 Semana: Projetos com conversores e microcontroladores 11 Semana: Introdução a Processamento Digital de Sinais – TMS320 12 Semana: Arquitetura e Conjunto de Instruções TMS320 6 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II AULA 2 1) - Revisão da Arquitetura do Microcontrolador 8051 1.1) - Família de Microcontroladores INTEL MCS-51: Os principais recursos destes microcontroladores são: - Memória de Programa de 4 kbytes: ROM (8051), EPROM (8751). Versão "romless" (8031). - 256 bytes de RAM (registradores) - 4 ports (latchs bidirecionais programáveis) com 8 bits. - 2 temporizadores ("timers") de 16 bits - 1 unidade serial assíncrona (UART) "full-duplex". - 5 interrupções (2 externas, 2 "timers" e 1 "UART"). - Oscilador interno para geração de temporização. - Acesso a até 64 Kbytes de RAM externa (dados) e 64 Kbytes de EPROM (programa) externa através do controle de 2 sinais de leitura (PSEN -> área de programa - RD -> área de dados). Esta estrutura é conhecida como 'arquitetura HARVARD'. - 256 instruções otimizadas para controle. 1.2) - Sistema Mínimo com o 8051: - 32 sinais de entrada/saída FIGURA 2 - Interface serial (RxD e TxD), interrupções externas (INT0 e INT1), "timer" duplo externo (T0 e T1). 7 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II FIGURA 3 1.3) - Códigos de operação do microcontrolador 8051: 1.3.1) - Instruções de transferência de informação: - MOV destino,fonte ;transfere (copiando) o dado da fonte para o destino - MOV A,Rn - MOV A,direto - MOV A,@Ri - MOV A,#dado - MOV Rn,A - MOV Rn,direto - MOV Rn,#dado - MOV direto,A - MOV direto,Rn - MOV direto,direto - MOV direto,@Ri - MOV direto,#dado - MOV @Ri,A - MOV @Ri,direto - MOV @Ri,#dado - MOV DPTR,#dado (16) ;carrega DPTR com dado de ;16 bits (pois a memória ;externa tem capac. de ;64k) - MOVC A,@A+DPTR ;leitura de tabela da ROM com endereço armazenado em A (offeset) + DPTR (início da tabela) - MOVC A,@A+PC ;idem com end. inicial em PC 8 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE - MOVX A,@Ri - MOVX - MOVX - MOVX A,@DPTR @Ri,A @DPTR,A - MICROPROCESSADORES II ;le dado de mem. ext. ;endereçado por Ri XCH A,Rn XCH A,direto XCH A,@Ri XCHD A,@Ri ;escreve dado no acum. na ;memória ext. ;troca dados do acum. com reg. ;troca apenas nibble inferior 1.3.2) - Instruções Aritméticas: - Instruções de Soma: - ADD A,Rn ;Acum + Rn = Acum. ADD A,direto ADD A,@Ri ADD A,#dado ADDC A,Rn ;Acum + Rn + Carry = Acum. ADDC A,direto ADDC A,@Ri ADDC A,#dado ADDC A,Rn INC A ;Acum+1 = Acum INC Rn INC direto INC @Ri INC DPTR - Instruções de Subtração: - SUBB A,Rn ;Acum - Rn = Acum. SUBB A,direto SUBB A,@Ri SUBB A,#dado DEC A ;Acum-1=Acum DEC Rn DEC direto DEC @Ri - Multiplicação: o resultado de 16 bits é armazenado no Acumulador (LSB) e no registrador B (MSB). - MUL A,B ;multiplica dado de A por B - Divisão: a parte inteira do resultado é armazenado no acumulador e o resto no registrador B. - DIV A,B ;divide A por B 9 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II - Ajuste decimal: soma o número 6 ao nibble superior a 9. Instrução para ajuste decimal. - DA A 1.3.3) - Instruções Lógicas: - Instruções AND: - ANL ANL ANL ANL A,Rn A,direto A,@Ri A,#dado ;A ^ Rn = A - Instruções OU: - ORL ORL ORL ORL A,Rn A,direto A,@Ri A,#dado ;A OU Rn = A - Instruções OU-EXCLUSIVO: - XRL XRL XRL XRL A,Rn A,direto A,@Ri A,#dado - Rotação: - RR - RRC A - RL - RLC A ;A OU-EXC Rn = A divisão/multiplicação binária A ;rotaciona todo os bits do ;acumulador 1 posição para a ;direita. O bit 1 é deslocado para ;o oitavo bit ;o primeiro bit o acumulador é ;rotacionado para o carry e o bit ;deste para o oitavo bit do ;acumulador A ;idem a RR mas invertendo a direção ;idem a RLC mas invertendo a dir. - Complementação: - CPL A - CLR A - SWAP ;complementa todos os bits do acum. ;zera acumulador A ;troca os nibbles do acumulador 1.3.4) - Instruções de Transferência de Controle: - SJMP end(8) ;carrega PC com endereço de 8 bits 10 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II - AJMP end(11);carrega PC com endereço de 11 bit - LJMP end(16);carrega PC com endereço de 16 bit - JMP @A+DPTR ;carrega PC com endereço (A+DPTR) - JNZ end(8) ;se Z=0, salta para endereço - JZ end(8) ;se Z=1, salta para endereço - ACALL end(11) ;salta para a subrotina de endereço indicado. PCH->(SP+1), PCL->(SP+2) e SP->SP+2 - LCALL end(16) ;idem com end. de 16 bits - RET ;resgata endereço da pilha, retornando ao ponto da chamada de subrotina. SP->PCL, SP-1->PCH e SP=SP-2 - RETI ;retorno de subrotinas de interrupção. - PUSH direto ;salva na pilha (SP+1) dado direto - POP direto ;resgata da pilha (SP-1) dado direto - CJNE CJNE CJNE CJNE DJNZ - DJNZ A,direto,end(8) A,#dado,end(8) Rn,#dado,end(8) @Ri,#dado,end(8) Rn,end(8) direto,end(8) ;se A direto, saltam ;se A #dado, saltam ;se Rn #dado, saltam ;se (Ri)#dado, saltam ;decrementa Rn. Se Rn0, ;retorna ao endereço ;idem utilizando dado ;direto como contador. 1.3.5) - Instruções Booleanas: - CLR C ;zera bit Cy CLR bit ;zera bit especificado SETB C ;seta bit Cy SETB bit ;seta bit especificado CPL C ;complementa Cy CPL bit ;complementa bit ANL C,bit ;operação "and" entre o Cy e o bit ANL C,/bit;operação "and" entre o Cy e o inverso ;do bit especificado - ORL C,bit ;operação "OU" entre o Cy e o bit - ORL C,/bit;operação "OU" entre o Cy e o inverso ;do bit especificado - MOV C,bit ;copia bit especificado para o Cy - MOV bit,C ;copia Cy para o bit - JNC end(8);salta para o endereço especificado se ;Cy é zero - JC end(8);salta para o endereço especificado se ;Cy é um - JB bit,end(8) ;salta para o endereço espec. ;se bit=1 - JNB bit,end(8) ;salta para o endereço espec. ;se bit=0 - JBC bit,end(8) ;salta e zera o bit se o mesmo ;estiver setado 11 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II AULA 3 1.4) - Exercícios 1) - Fazer um projeto de um sistema de controle de iluminação residencial com as seguintes características: - 8031 EPROM 2764 Comunicação serial RS232 1 sensor fotoelétrico 5 lâmpadas externas 1 chave para a sala 1 3 lâmpadas para a sala 1 1 chave para a sala 2 3 lâmpadas para a sala 2 - Fazer um programa para as lâmpadas externas serem controladas pelo sensor fotoelétrico e as lâmpadas das salas 1 e 2 serem controladas pelas chaves. 