Microcontroladores PIC para Iniciantes - Apostilas - Engenharia da Computação Part1, Notas de estudo de Informática

Baixe Microcontroladores PIC para Iniciantes - Apostilas - Engenharia da Computação Part1 e outras Notas de estudo em PDF para Informática, somente na Docsity! Microcontroladores PIC Para Iniciantes Também! Autores: Nebojsa Matic and Dragan Andric Tradução: Alberto Jerônimo eBook: Mansong. Paperback - 252 páginas (Maio 15, 2000) Dimensões (em polegadas): 0.62 x 9.13 x 7.28 Microcontroladores PIC; computador de baixo custo em um chip; permite aos projetistas e hobistas eletrônicos adicionar inteligência e funções semelhantes às utilizadas em grandes computadores. Essas características podem ser usadas em quase todos os projetos eletrônicos. O objetivo desse livro não é tornar você um expert em microcontroladores, e sim lhe fornecer uma fonte de consulta confiável que responda suas perguntas. Você pode encontrar neste livro: Exemplos de projetos práticos utilizando Relés, Opto-acopladores, LCD's, Teclado, Display de Dígitos, Conversores AD, Comunicação Serial, etc. Introdução aos microcontroladores Conheça o que eles são, como eles trabalham, e como eles podem ser aplicados a seu projetos. Linguagem de programação assembly Como escrever seu primeiro programa, uso de macros, modos de endereçamento... Conjunto de instruções Descrição, exemplos e funções de cada instrução... O programa MPLAB Como instalar, como fazer seu primeiro programa, seguindo o programa passo a passo no simulador... 1 Índice Geral CAPÍTULO I INTRODUÇÃO AOS MICROCONTROLADORES Introdução História Microcontroladores versus Microprocessadores 1.1 Unidade de Memória 1.2 Unidade Central de Processamento 1.3 Barramentos 1.4 Unidade de Entrada e Saídas (I/O) 1.5 Comunicação Serial 1.6 Timer 1.7 Watchdog 1.8 Conversor Analógico - Digital 1.9 Programa CAPÍTULO II MICROCONTROLADOR PIC16F84 Introdução Arquitetura CISC, RISC Aplicações Clock / Ciclo de Instrução Pipelining Descrição dos Pinos 2.1 Gerador de Clock - Oscilador 2.2 Reset 2.3 Unidade Central de Processamento 2.4 Portas 2.5 Organização de Memória 2.6 Interrupções 2.7 Timer Livre TMR0 2.8 Memória de Dados EEPROM CAPÍTULO III CONJUNTO DE INSTRUÇÕES Introdução Conjunto de Instruções da Família de Microcontroladores PIC16Cxx Transferência de Dados Instruções Lógicas e Aritméticas Operações de BITs Direcionando o Fluxo do Programa Período de Execução da Instrução Listagem das Palavras - Word list 2 CAPÍTULO I Introdução aos Microcontroladores Introdução História Microcontroladores versus Microprocessadores 1.1 Unidade de Memória 1.2 Unidade Central de Processamento 1.3 Barramentos 1.4 Unidade de Entrada e Saídas (I/O) 1.5 Comunicação Serial 1.6 Timer 1.7 Watchdog 1.8 Conversor Analógico - Digital 1.9 Programa Introdução As circunstâncias que se nos deparam hoje no campo dos microcontroladores têm os seus primórdios no desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados. Este desenvolvimento tornou possível armazenar centenas de milhares de transístores num único chip. Isso constituiu um pré-requisito para a produção de microprocessadores e, os primeiros computadores foram construídos adicionando periféricos externos tais como memória, linhas de entrada e saída, temporizadores e outros. Um crescente aumento do nível de integração, permitiu o aparecimento de circuitos integrados contendo simultaneamente processador e periféricos. Foi assim que o primeiro chip contendo um microcomputador e que mais tarde haveria de ser designado por microcontrolador, apareceu. História É no ano de 1969 que uma equipa de engenheiros japoneses pertencentes à companhia BUSICOM chega aos Estados Unidos com a encomenda de alguns circuitos integrados para calculadoras a serem implementados segundo os seus projetos. A proposta foi entregue à INTEL e Marcian Hoff foi o responsável pela sua concretização. Como ele tinha tido experiência de trabalho com um computador (PC) PDP8, lembrou-se de apresentar uma solução substancialmente diferente em vez da construção sugerida. Esta solução pressupunha que a função do circuito integrado seria determinada por um programa nele armazenado. Isso significava que a configuração deveria ser mais simples, mas também era preciso muito mais memória que no caso do projecto proposto pelos engenheiros japoneses. Depois de algum tempo, embora os engenheiros japoneses tenham tentado encontrar uma solução mais fácil, a ideia de Marcian venceu e o primeiro microprocessador nasceu. Ao transformar esta ideia num produto concreto, Frederico Faggin foi de uma grande utilidade para a INTEL. Ele transferiu-se para a INTEL e, em somente 9 meses, teve sucesso na criação de um produto real a partir da sua primeira concepção. Em 1971, a INTEL adquiriu os direitos sobre a venda deste bloco integral. Primeiro eles compraram a licença à companhia BUSICOM que não tinha a mínima percepção do tesouro que possuía. Neste mesmo ano, apareceu no mercado um microprocessador designado por 4004. Este foi o primeiro microprocessador de 4 bits e tinha a velocidade de 6 000 operações por segundo. Não muito tempo depois, a companhia Americana CTC pediu à INTEL e à Texas Instrumentos um microprocessador de 8 bits para usar em terminais. Mesmo apesar de a CTC acabar por desistir desta ideia, tanto a Intel como a Texas Instrumentos continuaram a trabalhar no microprocessador e, em Abril de 1972, os primeiros microprocessadores de 8 bits apareceram no mercado com o nome de 8008. Este podia endereçar 16KB de memória, possuía 45 instruções e tinha a 5 velocidade de 300 000 operações por segundo. Esse microprocessador foi o pioneiro de todos os microprocessadores atuais. A Intel continuou com o desenvolvimento do produto e, em Abril de 1974 pôs cá fora um processador de 8 bits com o nome de 8080 com a capacidade de endereçar 64KB de memória, com 75 instruções e com preços a começarem em $360. Uma