2) - Idem para o microtrolador 8051 e mais 4 salas com 3 lâmpadas cada. 12 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II 2) - Display LCD programável 2.1) - Introdução: Atualmente estão disponíveis no mercado uma grande variedade de displays de Cristal Líquido com circuitos de controle e processamento interno que visam facilitar o projeto de hardware e a rotina de programação destes tipos de dispositivos de saída. A figura a seguir mostra os principais controles destes tipos de displays: Figura 4 -Arquitetura básica dos displays L.C.D. Descrição dos sinais: - D0-D7: barramento de dados com dupla função: envio dos comandos de programação do display (posicionamento do cursor, endereço do caracter a ser utilizado, etc.) e dos dados a serem escritos no display. _ - C/D: em nível baixo, indica que o barramento de dados D0-D7 carrega a informação de controle (configuração geral do display). Em nível alto, informação de dados (informação a ser mostrado no display). Sinal normalmente ligado ao endereço A0 (endereço ímpar -> dado; endereço par -> controle) - E: sinal que em nível alto habilita o display. Nos modelos com 4 linhas, utilizamos um sinal E1 para a habilitação das 2 primeiras linhas e um sinal E2 para a habilitação das 2 últimas linhas. _ - R/W: sinal de entrada indicando em nível baixo processo de escrita (barramento de dados como entrada) e em nível alto processo de leitura (barramento de dados como saída). - Vo: entrada de tensão para controle de luminosidade do display - Vss/GND: entrada de alimentação única de +5 Vcc. Comercialmente, citamos abaixo alguns dos modelos disponíveis: - Display 8 caracteres x 1 linha, caracter com 7 pontos verticais e 5 pontos horizontais 13 APOSTILA DE TEORIA - Display Display Display Display Display Display Display Display 16x1, 16x1, 16x2, 20x2, 20x4, 40x1, 40x2, 40x4, MACKENZIE caracter caracter caracter caracter caracter caracter caracter caracter MICROPROCESSADORES II 8x5 11x5 8x5 8x5 8x5 8x5 8x5 8x5 2.2) - Sistema mínimo com o display L.C.D. : Figura 5 - Sistema mínimo com o display L.C.D com endereçamento de memória Figura 6 - Sistema Mínimo com o display L.C.D. utilizando Ports Com o sinal C/D colocado em nível baixo temos a configuração básica do display. Os principais comandos são listados abaixo: - Configura display para 1 linha (8 bits) -> 30H 14 APOSTILA DE TEORIA - MACKENZIE MICROPROCESSADORES II 2 linhas (8 bits) -> 38H Display ativado com cursor fixo -> 0EH Display ativado com cursor intermitente -> 0CH Cursor apagado -> 08H Mensagem com deslocamento à esquerda -> 07H Mensagem com deslocamento à direita -> 05H Cursor com deslocamento à esquerda -> 04H Cursor com deslocamento à direita -> 06H Limpa display e retorna o cursor -> 01H Desloca somente cursor à esquerda -> 10H Desloca somente cursor à direita -> 14H Exemplo: 1) - Inicializar display com 2 linhas, ligado com cursor intermitente, deslocamento à esquerda e limpando o display. ;* PRIMEIRA MANEIRA DE IMPLEMENTAR UMA INICIALIZAÇÃO MOV MOV MOVX CALL MOV MOVX CALL MOV MOVX CALL MOV DPTR,#00 A,#38H @DPTR,A TEMPO15 A,#0CH @DPTR,A TEMPO15 A,#05H @DPTR,A TEMPO15 A,#01H ;COLOCA END.A0 (C/D) = 0 -> CONTR. ;2 LINHAS ;ESPERA 15 MSEG. ;DISPLAY INTERMITENTE ;DESLOCAMENTO A DIREITA ;* SEGUNDA MANEIRA DE IMPLEMENTAR UMA INICIALIZAÇÃO MOV R0,#00 ;CARREGA CONTROLE MOV R3,#00 ;INICIALIZA PONDEIRO MOV DPTR,#TAB_INI ;CARREGA INDEXADOR VOLTA_IN: MOV A,R3 MOVC A,@A+DPTR INC R3 ;INCREMENTA PONTEIRO CJNE A,#0FFH,SALTO ;SE NAO CHEGOU NO FINAL SALTA JMP FIM_INI ;ENVIA DADO PARA INICIALIZACAO SALTO: MOVX @R0,A ;ENVIA DADO PARA O DISPLAY CALL TEMPO15 JMP VOLTA_IN ;PROXIMO DADO DA TABELA . . . TAB_INI: DB 38H,0CH,05H,01H,0FFH ; DADOS PARA INICIALIZAÇAO END 2) - Idem para 1 linha, sem cursor, deslocamento à direita e limpando o display. 15 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II Para o posicionamento do cursor/mensagem dentro do display basta fornecermos como comando o endereçamento da tabela de endereçamento do display fornecida abaixo: 1P 2P 3P ...... 39P 40P 1 L -> 80H 81H 82H 2 L -> C0H C1H C2H A6H A7H E6H E7H Exemplo: 1) - Posicionar o cursor na primeira posição do display. mov mov movx r0,#00 a,#80h @r0,a ;controle ;posiciona cursor 2) - Posicionar o cursor no meio da primeira linha do display de 20 caracteres. AULA 4 2.4) - Escrita de dados no display: Para a escrita de dados no display, colocamos o comando C/D em nível ALTO (endereço impar). O display necessita ser inicializado e o cursor posicionado na posição do primeiro caracter. Uma vez posicionado este caracter, automaticamente o display incrementa a posição do cursor, não necessitando de reprogramações constantes do posicionamento do display. Exemplo: 1) - Escrever a letra ‘CASA’ no meio da primeira linha de um display 16 x 2. mov mov movx call mov mov movx call mov movx call mov movx call mov movx call r0,#00 a,#85h @r0,a tempo15 ro,#01 a,#’c’ @ro,a tempo15 a,#’a’ @ro,a tempo15 a,#’s’ @ro,a tempo15 a,#’a’ @ro,a tempo15 ;controle ;posiciona no meio do display ;dado ;escreve ‘c’ em ascii ;escreve ‘a’ em ascii ;escreve ‘s’ em ascii ;escreve ‘a’ em ascii 16 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II ret 2) - Idem para a segunda linha 2.5) - Exercícios: 1) - Escrever a palavra ‘ENGENHARIA MACKENZIE’ no centro da primeira linha de um display 2 x 16. 2) - Escrever seu nome completo (abreviado se necessário) centralizado na primeira linha e seu código de matrícula centralizado na segunda linha. 3) - Fazer um projeto de um sistema com o 8031 com um display de 32 caracteres, RAM de 8Kbytes 6264 (endereço 2000h - 3fffh) e EPROM de 8kbytes 2764. Utilizar o endereço 0001H para acesso os registros de dado do display e o endereço 0000H para controle. Fazer uma rotina para escrever na primeira linha a palavra 'ENGENHARIA' e na segunda a palavra 'MACKENZIE'. 4) – Piscar com intervalo de 1 segundo as mensagens: NOME CODIGO TURMA SALA 17 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II AULA 5 3) - Sistema de Temporização e Interrupção do 8051 3.1) - Sistema de Interrupção: O microcontrolador 8051 possui 5 interrupções, com a prioridade mais alta podendo ser programada pelo registrador IP. O nível de prioridade 'default' e os vetores de interrupção são apresentados abaixo: IE0 TF0 IE1 TF1 SRT (interrupção externa 0) (interrupção do timer 0) (interrupção externa 1) (interrupção do timer 1) (interface serial) -> -> -> -> -> 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H - Registrador de habilitação do sistema de interrupção: _________________________________________ IE: | EA | x | x | ES | ET1 | EX1 | ET0 | EX0 | EA: em nível baixo, desabilita todas as interruções ES: em nível baixo, desabilita interrupção serial ET1: em nível baixo, desabilita interrupção do timer 1 EX1: em nível baixo, desabilita interrupção externa 1 ET0: em nível baixo, desabilita interrupção do timer 0 EX0: em nível baixo, desabilita interrupção externa 0 - Registrador do nível de prioridade: ________________________________________ IP: | x | x | x | PS | PT1 | PX1 | PT0 | PX0 | PS: em PT1:em PX1:em PT0:em PX0:em nível nível nível nível nível alto, alto, alto, alto, alto, interrupção interrupção interrupção interrupção interrupção serial timer 1 externa timer 0 externa prioridade prioridade 1 prioridade prioridade 0 prioridade Ex.: 1) - Habilitar as interrupções TIMER0, EXT1 e SERIAL. máxima para a unidade SERIAL. Prioridade 2) - Desabilitar apenas a unidade SERIAL. 3.2) - Exercícios 1) - Supondo que a entrada da primeira interrupção externa (‘IE0’) seje utilizada para contagem de eventos de 16 bits, fazer um programa para que as posições de memória 30H e 31H sejam incrementadas a cada evento. 2) - Idem para a interrupção externa 1, sendo o contador implementado a partir das posições de memória 40H e 41H. 18 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II 3) - Supondo que um teclado externo interrompa o microcontrolador 8031 utilizando a interrupção externa 1, colocar o conteudo da tecla acionada (armazenada na memória externa do teclado com endereço 0 - utilizar a instrução MOVX) no endereço 50H da memória interna. 4) - Idem para um conversor A/D utilizando a interrupção IE1 e endereço de acesso 20H.. 5) - Utilizando a entrada ‘IE0’, fazer uma rotina para o registrador R0 indicar o número de vêzes que um feixe luminoso é interrompido. AULA 6 3.3) - Aplicação de interrupção externa -> Sistema de Leitura direta de teclas. A chave é lida de forma direta pelo microcontrolador. Apesar da grande simplicidade de programa para a leitura das chaves, apresenta como desvantagem a ocupação ao nível de hardware de grande número de ports. Ex.: Leitura de 16 chaves -> Port 1 e 2 (16 ports). Fazer um programa para ler cada chave é colocar sua condição nos bits 20.0H a 21.7H. Figura 7 - Varredura direta de 16 teclas Pode-se observar que o acionamento de qualquer tecla provoca uma interrupção INT0. Portanto, o programa de tratamento das teclas deve-se localizar no endereço da interrupção externa 0 (03H): ;* PROGRAMA DE LEITURA DE 16 TECLAS DOS PORTS P1 E P2 INICIO: ORG JMP 0 INICIO ORG JMP 3 LETEC ;SALTA PARA A LEITURA DAS TECLAS ORG MOV MOV 30H ;INICIO NORMAL DO PROGRAMA SP,#PILHA IE,#10000001B 19 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II . . . ;* ROTINA DE TRATAMENTO DO TECLADO LETEC: PUSH PSW MOV C,P1.0 ;LE TECLA 0 MOV 20.0,C ;COLOCA TECLA 0 NA AREA BOOLEANA MOV C,P1.1 MOV 20.1,C . . . MOV C,P2.7 ;LE ÚLTIMA TECLA MOV 21.7,C POP PSW RETI 3.4) - Exercício 1) - Fazer um programa para ler 8 teclas localizadas no PORT P1 e armazenar o resultado nos bits 23.0 a 23.7. Se a quarta chave estiver em 1, ligar um ventilador localizado no Port P2.0. Prever debouced de 10 mseg. Utilizar INT1 para interrupção. 3.5) - Sistema de temporização: O microcontrolador da família 8051 possui 2 timers de 16 bits. Seu número programado é incrementado por pulsos externos (dos pinos Tin1 e Tin2) ou pelo clock interno de 1/12 fcristal. Quando o número do timer chega a zero, a interrupção respectiva (TF0 - end. 000bH ou TF1 - end. 001bH) é acionada. Registradores do sistema de temporização: - Registrador TH0 e TL0: registradores de 8 bits do timer 0 localizado na área de registradores especiais (SFR) que somados formam o contador de 16 bits. - Registrador TH1 e TL1: registradores de 8 bits do timer 1 localizado na área de registradores especiais (SFR) que somados formam o contador de 16 bits. - Registrador de modo: ---------------------- ---------------------TMOD: | GATE | C/T | M1 | M0 | GATE | C/T | M1 | M0 | ---------------------- ---------------------TIMER 1 TIMER 0 GATE: utilizado quando se deseja um controle do timer externo através do pino externo INT0 ou INT1 (dependendo do timer utilizado). 20 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II Quando este bit está em 1 e o pino INT externo está setado, o bit TR1 do registrador TCON controla o funcionamento do timer. C/T: em nível alto, coloca o timer como contador dos pulsos da entrada Tin1 (externa). Em nível baixo, o timer é acionada pelo sinal de frequência 1/12 do oscilador interno. M1 M0 : controla modo de operação do timer 0 0 0 1 1 0 1 1 -> possuiu um divisor de 5 bits e um contador de 8 bits -> sem divisor, possuiu contador de 16 bits -> contador de 8 bits (TH). O byte TH é recarregado a cada ciclo em TL -> para timer. - Registrador de controle ______________________________________________ -----------------------------------------------------TCON: | TF1 | TR1 | TF0 | TR0 | IE1 | IT1 | IE0 | IT0| ----------------------- ------------------------------TF0: bit de status. Em nível alto indica overflow do timer 0. TR0: em nível alto habilita o funcionamento do timer 0. ser setado para o timer operar. IE0: bit de status. Em nível alto indica que houve pulso na entrada do pino Tin0. IT0: em nível alto indica pulso positivo na entrada do pino Tin0. Em nível baixo indico pulso negativo. Precisa Ex.: Configurar o timer 0 para temporização de 16 bits e timer 1 para temporizador de 8 bits com carregamento automático. Colocar o número 0AB5H no timer 0 e 20H no timer 1. 3.3) - Exercícios 1) - Qual o tempo máximo possível de ser implementado pelos timer 0 e 1 se utilizarmos um cristal de 12 Mhz para o cristal externo. 2) - Idem ao exercício anterior utilizando um cristal de 1 Mhz externo. 3) - Se utilizarmos o timer 0 controlado pela entrada externa 0 (pino T0), qual o tempo máximo de temporização se recebermos um sinal externo quadrado de 1 Khz? AULA 7 21 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II 4) - Fazer uma rotina para a cada 100 mseg (supor que o cristal do microcontrolar é de 6 Mhz) a posição da chave localizada no port P1.0 seja colocada na posição de memória booleana 20.0H. Se a chave estiver em nível alto, ligar um motor localizado no port P1.1. Caso contrário, desligar o mesmo motor. Utilizar o timer 0 para implementar a temporização. 5) - Fazer uma rotina para a cada 10 mseg (supor que o cristal do microcontrolador é de 12 Mhz) as posições de 4 chaves localizadas nos ports P1.0, P1.1, P1.2 e P1.3 sejam colocadas nas posições booleanas 20.0H, 20.1H, 20.2H e 20.3H e controlem 4 motores localizados nos ports P1.4, P1.5, P1.6 e P1.7. Utilizar o timer 1 para implementar a temporização. 6) - Fazer com que as posições 30 H e 31 H sejam incrementadas a cada 1 mseg. Usar o timer 1 para implementar a temporização. Utilizar cristal de 12 Mhz. 7) - Utilizando o timer 0 programado para 10 mseg. fazer com que a posição 40 H e 41 H sejam incrementadas a cada 10 mseg. Utilizar cristal de 1 Mhz. 8) - Fazer um programa para o port P1.0 gerar um pulso de 0,5 segundo quando 10 garrafas passarem por um feixe luminoso. Utilizar o timer 0 configurado como contador. 