outra companhia Americana, a Motorola, apercebeu-se rapidamente do que estava a acontecer e, assim, pôs no mercado um novo microprocessador de 8 bits, o 6800. O construtor chefe foi Chuck Peddle e além do microprocessador propriamente dito, a Motorola foi a primeira companhia a fabricar outros periféricos como os 6820 e 6850. Nesta altura, muitas companhias já se tinham apercebido da enorme importância dos microprocessadores e começaram a introduzir os seus próprios desenvolvimentos. Chuck Peddle deixa a Motorola para entrar para a MOS Technology e continua a trabalhar intensivamente no desenvolvimento dos microprocessadores. Em 1975, na exposição WESCON nos Estados Unidos, ocorreu um acontecimento crítico na história dos microprocessadores. A MOS Technology anunciou que ia pôr no mercado microprocessadores 6501 e 6502 ao preço de $25 cada e que podia satisfazer de imediato todas as encomendas. Isto pareceu tão sensacional que muitos pensaram tratar-se de uma espécie de vigarice, considerando que os competidores vendiam o 8080 e o 6800 a $179 cada. Para responder a este competidor, tanto a Intel como a Motorola baixaram os seus preços por microprocessador para $69,95 logo no primeiro dia da exposição. Rapidamente a Motorola pôs uma ação em tribunal contra a MOS Technology e contra Chuck Peddle por violação dos direitos de autor por copiarem ao copiarem o 6800. A MOS Technology deixou de fabricar o 6501, mas continuou com o 6502. O 6502 é um microprocessador de 8 bits com 56 instruções e uma capacidade de endereçamento de 64KB de memória. Devido ao seu baixo custo, o 6502 torna-se muito popular e, assim, é instalado em computadores como KIM-1, Apple I, Apple II, Atari, Comodore, Acorn, Oric, Galeb, Orao, Ultra e muitos outros. Cedo aparecem vários fabricantes do 6502 (Rockwell, Sznertek, GTE, NCR, Ricoh e Comodore adquiriram a MOS Technology) que, no auge da sua prosperidade, chegou a vender microprocessadores à razão de 15 milhões por ano! Contudo, os outros não baixaram os braços. Frederico Faggin deixa a Intel e funda a Zilog Inc. Em 1976, a Zilog anuncia o Z80. Durante a concepção deste microprocessador, Faggin toma uma decisão crítica. Sabendo que tinha sido já desenvolvida uma enorme quantidade de programas para o 8080, Faggin conclui que muitos vão permanecer fieis a este microprocessador por causa das grandes despesas que adviriam das alterações a todos estes programas. Assim, ele decide que o novo microprocessador deve ser compatível com o 8080, ou seja, deve ser capaz de executar todos os programas que já tenham sido escritos para o 8080. Além destas características, outras características adicionais foram introduzidas, de tal modo que o Z80 se tornou um microprocessador muito potente no seu tempo. Ele podia endereçar diretamente 64KB de memória, tinha 176 instruções, um grande número de registos, uma opção para refrescamento de memória RAM dinâmica, uma única alimentação, maior velocidade de funcionamento, etc. O Z80 tornou-se um grande sucesso e toda a gente se transferiu do 8080 para o Z80. Pode dizer-se que o Z80 se constituiu sem sombra de dúvida como o microprocessador de 8 bits com maior sucesso no seu tempo. Além da Zilog, outros novos fabricantes como Mostek, NEC, SHARP e SGS apareceram. O Z80 foi o coração de muitos computadores como o Spectrum, Partner, TRS703, Z-3 e Galaxy, que foram aqui usados. Em 1976, a Intel apareceu com uma versão melhorada do microprocessador de 8 bits e designada por 8085. Contudo, o Z80 era tão superior a este que, bem depressa, a Intel perdeu a batalha. Ainda que mais alguns microprocessadores tenham aparecido no mercado (6809, 2650, SC/MP etc.), já tudo estava então decidido. Já não havia mais grandes melhorias a introduzir pelos fabricantes que fundamentassem a troca por um novo microprocessador, assim, o 6502 e o Z80, 6 acompanhados pelo 6800, mantiveram-se como os mais representativos microprocessadores de 8 bits desse tempo. Microcontroladores versus Microprocessadores Um microcontrolador difere de um microprocessador em vários aspectos. Primeiro e o mais importante, é a sua funcionalidade. Para que um microprocessador possa ser usado, outros componentes devem-lhe ser adicionados, tais como memória e componentes para receber e enviar dados. Em resumo, isso significa que o microprocessador é o verdadeiro coração do computador. Por outro lado, o microcontrolador foi projectado para ter tudo num só. Nenhuns outros componentes externos são necessários nas aplicações, uma vez que todos os periféricos necessários já estão contidos nele. Assim, nós poupamos tempo e espaço na construção dos dispositivos. 1.1 Unidade de Memória A memória é a parte do microcontrolador cuja função é guardar dados. A maneira mais fácil de explicar é descrevê-la como uma grande prateleira cheia de gavetas. Se supusermos que marcamos as gavetas de modo a elas não se confundirem umas com as outras, então o seu conteúdo será facilmente acessível. Basta saber a designação da gaveta e o seu conteúdo será conhecido. Os componentes de memória são exatamente a mesma coisa. Para um determinado endereço, nós obtemos o conteúdo desse endereço. Dois novos conceitos foram apresentados: endereçamento e memória. A memória é o conjunto de todos os locais de memória (gavetas) e endereçamento nada mais é que selecionar um deles. Isto significa que precisamos de selecionar o endereço desejado (gaveta) e esperar que o conteúdo desse endereço nos seja apresentado (abrir a gaveta). Além de ler de um local da memória (ler o conteúdo da gaveta), também é possível escrever num endereço da memória (introduzir um conteúdo na gaveta). Isto é feito utilizando uma linha adicional chamada linha de controle. Nós iremos designar esta linha por R/W (read/write - ler/escrever). A linha de controle é usada do seguinte modo: se r/w=1, é executada uma operação de leitura, caso contrário é executada uma operação de escrita no endereço de memória. A memória é o primeiro elemento, mas precisamos de mais alguns para que o nosso microcontrolador possa trabalhar. 