9) - Colocar a mensagem abaixo no display. A cada 20 mseg. ler o sensor P1.0. Ligar uma lâmpada (P1.1) se o sensor estiver em nível baixo e desligar a lâmpada se o sensor estiver em nível alto. 22 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II 4) - Sistema de varredura de Teclado/Display. As teclas estão localizadas na intersecção de linhas (ports de saída) e colunas (ports de entrada). Ao acionar uma determinada tecla, o sinal da linha é colocado na coluna para ser lida. Um sistema de varredura (com freqüência superior da freqüência de toque das teclas) garante um sinal em nível alto (ou baixo) durante um pequeno período suficiente para ser reconhecido pelo port de entrada em caso de acionamento de alguma tecla. Figura 8 - Teclado de 16 teclas com varredura matricial O programa abaixo faz a leitura de 16 chaves utilizando o PORT 2. Utilizar os 4 bits P2.0 a P2.3 para gerar os sinais de varredura. Fazer um programa para ler cada chave é colocar sua condição nos bits 20.0H a 21.7H. Ler o teclado a cada 10 mseg. utilizando o timer 0. ;* timer 0 -> 0d8efH (calculado no exercício 5 - item 2.3) ;* definição dos ports COLUNA1 COLUNA2 COLUNA3 COLUNA4 LINHA1 LINHA2 LINHA3 LINHA4 BIT BIT BIT BIT BIT BIT BIT BIT P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 ;* definição da área boolena CHAVE1 CHAVE2 CHAVE3 CHAVE4 CHAVE5 CHAVE6 CHAVE7 CHAVE8 CHAVE9 EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ;*POSIÇÃO 20.0 23 APOSTILA DE TEORIA CHAVE10 CHAVE11 CHAVE12 CHAVE13 CHAVE14 CHAVE15 CHAVE16 ;* INICIO DO PROGRAMA INICIO: MACKENZIE EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU 9 0aH 0bH 0cH 0dH 0eH 0fH MICROPROCESSADORES II ;POSIÇÃO 21.7 ORG JMP 0 INICIO ORG JMP 0BH LECHAVE ORG MOV MOV MOV MOV MOV SETB CLR 30H SP,#60H IE,#10000010B TH0,#0D8H TL0,#0EFH TMOD,#00010001B TR0 TR1 ;TIMER 0 ;HABILITA TIMER 0 ;LIGA TIMER0 ;DESLIGA TIMER1 . . . ;*SUBROTINA DA INTERRUPÇÃO LECHAVE: MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0EFH MOV 20H,#00H MOV 21H,#00H SETB LINHA1 SETB LINHA2 SETB LINHA3 SETB LINHA4 ;* INICIA VARREDURA DA LINHA1 CLR LINHA1 JB COLUNA1,SALTO1 SETB JB CHAVE1 COLUNA2,SALTO2 SETB JB SETB JB SETB SETB CLR JB CHAVE2 COLUNA3,SALTO3 CHAVE3 COLUNA4,SALTO4 CHAVE4 LINHA1 LINHA2 COLUNA1,SALTO5 SALTO5: SETB JB CHAVE5 COLUNA2,SALTO6 SALTO6: SETB JB CHAVE6 COLUNA3,SALTO7 SALTO1: SALTO2: SALTO3: SALTO4: ;ZERA ÁREA BOOLENA ;SETA LINHA1 ;ZERA LINHA 1 ;SE A TECHA1 NAO ESTIVER ;ACIONADA, SALTA ;INDICA CHAVE1 ACIONADA ;SE A TECLA2 NAO ESTIVER ;ACIONADA, SALTA ;INDICA CHAVE2 ACIONADA ;LIBERA LINHA 1 ;ZERA LINHA 2 ;SE A TECHA5 NAO ESTIVER ;ACIONADA, SALTA ;INDICA CHAVE5 ACIONADA ;SE A TECLA6 NAO ESTIVER ;ACIONADA, SALTA ;INDICA CHAVE6 ACIONADA 24 APOSTILA DE TEORIA SALTO7: SALTO8: SALTO9: SALTO10: SALTO11: SALTO12: SALTO13: SALTO14: SALTO15: SALTO16: MACKENZIE SETB JB SETB CHAVE7 COLUNA4,SALTO8 CHAVE8 SETB CLR JB LINHA2 LINHA3 COLUNA1,SALTO9 MICROPROCESSADORES II ;LIBERA LINHA 2 ;ZERA LINHA 3 ;SE A TECHA9 NAO ESTIVER ;ACIONADA, SALTA CHAVE9 ;INDICA CHAVE9 ACIONADA COLUNA2,SALTO10;SE A TECLA10 NAO ESTIVER ;ACIONADA, SALTA CHAVE10 ;INDICA CHAVE10 ACIONADA COLUNA3,SALTO11 CHAVE11 COLUNA4,SALTO12 CHAVE12 SETB JB SETB JB SETB JB SETB SETB CLR JB SETB JB SETB JB SETB JB SETB SETB RETI LINHA3 ;LIBERA LINHA 3 LINHA4 ;ZERA LINHA 4 COLUNA1,SALTO13;SE A TECHA13 NAO ESTIVER ;ACIONADA, SALTA CHAVE13 ;INDICA CHAVE13 ACIONADA COLUNA2,SALTO14;SE A TECLA14 NAO ESTIVER ;ACIONADA, SALTA CHAVE14 ;INDICA CHAVE10 ACIONADA COLUNA3,SALTO15 CHAVE15 COLUNA4,SALTO16 CHAVE16 LINHA4 ;LIBERA LINHA 4 ;RETORNA DA INTERRUPCAO AULA 8 4.1) - Exercícios 1) - Fazer um projeto para leitura de dip-switch de 8 chaves utilizando o sistema de varredura estudado. Colocar a condição das 8 chaves na área booleana do sistema. Se a chave 1 estiver na condição zero, colocar o dado 0ffH no port 1. Caso contrário, zerar o mesmo port. Utilizar o timer0 configurado para 10 mseg. para ler o dip-switch. 2) - Fazer um projeto para o controle de um teclado de 64 teclas. Colocar sua condição na área booleana. Utilizar uma rotina de interrupção controlada pelo timer 1 com temporização de 10 mseg para a temporização da leitura das teclas. 3) - Projeto de um teclado telefônico 25 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II 5) - Sistema de Comunicação Serial 5.1) - Introdução e conceitos básicos: A comunicação serial proporciona a comunicação entre 2 pontos ou uma rede de pontos através de um número reduzido de vias (2 vias no caso da comunicação full-duplex ou 1 via no caso da comunicação half-duplex, rede de fibras óticas, cabo coaxial utilizado em redes padrão ETHERNET). A comunicação serial proporciona maior economia a infraestrutura de transferência de dados (menor número de vias nos cabos, menor número de canais nos repetidores de linha, etc.), maior imunidade a ruídos, maior alcance. Apresenta como desvantagem básica a menor velocidade de processamento (variando de 300 b.p.s - baunds até redes de alta velocidade de 100 Mbits/seg) em se comparando com a velocidade de transferência paralela interna dos computadores (através dos barramentos internos). Para baixas velocidades, podemos subdividir a comunicação serial em comunicação assíncrona e síncrona: 5.1.1) - Comunicação Assíncrona: A comunicação assíncrona envia dados de início (start bit) e fim de transmissão (stop bit). Bits de paridade são opcionais. Apesar da simplicidade e alta utilização é utilizada apenas em sistemas de baixa velocidade, devido a perda de rendimento introduzido pelos sinais START BIT, STOP BIT e PARIDADE. Figura 11 - Estrutura básica da comunicação assíncrona Os dispositivos seriais programáveis presentes dentro de chips dedicados ou microcontroladores recebem o nome de UART (UNIDADE ASSÍNCRONA DE RECEPÇÃO TRANSMISSÃO) 5.1.2) - Comunicação Síncrona: Na comunicação síncrona a transmissão de um bloco de caracter com adição de controles apenas no início e final do bloco. O número de blocos transmitidos varia bastante. Um caracter de CHECK-SUM garante a 26 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II integridade da comunicação. Um protocolo padrão garante a qualidade e integridade da comunicação (através de comandos como NACK e ACK) Figura 12 - Estrutura básica de comunicação síncrona. Os dispositivos seriais programáveis assíncronos/síncronos presentes dentro de chips dedicados ou microcontroladores recebem o nome de USART (UNIDADE SÍNCRONA / ASSÍNCRONA DE RECEPÇÃO TRANSMISSÃO) 5.1.3) - Interface padrão RS-232: Segue orientação V.24 da CCITT. Aumenta a imunidade a ruído incrementando os níveis de tensão dos bits 0 e 1 transmitidos. Sinal RS232 - Alta imunidade a ruído Figura 13 - Sinais padrão TTL e RS-232 A implementação mais comum é realizada através de line-drivers integrados (como os chips 1488 - TTL/RS232 e 1489 - RS323/TTL). 