7 quilômetros não atesta a economia do projecto. Isto leva-nos a ter que reduzir o número de linhas de modo a que a funcionalidade se mantenha. Suponha que estamos a trabalhar apenas com três linhas e que uma linha é usada para enviar dados, outra para os receber e a terceira é usada como linha de referência tanto do lado de entrada como do lado da saída. Para que isto trabalhe nós precisamos de definir as regras para a troca de dados. A este conjunto de regras chama-se protocolo. Este protocolo deve ser definido com antecedência de modo que não haja mal entendidos entre as partes que estão a comunicar entre si. Por exemplo, se um homem está a falar em francês e o outro em inglês, é altamente improvável que efetivamente e rapidamente, ambos se entendam. Vamos supor que temos o seguinte protocolo. A unidade lógica "1" é colocada na linha de transmissão até que a transferência se inicie. Assim que isto acontece, a linha passa para nível lógico '0' durante um certo período de tempo (que vamos designar por T), assim, do lado da recepção ficamos a saber que existem dados para receber e, o mecanismo de recepção, vai ativar-se. Regressemos agora ao lado da emissão e comecemos a pôr zeros e uns lógicos na linha de transmissão correspondentes aos bits, primeiro o menos significativo e finalmente o mais significativo. Vamos esperar que cada bit permaneça na linha durante um período de tempo igual a T, e, finalmente, depois do oitavo bit, vamos pôr novamente na linha o nível lógico "1" , o que assinala a transmissão de um dado. O protocolo que acabamos de descrever é designado na literatura profissional por NRZ (Não Retorno a Zero). Como nós temos linhas separadas para receber e enviar, é possível receber e enviar dados (informação) simultaneamente. O bloco que possibilita este tipo de comunicação é designado por bloco de comunicação série. Ao contrário da transmissão em paralelo, aqui os dados movem-se bit após bit em série, daqui provém o nome de comunicação série. Depois de receber dados nós precisamos de os ler e guardar na memória, no caso da transmissão de dados o processo é inverso. Os dados vêm da memória através do bus para o local de transmissão e dali para a unidade de recepção de acordo com o protocolo. 1.6 Timer Agora que já temos a unidade de comunicação série implementada, nós podemos receber, enviar e processar dados. Contudo, para sermos capazes de utilizar isto na indústria precisamos ainda de mais alguns blocos. Um deles é o bloco de temporização que nos interessa bastante porque pode dar-nos informações acerca da hora, duração, protocolo, etc. 10 A unidade básica do temporizador é um contador que é na realidade um registo cujo conteúdo aumenta de uma unidade num intervalo de tempo fixo, assim, anotando o seu valor durante os instantes de tempo T1 e T2 e calculando a sua diferença, nós ficamos a saber a quantidade de tempo decorrida. Esta é uma parte muito importante do microcontrolador, cujo domínio vai requerer muita da nossa atenção. 1.7 Watchdog Uma outra coisa que nos vai interessar é a fluência da execução do programa pelo microcontrolador durante a sua utilização. Suponha que como resultado de qualquer interferência (que ocorre frequentemente num ambiente industrial), o nosso microcontrolador pára de executar o programa ou, ainda pior, desata a trabalhar incorretamente. Claro que, quando isto acontece com um computador, nós simplesmente carregamos no botão de reset e continuamos a trabalhar. Contudo, no caso do microcontrolador nós não podemos resolver o nosso problema deste modo, porque não temos botão. Para ultrapassar este obstáculo, precisamos de introduzir no nosso modelo um novo bloco chamado watchdog (cão de guarda). Este bloco é de facto outro contador que está continuamente a contar e que o nosso programa põe a zero sempre que é executado corretamente. No caso de o programa "encravar", o zero não vai ser escrito e o contador, por si só, encarregar-se-á de fazer o reset do microcontrolador quando alcançar o seu valor máximo. Isto vai fazer com que o programa corra de novo e desta vez corretamente. Este é um elemento importante para que qualquer programa se execute fiavelmente, sem precisar da intervenção do ser humano. 1.8 Conversor Analógico – Digital Como os sinais dos periféricos são substancialmente diferentes daqueles que o microcontrolador pode entender (zero e um), eles devem ser convertidos num formato que possa ser compreendido pelo microcontrolador. Esta tarefa é executada por intermédio de um bloco destinado à conversão analógica-digital ou com um conversor A/D. Este bloco vai ser responsável pela conversão de uma informação de valor analógico para um número binário e pelo seu trajeto através do bloco do CPU, de modo a que este o possa processar de imediato. Neste momento, a configuração do microcontrolador está já terminada, tudo o que falta é introduzi-la dentro de um aparelho electrónico que poderá aceder aos blocos internos através dos pinos deste componente. A figura a seguir, ilustra o aspecto interno de um microcontrolador. 11 Configuração física do interior de um microcontrolador As linhas mais finas que partem do centro em direção à periferia do microcontrolador correspondem aos fios que interligam os blocos interiores aos pinos do envólucro do microcontrolador. O gráfico que se segue representa a parte principal de um microcontrolador. Esquema de um microcontrolador com os seus elementos básicos e ligações internas. 