5.1.4) - Sinais típicos de uma interface padrão serial: Os sinais mais comuns encontrados em comunicação serial assíncrona é mostrado abaixo. Uma aplicação típica desta configuração é 27 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II implementada na comunicação computador/MODEM (interface utilizada para modulação/demodulação para comunicação na rede telefônica). - TXD: transmissão de dados. - RXD: recepção de dados. - RTS (request to send): sinal de saída de propósito geral. Normalmente ativo em 0, tem como principais aplicações validar dados trasmitidos (como um sinal STROBE) ou determinar se o sinal é de transmissão ou recepção nas comunicações full-duplex. - CTS (clear to send): sinal de entrada como resposta ao sinal RTS, indicando entendimento do sinal RTS. Em muitos sistemas, este sinal necessita estar em 0 para funcionamento do sistema. - DTR (data terminal ready): sinal de saída de propósito geral. - DSR (data set ready): sinal de entrada de propósito geral. - CD (carrier detect): sinal de entrada indicando que a portadora foi detectada pelo modem. Muitos dos sinais de propósito acima tem suas funções ligadas ao protocolo. AULA 9 5.2) - Comunicação serial no 8051: O port serial do microcontrolador 8051 é full-duplex, ou seja, pode-se transmitir e receber uma comunicação simultaneamente. Como existe um buffer de recepção (SBUF) é possível esperar-se a leitura deste buffer sem a perda do próximo dado de recepção. Este mesmo buffer SBUF é utilizado para a transmissão de dados. O port serial opera de 4 modos: - Modo 0: comunicação serial de 8 bits (sem START e STOP BIT). Bit LSB é o primeiro. Baud-rate fixo em 1/12 da frequência do cristal. - Modo 1: comunicação serial de 10 bits (com START e STOP BIT). Na recepção, o STOP BIT vai para o RB8 do registrador SCON se SM2=0. Baudrate programável de acordo com carga do timer 1. - Modo 2: comunicação serial de 11 bits (com START, STOP BIT e PARIDADE). O bit de paridade é programável através do bit TB8 de SCON. Na recepção, o bit de paridade é guardado em RB8 de SCON. O baud rate é programável pelo bit SMOD do registrador PCON. Com SMOD=0, baud rate é 1/64 da freqüência do cristal. Com SMOD=1, baud-rate é 1/32 da freqüência do cristal. - Modo 3:idem ao modo 2,mas com baud-rate programável pelo timer 1. A comunicação serial do 8051 trabalha basicamente com 3 registradores: - Registrador PCON: registrador com o bit SMOD e bits para gerenciamento de energia nas versões CMOS PCON: SMOD - - - GF1 GF2 PD IDL 28 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II SMOD: nos modos 1,2 e 3 de operação do SBUF, SMOD=1 dobra a taxa de transmissão binária. GF1 e GF2: bits genéricos. PD e IDLE: gerenciam modos de economia de energia. PD suspende por completo as operações do processador (voltando apenas com o reset) e o modo IDLE deixa ativados apenas os periféricos internos (timer, uart, interrupções, etc.) representando uma economia de energia de 85%. Sai do modo IDLE através de interrupções ou reset. Ex.: 1) - Colocar o processador em modo IDLE. MOV PCON,#00000001B 2) - Colocar o processador em modo POWER DOWN - Registrador SBUF: e recepção. - SCON: registrador armazenador do dado de transmissão registrador de controle serial: SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SM0 - SM1: 0 0 0 1 1 0 1 1 modo modo modo modo modo de operação 0 1 2 3 SM2: no modo 1, se SM2=1, RI não será ativado se não for recebido o STOP BIT. Se SM2=0, RI será sempre ativado e RB8 recebe o STOP BIT. No modo 2/3, se SM2=1, RI não será ativado se o bit de paridade for 0. Se SM2=0, RI é sempre ativado, independente do bit de paridade. No modo 0, SM2=0 sempre. REN: TB8: em nível alto habilita recepção. armazena programação dos bits de paridade dos modos 2 e 3. RB8: nos modos 2/3, armazena o bit de paridade recebido. No modo 1, se SM2=0, RB8 armazena o STOP BIT sendo utilizado por rotinas de correção de erro. No modo 0, RB8 não é utilizado. TI: bit indicador de dado transmitido. Necessita ser limpo por software. RI: bit indicador de dado recebido. Necessita ser limpo por software. Nos modos 1 e 3, há a necessidade de utilizar-se o timer 1 para a geração do baud-rate. O timer 1 deve ser programado para o modo de autocarregamento, visto no estudo dos timers. O valor de carga em função do cristal é fornecido no manual (onde temos a fórmula de cálculo para outros cristais) e reproduzida abaixo: 29 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II smod Taxa = 2 x (freq. cristal) ----------------32 12 x (256 - TH1) Para o cristal de 11.059 Mhz e 6 Mhz temos os valores tabelados abaixo considerando SMOD=0: Baud-rate fcristal Carga do timer 9,6 4,8 2,4 1,2 110 11.059 11.059 11.059 11.059 6 Mhz FD FD F4 E8 72 k k k k Mhz Mhz Mhz Mhz h ( SMOD = 1) h ( SMOD = 0) h “ h “ h “ Colocando SMOD = 1 dobramos a taxa de transmissão. Ex.: 1) - Programar o registrador SCON e o TIMER 1 para 8 bits de dado, sem paridade, habilitacao de RX e baud-rate de 9600 baunds. Supor a utilização de cristal de 11.059 Mhz MOV MOV MOV MOV MOV MOV TH1,# 0FD h ;carrega cristal 1 com reload TMOD,# 0010XXXXb ; programa timer 1 c/ reload TCON,# 010X0000b ;roda timer 1 IE,# 10011XXXb ;habilita inter. serial e t1 PCON,#10000000B ;SMOD = 1 SCON, # 01010000b ;modo 1 e rx habilitado 2) - Idem para 8 bits, com paridade, habilitação RX e baud-rate de 2400 baunds. 3) - Fazer uma rotina de interrupção serial para colocar o dado recebido no endereço indicado pôr R0. Utilizar a rotina de inicialização do exemplo 1. ORG 0 JMP INICIO ... ORG 23H JMP SERIAL ... ORG 30H INICIO: MOV TH1,# 0FD h ;carrega cristal 1 com reload MOV TMOD,# 0010XXXXb ; programa timer 1 c/ reload MOV TCON, # 010X0000b ;roda timer 1 MOV IE,# 10011XXXb ;habilita inter. serial e t1 MOV SCON, # 01010000b ;modo 1 e rx habilitado ... SERIAL: PUSH ACC MOV A,SBUF MOV @R0,A CLR RI POP ACC RETI 4) - Idem esperando o dado através do bit RI 30 APOSTILA DE TEORIA WAITRX: ... JNB MOV MOV CLR ... MACKENZIE MICROPROCESSADORES II RI,WAITRX A,SBUF @R0,A RI 5) - Transmitir o dado presente na posição de memória indicada por R0. Utilizar a inicialização do exemplo 1 TXBUF: ... ORG MOV MOV MOV MOV MOV ... MOV MOV JNB CLR ... 30 h TH1,# 0FD h ;carrega cristal 1 com reload TMOD,# 0010XXXXb ; programa timer 1 c/ reload TCON, # 010X0000b ;roda timer 1 IE,# 10011XXXb ;habilita inter. serial e t1 SCON, # 01010000b ;modo 1 e rx habilitado A,@R0 SBUF,A TI,$ TI ;CARREGA DADO A SER TX ;ESPERA TRANSMITIR 6) - Idem tranmitindo a palavra MACK em ASCII. TX: TX1: MOV CALL MOV CALL MOV CALL MOV CALL ... MOV JNB CLR RET A,’M’ TX1 A,’A’ TX1 A,’C’ TX1 A,’K’ TX1 SBUF,A TI,$ TI 7) - Fazer uma rotina para transmitir uma string de uma tabela terminando com 0ffh. 31 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II AULA 10 6) – Conversores Analógico/Digitais e Digitais Analógicos 6.1) - Introdução: Sinal Analógico (não discreto) -> Sinal Digital (discreto) Fatores para conversão: - Número de bits de conversão: determina o número de valores discretos da conversão -> 2n - Valor de Referência: determina o valor máximo de conversão (fundo escala do valor analógico deve ser ajustado para este valor) - Freqüência de Amostragem: determina o período entre duas amostras. Pelo Teorema de Nyquest, a freqüência de amostragem é no mínimo 2 vezes a freqüência máxima do sinal. fa = 2 x fmax - Resolução: determina o valor analógico máximo em relação ao fundo escala V = Vmax / 2n Ex: Para um valor Vmax = 5V, n=12 bits, qual a resolução do sinal? V = Vmax / 2n V= 5 / 4096 = 1,22 mV Exemplos: 1) - Termômetro : 0 - 100 C Vref = 2,5 V n = 8 bits Qual a resolução em temperatura, considerando que 100 C é equivalente a 2,5 V? Se aumentar o número de bits para 10 bits, qual a nova resolução? Se aumentar a Vref = 5 V e 10 bits, qual a nova resolução? 2) - Qual a freqüência de amostragem no canal de telefonia? 3) - Qual a freqüência de amostragem para um fidelidade de som considerando a quarta harmônica? 32 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II 6.2) – Conversor A/D ADC 0808 download -> http://www.national.com/ads-cgi/viewer.pl/ds/AD/ADC0808.pdf Sistema Mínimo 8031 / ADC0808 (endereço 2000H - 3FFFH) 33 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II AULA 11 6.3) - Exercícios 1) - Projetar um circuito com as seguintes características: - 8031 - Eprom 2764 - LCD (end. 0-1fffh) - Serial RS232 - Conversor ADC0808 (end. 2000h-3fffh) com 8 sensores de temperatura. - 1 ventilador (port p1.1) - 1 aquecedor (port p1.2) - Firmware ligando o ventilador se o terceiro sensor indicar o valor maior que 80h e ligar o aquecedor se o valor for menor que 30h. 2) -Idem para a leitura dos outros 7 sensores. 34 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II AULA 12 7) - Processamento Digital de Sinal 7.1) INTRODUÇÃO AO PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS Supressores de eco, eliminadores de interferências, detecção de incêndios florestais, análise de imagens de satélites metereológicos, estudo de dados sísmicos, acompanhamento de testes nucleares ou simplesmente análise de parâmetros vocais para identificação ou reconhecimento de voz. Estas são algumas aplicações possíveis do Processamento Digital de Sinais (DSP). DSP diz respeito a representação de sinais através de uma seqüência numérica/simbólica e o seu posterior processamento para estimar parâmetros do sinal original e/ou modificá-lo. Este processamento é normalmente realizado com o auxílio de algoritmos matemáticos, o qual o mais comum é a soma de produtos, representada pela fórmula: n (1.1) Vout = ai.bi i onde ai e bi representam coeficientes numéricos de uma seqüência qualquer de dados obtida de uma determinada entrada amostrada e Vout é a saída processada. Apesar de ser uma ferramenta que ficou mais conhecida recentemente com o aperfeiçoamento da integração em alta escala dos circuitos integrados e o aperfeiçoamento de algoritmos numéricos, o DSP teve suas origens nos séculos XVII e XVIII com o desenvolvimento de análises numéricas tais como interpolação, integração e diferenciação. Podemos dizer que até recentemente o processamento de sinais elétricos era basicamente analógico, com algumas honrosas exceções, datadas da década de 50, onde dados geofísicos eram gravados em fitas magnéticas para um posterior processamento em computadores digitais cujo tamanho em nada lembram os modernos "laptops" ou "notebooks" presentes em nossa vida cotidiana. Durante este período, os computadores digitais foram mais uma alternativa para a simulação e aperfeiçoamento de sistemas analógicos, com a conversão analógico/digital, processamento e conversão digital/analógica final. Este processo foi muito comum na implementação dos primeiros codificadores de voz (VOCODERS) pelos Laboratórios Bell e Lincon (M.I.T.), onde as simulações computacionais foram fundamentais no ajuste dos filtros necessários para sua execução. Apesar desta predominância dos sistemas analógicos, o processamento digital lentamente começou a diferenciar-se, principalmente com o aumento da complexidade dos algoritmos. Rotinas para filtros homomórficos ou a análise cepstral foram desenvolvidos apesar de não serem praticáveis pela ainda incipiente tecnologia dos semicondutores. Estes novos algoritmos se mostravam bastantes úteis nos sistemas de remoção de eco ou de compressão de voz. A grande dificuldade na implementação das técnicas citadas na época era o cálculo da Transformada de Fourier, praticamente impossível com os computadores analógicos. Este problema foi minimizado em meados da década de 60, com o desenvolvimento de uma classe de algoritmos conhecida como Transformada Rápida de Fourier (FFT). A grande vantagem destas rotinas era a redução do tempo de processamento, fator fundamental para os sistemas computacionais lentos e caros da época. 35 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II Outro fator introduzido pela FFT foi sua concepção de tempo discreto, ao contrário dos sistemas de tempo contínuo vigentes, auxiliando em muito o desenvolvimento dos algoritmos puramente digitais, diminuindo aquela impressão que o DSP era simplesmente uma aproximação dos sistemas analógicos. Mas mesmo com estes aperfeiçoamentos, a velocidade ainda era o grande obstáculo, principalmente para aplicações que exigiam tempo real de processamento como os sistemas de reconhecimento da voz. A grande mola propulsora do DSP foi o desenvolvimento da técnica de fabricação de circuitos integrados a partir da década de 70. O surgimento de circuitos integrados em alta escala (LSI) permitiu a implementação de processadores digitais inteiros em um único chip. Circuitos integrados especializados na execução de algoritmos aritméticos possibilitaram a implementação de aplicações em tempo real. Algoritmos para filtros digitais com taxas de amostragens na faixa de megahertz tornaram-se práticos. Processamento de voz e imagens em tempo real já tornou-se possível. Outras áreas começaram a ser bastante beneficiadas, como a de telecomunicações, aumentando a economia e flexibilidade tanto nos sistemas de chaveamento como transmissão. Passaremos a analisar os