12 Esquema do microcontrolador PIC16F84 Arquiteturas Harvard versus Von Neumann Arquitetura CISC, RISC Já foi dito que o PIC16F84 tem uma arquitetura RISC. Este termo é encontrado, muitas vezes, na literatura sobre computadores e necessita de ser explicada aqui, mais detalhadamente. A arquitetura de Harvard é um conceito mais recente que a de von-Neumann. Ela adveio da necessidade de pôr o microcontrolador a trabalhar mais rapidamente. Na arquitetura de Harvard, a memória de dados está separada da memória de programa. Assim, é possível uma maior fluência de dados através da unidade central de processamento e, claro, uma maior velocidade de funcionamento. A separação da memória de dados da memória de programa, faz com que as instruções possam ser representadas por palavras de mais que 8 bits. O PIC16F84, usa 14 bits para cada instrução, o que permite que que todas as instruções ocupem uma só palavra de instrução. É também típico da arquitetura Harvard ter um reportório com menos instruções que a de von- Neumann's, instruções essas, geralmente executadas apenas num único ciclo de relógio. Os microcontroladores com a arquitetura Harvard, são também designados por "microcontroladores RISC". RISC provém de Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções (Reduced Instruction Set Computer). Os microcontroladores com uma arquitetura von-Neumann são designados por 'microcontroladores CISC'. O nome CISC deriva de Computador com um Conjunto Complexo de Instruções (Complex Instruction Set Computer). Como o PIC16F84 é um microcontrolador RISC, disso resulta que possui um número reduzido de instruções, mais precisamente 35 (por exemplo, os microcontroladores da Intel e da Motorola têm mais de cem instruções). Todas 15 estas instruções são executadas num único ciclo, excepto no caso de instruções de salto e de ramificação. De acordo com o que o seu fabricante refere, o PIC16F84 geralmente atinge resultados de 2 para 1 na compressão de código e 4 para 1 na velocidade, em relação aos outros microcontroladores de 8 bits da sua classe. Aplicações O PIC16F84, é perfeitamente adequado para muitas variedades de aplicações, como a indústria automóvel, sensores remotos, fechaduras eléctricas e dispositivos de segurança. É também um dispositivo ideal para cartões inteligentes, bem como para dispositivos alimentados por baterias, por causa do seu baixo consumo. A memória EEPROM, faz com que se torne mais fácil usar microcontroladores em dispositivos onde o armazenamento permanente de vários parâmetros, seja necessário (códigos para transmissores, velocidade de um motor, freqüências de recepção, etc.). O baixo custo, baixo consumo, facilidade de manuseamento e flexibilidade fazem com que o PIC16F84 se possa utilizar em áreas em que os microcontroladores não eram anteriormente empregues (exemplo: funções de temporização, substituição de interfaces em sistemas de grande porte, aplicações de coprocessamento, etc.). A possibilidade deste chip de ser programável no sistema (usando somente dois pinos para a transferência de dados), dão flexibilidade do produto, mesmo depois de a sua montagem e teste estarem completos. Esta capacidade, pode ser usada para criar linhas de produção e montagem, para armazenar dados de calibragem disponíveis apenas quando se proceder ao teste final ou, ainda, para aperfeiçoar os programas presentes em produtos acabados. Clock / Ciclo de Instrução O relógio (clock), é quem dá o sinal de partida para o microcontrolador e é obtido a partir de um componente externo chamado “oscilador”. Se considerasse- mos que um microcontrolador era um relógio de sala, o nosso clock corresponderia ao pêndulo e emitiria um ruído correspondente ao deslocar do pêndulo. Também, a força usada para dar corda ao relógio, podia comparar-se à alimentação eléctrica. O clock do oscilador, é ligado ao microcontrolador através do pino OSC1, aqui, o circuito interno do microcontrolador divide o sinal de clock em quatro fases, Q1, Q2, Q3 e Q4 que não se sobrepõem. Estas quatro pulsações perfazem um ciclo de instrução (também chamado ciclo de máquina) e durante o qual uma instrução é executada. A execução de uma instrução, é antecedida pela extração da instrução que está na linha seguinte. O código da instrução é extraído da memória de programa em Q1 e é escrito no registo de instrução em Q4. A descodificação e execução dessa mesma instrução, faz-se entre as fases Q1 e Q4 seguintes. No diagrama em baixo, podemos observar a relação entre o ciclo de instrução e o clock do oscilador (OSC1) assim como as fases Q1-Q4. O contador de programa (Program Counter ou PC) guarda o endereço da próxima instrução a ser executada. 16 Pipelining Cada ciclo de instrução inclui as fases Q1, Q2, Q3 e Q4. A extração do código de uma instrução da memória de programa, é feita num ciclo de instrução, enquanto que a sua descodificação e execução, são feitos no ciclo de instrução seguinte. Contudo, devido à sobreposição – pipelining (o microcontrolador ao mesmo tempo que executa uma instrução extrai simultaneamente da memória o código da instrução seguinte), podemos considerar que, para efeitos práticos, cada instrução demora um ciclo de instrução a ser executada. No entanto, se a instrução provocar uma mudança no conteúdo do contador de programa (PC), ou seja, se o PC não tiver que apontar para o endereço seguinte na memória de programa, mas sim para outro (como no caso de saltos ou de chamadas de subrotinas), então deverá considerar-se que a execução desta instrução demora dois ciclos. Isto acontece, porque a instrução vai ter que ser processada de novo, mas, desta vez, a partir do endereço correto. O ciclo de chamada começa na fase Q1, escrevendo a instrução no registo de instrução (Instruction Register – IR). A descodificação e execução continua nas fases Q2, Q3 e Q4 do clock. Fluxograma das Instruções no Pipeline TCY0 é lido da memória o código da instrução MOVLW 55h (não nos interessa a instrução que foi executada, por isso não está representada por rectângulo). TCY1 é executada a instrução MOVLW 55h e é lida da memória a instrução MOVWF PORTB. TCY2 é executada a instrução MOVWF PORTB e lida a instrução CALL SUB_1. TCY3 é executada a chamada (call) de um subprograma CALL SUB_1 e é lida a instrução BSF PORTA,BIT3. Como esta instrução não é a que nos interessa, ou seja, não é a primeira instrução do subprograma SUB_1, cuja execução é o que vem a seguir, a leitura de uma instrução tem que ser feita de novo. Este é um bom exemplo de uma instrução a precisar de mais que um ciclo. TCY4 este ciclo de instrução é totalmente usado para ler a primeira instrução do 17 freqüência de trabalho do microcontrolador é a do oscilador dividida por 4. A freqüência de oscilação dividida por 4 também é fornecida no pino OSC2/CLKOUT e, pode ser usada, para testar ou sincronizar outros circuitos lógicos pertencentes ao sistema. Relação entre o sinal de clock e os ciclos de instrução Ao ligar a alimentação do circuito, o oscilador começa a oscilar. Primeiro com um período de oscilação e uma amplitude instáveis, mas, depois de algum tempo, tudo estabiliza. Sinal de clock do oscilador do microcontrolador depois de ser ligada a alimentação Para evitar que esta instabilidade inicial do clock afecte o funcionamento do microcontrolador, nós necessitamos de manter o microcontrolador no estado de reset enquanto o clock do oscilador não estabiliza. O diagrama em cima, mostra uma forma típica do sinal fornecido por um oscilador de cristal de quartzo ao microcontrolador quando se liga a alimentação. 2.2 Reset O reset é usado para pôr o microcontrolador num estado conhecido. Na prática isto significa que às vezes o microcontrolador pode comportar-se de um modo inadequado em determinadas condições indesejáveis. De modo a que o seu funcionamento normal seja restabelecido, é preciso fazer o reset do microcontrolador, isto significa que todos os seus registos vão conter valores iniciais pré-definidos, correspondentes a uma posição inicial. O reset não é usado somente quando o microcontrolador não se comporta da maneira que nós queremos, mas, também pode ser usado, quando ocorre uma interrupção por parte de outro dispositivo, ou quando se quer que o microcontrolador esteja pronto para executar um programa . De modo a prevenir a ocorrência de um zero lógico acidental no pino MCLR (a linha por cima de MCLR significa o sinal de reset é ativado por nível lógico baixo), o pino MCLR tem que ser ligado através de uma resistência ao lado positivo da alimentação. Esta resistência deve ter um valor entre 5 e 10K. Uma resistência como esta, cuja função é conservar uma determinada linha a nível lógico alto, é chamada “resistência de pull up”. 20 Utilização do circuito interno de reset O microcontrolador PIC16F84, admite várias formas de reset: a) Reset quando se liga a alimentação, POR (Power-On Reset) b) Reset durante o funcionamento normal, quando se põe a nível lógico baixo o pino MCLR do microcontrolador. c) Reset durante o regime de SLEEP (dormir). d) Reset quando o temporizador do watchdog (WDT) transborda (passa para 0 depois de atingir o valor máximo). e) Reset quando o temporizador do watchdog (WDT) transborda estando no regime de SLEEP. Os reset mais importantes são o a) e o b). O primeiro, ocorre sempre que é ligada a alimentação do microcontrolador e serve para trazer todos os registos para um estado inicial. O segundo que resulta da aplicação de um valor lógico baixo ao pino MCLR durante o funcionamento normal do microcontrolador e, é usado muitas vezes, durante o desenvolvimento de um programa. Durante um reset, os locais de memória da RAM (registros) não são alterados. Ou seja, os conteúdos destes registros, são desconhecidos durante o restabelecimento da alimentação, mas mantêm-se inalterados durante qualquer outro reset. Ao contrário dos registros normais, os SFR (registros com funções especiais) são reiniciados com um valor inicial pré-definido. Um dos mais importantes efeitos de um reset, é introduzir no contador de programa (PC), o valor zero (0000), o que faz com que o programa comece a ser executado a partir da primeira instrução deste. Reset quando o valor da alimentação desce abaixo do limite permitido (Brown-out Reset). O impulso que provoca o reset durante o estabelecimento da alimentação (power-up), é gerado pelo próprio microcontrolador quando detecta um aumento na tensão Vdd (numa faixa entre 1,2V e 1,8V). Esse impulso perdura durante 72ms, o que, em princípio, é tempo suficiente para que o oscilador estabilize. Esse intervalo de tempo de 72ms é definido por um temporizador interno PWRT, com um oscilador RC próprio. Enquanto PWRT estiver ativo, o microcontrolador mantém-se no estado de reset. Contudo, quando o dispositivo está a trabalhar, pode surgir um problema não resultante de uma queda da tensão para 0 volts, mas sim de uma queda de tensão para um valor abaixo do limite que garante o correto funcionamento do microcontrolador. Trata-se de um facto muito provável de ocorrer na prática, especialmente em ambientes industriais onde as perturbações e instabilidade da alimentação ocorrem frequentemente. Para resolver este problema, nós precisamos de estar certos de que o microcontrolador entra no estado de reset de cada vez que a alimentação desce abaixo do limite aprovado. 21 Exemplos de quedas na alimentação abaixo do limite Se, de acordo com as especificações eléctricas, o circuito interno de reset de um microcontrolador não satisfizer as necessidades, então, deverão ser usados componentes electrónicos especiais, capazes de gerarem o sinal de reset desejado. Além desta função, estes componentes, podem também cumprir o papel de vigiarem as quedas de tensão para um valor abaixo de um nível especificado. Quando isto ocorre, aparece um zero lógico no pino MCLR, que mantém o microcontrolador no estado de reset, enquanto a voltagem não estiver dentro dos limites que garantem um correto funcionamento. 