requisitos básicos de um circuito integrado dedicado a realizar operações de DSP, diferenciando-se desta forma dos microprocessadores de uso geral do mercado. Utilizaremos como exemplo o DSP TMS320C25 da Texas Instruments, a despeito de existir um grande número de fabricantes no mercado tais como a Analog Devices, AT&T, Motorola e NEC, etc. 7.2) - Características da arquitetura de um circuito integrado dedicado a DSP: Os chips dedicados a funções que envolvam DSP apresentam algumas características comuns que passaremos a analisar: 7.2.1) - Arquitetura Harvard: em contraste com a arquitetura "von Neumann", que apresenta um único espaço de memória para códigos de operação e dados, os sistemas baseados na arquitetura Harvard possuem duas estruturas separadas de memória para os códigos do programa e para os dados. Apesar disto exigir um controle maior por parte do processador (pois passam a existir dois controles de barramentos de endereço e dois controles de barramentos de dados), o poder de processamento torna-se muito mais poderoso e principalmente mais rápido, fatores decisivos na execução dos algoritmos numéricos existentes nas aplicações dos DSPs. 7.2.2) - Unidades para multiplicação e deslocamento separados da unidade lógica aritmética principal: devido a necessidade de realizar operações de multiplicação e deslocamentos nos algoritmos numéricos, existem unidades separadas para a realização destas operações, otimizando-as. Devido a natureza repetitiva destas operações, um sistema de prevenção de "estouro" (overflow) do resultado é necessário. 7.2.3) - Flexibilidade e rapidez na execução das instruções: além de unidades separadas para realização de algoritmos numéricos, é necessária a realização destas operações em ciclos de busca ("fetch") curtos, decodificação e execução otimizada de forma a diminuir o tempo de execução das instruções e aumentando consequentemente a velocidade do sistema. Alguns processadores DSP realizam instruções inteiras aritméticas em um único ciclo de máquina. Outros, como é o caso do TMS320C25, utilizam uma estrutura denominada "pipeline", onde em um único 36 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II ciclo de clock são realizados simultaneamente o ciclo de busca de uma determinada instrução, o ciclo de decodificação da instrução anterior e o ciclo de execução de outra instrução. 7.2.4) - Operações de "loop" incondicional e condicional: algoritmos repetitivos envolvendo operações lógica/aritméticas constituem uma das principais estruturas utilizadas nos programas de aplicativos de DSPs. Estas estruturas, do tipo "If ... Then" ou "For ... Next", necessitam de instruções de salto incondicional ou condicional que dependem de determinadas condições contidas principalmente nos registradores de "status" do processador, tais como condição de estouro (OVM)), "carry" (C), zero (Z) ou teste/controle (TC). Como já ressaltado, o circuito integrado DSP TMS320C25 será utilizado como exemplo ilustrativo das características descritas acima. Este circuito integrado faz parte da segunda geração de DSPs da Texas, apresentando como principais características: ciclo de instrução de até 100 ns (para clock de 40 MHz), 544 posições de 16 bits de RAM interna, 4048 posições de 16 bits de ROM interna, 128 K/16 bits de acesso de memória de programa/dados externa e acumulador principal de 32 bits. A figura 1 nos mostra um diagrama em blocos da arquitetura interna do chip em questão. Figura 1 37 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II Com o auxílio desta ilustração analisaremos a seguir as características gerais fornecidas acima que possibilitam o TMS320C25 desempenhar-se bem em situações críticas como em tempo real nos aplicativos com DSPs. Pode-se observar a existência dos sinais PS e DS, responsáveis pelo controle da natureza do barramento de dados e controle. Com o sinal PS em nível baixo, temos o caracterizado o acesso à memória de programa. Já com o sinal DS em nível baixo temos o controle da memória de dados, caracterizando a arquitetura Harvard explicada no item 2.1). A figura 2 nos mostra um detalhamento maior da unidade aritmética do TMS320C25. Pode-se observar unidades independentes para multiplicação, com a presença de um registrador temporário de 16 bits (TR) e um registrador de de produto (PR) de 32 bits para armazenamento do resultado. Temos também uma unidade de deslocamento (bloco "Scaling Shifter") com capacidade também de 16 bits. Finalmente a figura mostra a unidade aritmética principal (ALU) com capacidade de 32 bits, acumulador principal composto de 2 registradores de 16 bits (ACCH e ACCL), bit carry (C) e dois registradores especiais para execução de rotações para a esquerda (SFL) e direita (SFR), dotando desta forma o sistema com uma grande capacidade de processamento aritmético, conforme indicado no item 7.2.2). figura 2 Como já foi ressaltado, para agilizar a execução das instruções, o TMS320C25 utiliza a operação "pipeline", representada na figura 3. Podese observar a execução simultânea de busca, decodificação e execução de 2 38 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II ou 3 instruções simultaneamente, aumentando grandemente a velocidade de execução das rotinas. figura 3 Finalmente, o TMS320C25 é dotado de uma série de instruções de salto condicional e incondicional viabilizando a execução de estruturas com "loops", tão fundamentais nas rotinas de DSP, tornando-as mais simplificadas e menores. 7.3) - Conclusão: Apesar do grande avanço que sistemas baseados em D.S.P. sofreram com o desenvolvimento da integração em alta escala produzindo chips específicos , tais como o analisado neste artigo, e com algoritmos numéricos mais poderoso, não se vê saturação nas aplicações deste sistemas. Nos próximos anos a área de telecomunicações, de processamento de imagem e som e sistemas de controle serão ainda muito beneficiadas, proporcionando economia e flexibilidade aos sistemas citados. 7.4) - Bibliografia para P.D.S.: - DISCRETE-TIME Hall,1989 SIGNAL PROCESSING. Oppenhein - A SIMPLE APPROACH TO DIGITAL SIGNAL PROCESSING. Gillian. Wiley Interscience. e Schafer. Prentice Marven, Craing e Ewers - DIGITAL SIGNAL PROCESSING A LABORATORY APPROACH USING PC-DSP. Oktay. Prentice Hall Alkin, - DIGITAL SIGNAL PROCESSING APPLICATIONS WITH THE TMS320 FAMILY. Instruments. Texas 39 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II ANEXO I SEMINÁRIOS DE MICROPROCESSADORES Apresentar os seguintes itens no trabalho relativo ao microcontrolador escolhido: - CARACTERISTICAS BÁSICAS - ARQUITETURA BÁSICA - MAPEAMENTO DA MEMÓRIA INTERNA/EXTERNA - DESCRIÇÃO BÁSICA DOS REGISTRADORES DE CONTROLE (TIMER, INTERRUPÇÃO, SERIAL, WATCH-DOG, ETC.) - CONJUNTO DE INSTRUÇÕES MOSTRANDO APENAS O SIGNIFICADO BÁSICO DAS MESMAS. - APLICAÇÃO TÍPICA LISTA DE MICROCONTROLADORES: MICROCHIP (WWW.MICROCHIP.COM) 1. PIC12C508 2. PIC16F628 TEXAS INSTRUMENTS (WWW.TI.COM) 3. MSP430F135 MOTOROLA (WWW.MOTOROLA.COM) 4. 