2.3 Unidade Central de Processamento A unidade central de processamento (CPU) é o cérebro de um microcontrolador. Essa parte é responsável por extrair a instrução, descodificar essa instrução e, finalmente, executá-la. Esquema da unidade central de processamento - CPU A unidade central de processamento, interliga todas as partes do microcontrolador de modo a que este se comporte como um todo. Uma das sua funções mais importante é, seguramente, descodificar as instruções do programa. Quando o programador escreve um programa, as instruções assumem um claro significado como é o caso por exemplo de MOVLW 0x20. Contudo, para que um microcontrolador possa entendê-las, esta forma escrita de uma instrução tem que ser traduzida numa série de zeros e uns que é o ‘opcode’ (operation code ou código da operação). Esta passagem de uma palavra escrita para a forma binária é 22 O bit DC é afectado pelas instruções ADDWF, ADDLW, SUBLW e SUBWF. bit 2 Z (bit Zero) Indicação de resultado igual a zero. Este bit toma o valor ‘1’ quando o resultado da operação lógica ou aritmética executada é igual a 0. 1= resultado igual a zero 0= resultado diferente de zero bit 3 PD (Bit de baixa de tensão – Power Down) Este bit é posto a ‘1’ quando o microcontrolador é alimentado e começa a trabalhar, depois de um reset normal e depois da execução da instrução CLRWDT. A instrução SLEEP põe este bit a ‘0’ ou seja, quando o microcontrolador entra no regime de baixo consumo / pouco trabalho. Este bit pode também ser posto a ‘1’, no caso de ocorrer um impulso no pino RB0/INT, uma variação nos quatro bits mais significativos do porto B, ou quando é completada uma operação de escrita na DATA EEPROM ou ainda pelo watchdog. 1 = depois de ter sido ligada a alimentação 0 = depois da execução de uma instrução SLEEP bit 4 TO Time-out ; transbordo do Watchdog Este bit é posto a ‘1’, depois de a alimentação ser ligada e depois da execução das instruções CLRWDT e SLEEP. O bit é posto a ‘0’ quando o watchdog consegue chegar ao fim da sua contagem (overflow = transbordar), o que indica que qualquer coisa não esteve bem. 1 = não ocorreu transbordo 0 = ocorreu transbordo bits 5 e 6 RP1:RP0 (bits de selecção de banco de registos) Estes dois bits são a parte mais significativa do endereço utilizado para endereçamento directo. Como as instruções que endereçam directamente a memória, dispõem somente de sete bits para este efeito, é preciso mais um bit para poder endereçar todos os 256 registos do PIC16F84. No caso do PIC16F84, RP1, não é usado, mas pode ser necessário no caso de outros microcontroladores PIC, de maior capacidade. 01 = banco de registos 1 00 = banco de registos 0 bit 7 IRP (Bit de selecção de banco de registos) Este bit é utilizado no endereçamento indirecto da RAM interna, como oitavo bit 1 = bancos 2 e 3 0 = bancos 0 e 1 (endereços de 00h a FFh) O registo de estado (STATUS), contém o estado da ALU (C, DC, Z), estado de RESET (TO, PD) e os bits para selecção do banco de memória (IRP, RP1, RP0). Considerando que a selecção do banco de memória é controlada através deste registo, ele tem que estar presente em todos os bancos. Os bancos de memória serão discutidos com mais detalhe no capítulo que trata da Organização da Memória. Se o registo STATUS for o registo de destino para instruções que afectem os bits Z, DC ou C, então não é possível escrever nestes três bits. Registo OPTION 25 bits 0 a 2 PS0, PS1, PS2 (bits de selecção do divisor Prescaler) Estes três bits definem o factor de divisão do prescaler. Aquilo que é o prescaler e o modo como o valor destes três bits afectam o funcionamento do microcontrolador será estudado na secção referente a TMR0. bit 3 PSA (Bit de Atribuição do Prescaler) Bit que atribui o prescaler ao TMR0 ou ao watchdog. 1 = prescaler atribuído ao watchdog 0 = prescaler atribuído ao temporizador TMR0 bit 4 T0SE (bit de selecção de bordo activo em TMR0) Se for permitido aplicar impulsos em TMR0, a partir do pino RA4/TOCK1, este bit determina se os impulsos activos são os impulsos ascendentes ou os impulsos descendentes. 1 = bordo descendente 0 = bordo ascendente bit 5 TOCS (bit de selecção de fonte de clock em TMR0) Este pino escolhe a fonte de impulsos que vai ligar ao temporizador. Esta fonte pode ser o clock do microcontrolador (frequência de clock a dividir por 4) ou impulsos externos no pino RA4/TOCKI. 1 = impulsos externos 0 = ¼ do clock interno bit 6 INDEDG (bit de selecção de bordo de interrupção) Se esta interrupção estiver habilitada, é possível definir o bordo que vai activar a interrupção no pino RB0/INT. 1 = bordo ascendente 0 = bordo descendente bit 7 RBPU (Habilitação dos pull-up nos bits do porto B) Este bit introduz ou retira as resistências internas de pull-up do porto B. 1 = resistências de “pull-up” desligadas 0 = resistências de “pull-up” ligadas 2.4 Portas Porto, é um grupo de pinos num microcontrolador que podem ser acedidos simultaneamente, e, no qual nós podemos colocar uma combinação de zeros e uns ou ler dele o estado existente. Fisicamente, porto é um registo dentro de um microcontrolador que está ligado por fios aos pinos do microcontrolador. Os portos representam a conexão física da Unidade Central de Processamento (CPU) com o mundo exterior. O microcontrolador usa-os para observar ou comandar outros componentes ou dispositivos. Para aumentar a sua funcionalidade, os mesmos pinos podem ter duas aplicações distintas, como, por exemplo, RA4/TOCKI, que é simultaneamente o bit 4 do porto A e uma entrada externa para o contador/temporizador TMR0. A escolha de uma destas duas funções é feita através dos registos de configuração. Um exemplo disto é o TOCS, quinto bit do registo OPTION. Ao selecionar uma das funções, a outra é automaticamente inibida. 