68HC11 NATIONAL SEMICONDUCTOR (www.national.com) 6. COP 8 CYPRESS (www.cypress.com) 7. PSOC 40 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II PRIMEIRO TRABALHO DE MICROPROCESSADORES II Turma: 8F 1)a) - Fazer uma rotina para habilitar as interrupções seriais, timer 1 e externa 0, dando prioridade para a comunicação serial. b)- Um microcontrolador desenvolvido no Laboratório de Microprocessadores do Mackenzie (MACK3) possui uma entrada de reset ativa em nível baixo, entrada de cristal até 20 Mhz, memória FLASH de 4 Kbytes (sem acesso a memoria externa) e 2 ports de comunicação (Port PA com 8 bits e Port PB com 6 bits). Fazer um esquema mostrando a ligação do MACK3 com um display LCD de 2 linhas x 20 caracteres. 2) - Imaginando que voce esteja fazendo um trabalho voluntário para o GreenPeace, foi encomendado um controlador ecológico para impedir um gasto desnecessário de energia de escola com até 5 salas com as seguintes características: -Microcontrolador 8031 com Eprom 27512, Cristal de 32 Khz, Reset automático e manual. -Display LCD 2 x 16 com endereço de acesso 4000H-5FFFH. -Entrada de 5 sensores de presença infra-vermelho. -Saida para 5 contatores que controlarão 5 sistemas de iluminação. -Comunicação Serial. -Entrada de um botao de emergencia ligada a INTERRUPÇÃO 0. 3) - Em relação ao projeto acima, fazer os seguintes programas separadamente: a)-Fazer um programa para que o primeiro sensor ligue a segunda saida em nível alto e desligue em nivel baixo. Ficar em loop. b)-Fazer um programa para escrever no diplay a mensagem "GREEN PEACE" "CONTROLADOR". Configurar o display para 2 linhas, sem cursor, deslocamento a direita. Fazer a rotina de escrita no display. c)-Fazer um programa para incrementar a posição 50H da memória interna todas as vezes que o botao de emergencia for acionado. Utilizar a interrupção. 4) a) - Qual a função dos sinais Enable e C/D em um módulo de display? O que é um back-light em um display de LCD? Mostre 1 vantagem e uma desvantagem de um display de LCD. b) - Mostrar um esquema de um sistema com o 8951 e um módulo com o Display de LCD utilizando apenas os Ports P0 e P1 (modo de acionamento direto sem mapeamento de memória). Fazer uma rotina para escrever a letra do seu primeiro nome no display. c) - Suponha que voce esteje projetando um microcontrolador com um temporizador T de 16 bits, vetor com endereço 06h e com contador DECRESCENTE a cada pulso de entrada do timer. Os registradores de controle são iguais ao do timer T0 do 8051. Explicar o conceito do vetor 06h. O que existe (qual rotina) neste endereço do programa? Supondo que a freqüência de contagem na ENTRADA do timer seje de 100 Khz, calcular o valor do temporizador T para o tempo de 3 milisegundos. Fazer uma rotina de inicialização para o timer T. 5)- Você é o engenheiro da empresa ELEICOES ELETRONICAS e é responsável pelo projeto de uma urna eletrônica com as seguintes características: -Microcontrolador 8951, cristal de 8 Mhz, Reset automático e manual. -Display de LCD com endereço entre 0 e 1fffH -Entrada para 10 teclas numéricas e 3 teclas de função (CORRIGE, BRANCO, CONFIRMA). Um sistema lógico ativa a interrupção externa 1 quando é acionada uma tecla. 41 APOSTILA DE TEORIA MACKENZIE MICROPROCESSADORES II -1 alto-falante (buzzer). 6) - Fazer em Linguagem Assembler separadamente os seguintes programas: a) (1,5 pontos) - Inicializar o display (2 x 16 linhas, com cursos piscando, escrevendo da esquerda para a direita). Escrever no display: URNA ELETRONICA CANDIDATO: b) (1,5 pontos)- Fazer um programa para guardar a posição das teclas na memória a partir do endereço 25H. Se for digitado a tecla CORRIGE, ligar o buzzer por 1 segundo. 7) - Fazer um projeto com um microcontrolador 8031 com as seguintes característicias: - Projeto de um torno microprocessado CNC. - Cristal com frequência de 11.059 Mhz e reset automático. - Display LCD inteligente possuindo 2 linhas e 20 caracteres (endereço 00-1FH). - Comunicação full-duplex com dado de 8 bits, start e stop/bit, sem paridade, 9600 baunds e interface RS232 com line drivers MAX 232. - Saída para controle de 2 motores trifásicos, 3 indicadores luminosos (lâmpadas) e uma chave. - Conversor ADC 808 de 8 canais (endereço 20H-3FH). 8) - Fazer os seguintes programas para o projeto acima: - Inicialização da interface serial, do sistema de interrupção habilitando a interrupção serial e display configurando-o para deslocamento de mensagens a esquerda e sem cursor. Colocar comentários indicando cada comando. - Rotina para escrever na linha superior do display o seu nome completo centralizado (abreviar os nomes do meio se necessário) e o seu número de matrícula na linha de baixo. - Rotina para receber dados pela interface serial através da interrupção serial, colocando os dados recebidos na posição de memória 50H. - Ler o canal 3 do conversor ADC, colocar o valor lido no endereço 40 H. - Ligar os 2 motores se a chave estiver em nível alto 9)- Vamos supor que você esteje programando um novo microcontrolador que possua um temporizador interno com as seguintes características: Contador DECRESCENTE de 16 bits. Entrada para o temporizador externo (pino TENTR) que decrementa o temporizador de 1 unidade a cada pulso. Interrupção com endereço 0010H Registradores de modo (TMOD) e controle (TCON) idênticos ao 8051. Mneumônicos para programação em linguagem Assembler compatível com o 8051. a)- Supondo a entrada de um sinal de 100 Khz na entrada TENTR, qual o número a ser colocado dentro do timer para o mesmo fornecer um tempo de 10 mseg? Justificar mostrando o cálculo b)- Fazer um programa em linguagem Assembler para incrementar apenas o registrador R3 a cada 10 mseg. 10)- Fazer um projeto com o microcontrolador 8031 com as seguintes características a) - Cristal de 8 Mhz. Reset automático e manual. Saida para controle de 3 motores (representar o acionamento apenas de 1 motor). Entrada do contador externo (interrupção externa 1). Entrada de 1 chave para controle dos motores. Display de L.C.D. com endereçamento de 2000H a 3FFFH. b) - Fazer um programa para ler a chave a cada 1 mseg. Se a chave estiver em nível alto, ligar todos os motores. Caso contrario, desligá-los. c)- Fazer um programa para incrementar o registrador R5 a cada pulso do contador externo (elaborar apenas a rotina de interrupção) . 42