26 Relação entre os registos TRISA e PORTO A Todos os pinos dos portos podem ser definidos como de entrada ou de saída, de acordo com as necessidades do dispositivo que se está a projectar. Para definir um pino como entrada ou como saída, é preciso, em primeiro lugar, escrever no registo TRIS, a combinação apropriada de zeros e uns. Se no local apropriado de um registo TRIS for escrito o valor lógico “1”, então o correspondente pino do porto é definido como entrada, se suceder o contrário, o pino é definido como saída. Todos os portos, têm um registo TRIS associado. Assim, para o porto A, existe o registo TRISA no endereço 85h e, para o porto B existe o registo TRISB, no endereço 86h. PORTO B O porto B tem 8 pinos associados a ele. O respectivo registo de direção de dados chama-se TRISB e tem o endereço 86h. Ao pôr a ‘1’ um bit do registo TRISB, define-se o correspondente pino do porto como entrada e se pusermos a ‘0’ um bit do registo TRISB, o pino correspondente vai ser uma saída. Cada pino do PORTO B possui uma pequena resistência de ‘pull-up’ (resistência que define a linha como tendo o valor lógico ‘1’). As resistências de pull-up são ativadas pondo a ‘0’ o bit RBPU, que é o bit 7 do registo OPTION. Estas resistências de ‘pull-up’ são automaticamente desligadas quando os pinos do porto são configurados como saídas. Quando a alimentação do microcontrolador é ligada, as resistências de pull- up são também desativadas. Quatro pinos do PORTO B, RB4 a RB7 podem causar uma interrupção, que ocorre quando qualquer deles varia do valor lógico zero para valor lógico um ou o contrário. Esta forma de interrupção só pode ocorrer se estes pinos forem configurados como entradas (se qualquer um destes 4 pinos for configurado como saída, não será gerada uma interrupção quando há variação de estado). Esta modalidade de interrupção, acompanhada da existência de resistências de pull-up internas, torna possível resolver mais facilmente problemas frequentes que podemos encontrar na prática, como por exemplo a ligação de um teclado matricial. Se as linhas de um teclado ficarem ligadas a estes pinos, sempre que se prime uma tecla, ir-se-á provocar uma interrupção. Ao processar a interrupção, o microcontrolador terá que identificar a tecla que a produziu. Não é recomendável utilizar o porto B, ao mesmo tempo que esta interrupção está a ser processada. 27 Bancos de Memória Além da divisão em ‘comprimento’ entre registos SFR e GPR, o mapa de memória está também dividido em ‘largura’ (ver mapa anterior) em duas áreas chamadas ‘bancos’. A seleção de um dos bancos é feita por intermédio dos bits RP0 e RP1 do registo STATUS. Exemplo : bcf STATUS, RP0 A instrução BCF “limpa” o bit RP0 (RP0 = 0) do registo STATUS e, assim, coloca-nos no banco 0. bsf STATUS, RP0 A instrução BSF põe a um, o bit RP0 (RP0 = 1) do registo STATUS e, assim, coloca-nos no banco 1. Normalmente, os grupos de instruções muito usados são ligados numa única unidade que pode ser facilmente invocada por diversas vezes num programa, uma unidade desse tipo chama-se genericamente Macro e, normalmente, essa unidade é designada por um nome especifico facilmente compreensível. Com a sua utilização, a selecção entre os dois bancos torna-se mais clara e o próprio programa fica mais legível. BANK0 macro Bcf STATUS, RP0 ;Selecionar o banco 0 da memória Endm BANK1 macro Bsf STATUS, RP0 ; Selecionar o banco 1 da memória Endm Os locais de memória 0Ch – 4Fh são registos de uso genérico (GPR) e são usados como memória RAM. Quando os endereços 8Ch – CFh são acedidos, nós acedemos também às mesmas localizações do banco 0. Por outras palavras, quando estamos a trabalhar com os registos de uso genérico, não precisamos de nos preocupar com o banco em que nos encontramos! Contador de Programa O contador de programa (PC = Program Counter), é um registo de 13 bits que contém o endereço da instrução que vai ser executada. Ao incrementar ou alterar (por exemplo no caso de saltos) o conteúdo do PC, o microcontrolador consegue executar as todas as instruções do programa, uma após outra. Pilha O PIC16F84 tem uma pilha (stack) de 13 bits e 8 níveis de profundidade, o que corresponde a 8 locais de memória com 13 bits de largura. O seu papel básico é guardar o valor do contador de programa quando ocorre um salto do programa principal para o endereço de um subprograma a ser executado. Depois de ter executado o subprograma, para que o microcontrolador possa continuar com o programa principal a partir do ponto em que o deixou, ele tem que ir buscar à pilha esse endereço e carregá-lo no contador de programa. Quando nos movemos de um programa para um subprograma, o conteúdo do contador de programa é empurrado para o interior da pilha (um exemplo disto é a instrução CALL). Quando são executadas instruções tais como RETURN, RETLW ou RETFIE no fim de um subprograma, o contador de programa é retirado da pilha, de modo a que o programa possa continuar a partir do ponto em que a sequência foi interrompida. Estas operações de colocar e extrair da pilha o contador de programa, são designadas por PUSH (meter na pilha) e POP (tirar da pilha), estes dois nomes 30 provêm de instruções com estas designações, existentes nalguns microcontroladores de maior porte. Programação no Sistema Para programar a memória de programa, o microcontrolador tem que entrar num modo especial de funcionamento no qual o pino MCLR é posto a 13,5V e a voltagem da alimentação Vdd deve permanecer estável entre 4,5V e 5,5V. A memória de programa pode ser programada em série, usando dois pinos ‘data/clock’ que devem ser previamente separados do dispositivo em que o microcontrolador está inserido, de modo a que não possam ocorrer erros durante a programação. Modos de endereçamento Os locais da memória RAM podem ser acedidos direta ou indiretamente. Endereçamento Direto O endereçamento direto é feito através de um endereço de 9 bits. Este endereço obtém-se juntando aos sete bits do endereço direto de uma instrução, mais dois bits (RP1 e RP0) do registo STATUS, como se mostra na figura que se segue. Qualquer acesso aos registos especiais (SFR), pode ser um exemplo de endereçamento direto. Bsf STATUS, RP0 ; Banco 1 movlw 0xFF ; w = 0xFF movwf TRISA ; o endereço do registo TRISA é tirado do código da instrução movwf TRISA Endereçamento Direto Endereçamento Indireto O endereçamento indireto, ao contrário do direto, não tira um endereço do código instrução, mas fá-lo com a ajuda do bit IRP do registo STATUS e do registo FSR. O local endereçado é acedido através do registo INDF e coincide com o endereço contido em FSR. Por outras palavras, qualquer instrução que use INDF como registo, na realidade acede aos dados apontados pelo registo FSR. Vamos 31 supor, por exemplo, que o registo de uso genérico de endereço 0Fh contém o valor 20. Escrevendo o valor de 0Fh no registo FSR, nós vamos obter um ponteiro para o registo 0Fh e, ao ler o registo INDF, nós iremos obter o valor 20, o que significa que lemos o conteúdo do registo 0Fh, sem o mencionar explicitamente (mas através de FSR e INDF). Pode parecer que este tipo de endereçamento não tem quaisquer vantagens sobre o endereçamento direto, mas existem problemas que só podem ser resolvidos de uma forma simples, através do endereçamento indireto. Endereçamento Indireto Um exemplo pode ser enviar um conjunto de dados através de uma comunicação série, usando buffers e indicadores (que serão discutidos num capítulo mais à frente, com exemplos), outro exemplo é limpar os registros da memória RAM (16 endereços neste caso) como se pode ver a seguir. Quando o conteúdo do registo FSR é igual a zero, ler dados do registo INDF resulta no valor 0 e escrever em INDF resulta na instrução NOP (no operation = nenhuma operação). 2.6 Interrupções As interrupções são um mecanismo que o microcontrolador possui e que torna possível responder a alguns acontecimentos no momento em que eles ocorrem, qualquer que seja a tarefa que o microcontrolador esteja a executar no momento. Esta é uma parte muito importante, porque fornece a ligação entre um microcontrolador e o mundo real que nos rodeia. Geralmente, cada interrupção muda a direção de execução do programa, suspendendo a sua execução, enquanto o microcontrolador corre um subprograma que é a rotina de atendimento de 32 Esquema das interrupções no microcontrolador PIC16F84 As interrupções que estão pendentes e que são ignoradas, são processadas quando o bit GIE é posto a ‘1’ (GIE= 1, todas as interrupções permitidas). Quando a interrupção é atendida, o bit GIE é posto a ‘0’, de tal modo que, quaisquer interrupções adicionais sejam inibidas, o endereço de retorno é guardado na pilha e, no contador de programa, é escrito 0004h – somente depois disto, é que a resposta a uma interrupção começa! Depois de a interrupção ser processada, o bit que por ter sido posto a ‘1’ permitiu a interrupção, deve agora ser reposto a ‘0’, senão, a rotina de interrupção irá ser automaticamente processada novamente, mal se efectue o regresso ao programa principal. Guardando os conteúdos dos registos importantes A única coisa que é guardada na pilha durante uma interrupção é o valor de retorno do contador de programa (por valor de retorno do contador de programa entende-se o endereço da instrução que estava para ser executada, mas que não foi, por causa de ter ocorrido a interrupção). Guardar apenas o valor do contador de programa não é, muitas vezes, suficiente. Alguns registos que já foram usados no programa principal, podem também vir a ser usados na rotina de interrupção. Se nós não salvaguardamos os seus valores, quando acontece o regresso da subrotina para o programa principal os conteúdos dos registos podem ser inteiramente diferentes, o que causaria um erro no programa. Um exemplo para este caso é o conteúdo do registo de trabalho W (work register). Se supormos que o programa principal estava a usar o registo de trabalho W nalgumas das suas operações e se ele contiver algum valor que seja importante para a instrução seguinte, então a interrupção que ocorre antes desta instrução vai alterar o valor do registo de trabalho W, indo influenciar diretamente o programa principal. O procedimento para a gravação de registos importantes antes de ir para a subrotina de interrupção, designa-se por ‘PUSH’, enquanto que o procedimento que recupera esses valores, é chamado POP. PUSH e POP são instruções provenientes de outros microcontroladores (da Intel), agora esses nomes são aceites para designar estes dois processos de salvaguarda e recuperação de dados. Como o PIC16F84 não possui instruções comparáveis, elas têm que ser programadas. 35 Uma das possíveis causas de erros é não salvaguardar dados antes de executar um subprograma de interrupção Devido à sua simplicidade e uso frequente, estas partes do programa podem ser implementadas com macros. O conceito de Macro é explicado em “Programação em linguagem Assembly”. No exemplo que se segue, os conteúdos de W e do registo STATUS são guardados nas variáveis W_TEMP e STATUS_TEMP antes de correr a rotina de interrupção. No início da rotina PUSH, nós precisamos de verificar qual o banco que está a ser selecionado porque W_TEMP e STATUS_TEMP estão situados no banco 0. Para troca de dados entre estes dois registos, é usada a instrução SWAPF em vez de MOVF, pois a primeira não afecta os bits do registo STATUS. Exemplo é um programa assembler com os seguintes passos: 1. Verificar em que banco nos encontramos 2. Guardar o registo W qualquer que seja o banco em que nos encontramos 3. Guardar o registo STATUS no banco 0. 4. Executar a rotina de serviço de interrupção ISR (Interrupt Service Routine) 5. Recuperação do registo STATUS 6. Restaurar o valor do registo W Se existirem mais variáveis ou registos que necessitem de ser salvaguardados, então, precisamos de os guardar depois de guardar o registo STATUS (passo 3) e recuperá-los depois de restaurar o registo STATUS (passo 5). 36 A mesma operação pode ser realizada usando macros, desta maneira obtemos um programa mais legível. Os macros que já estão definidos podem ser usados para escrever novos macros. Os macros BANK1 e BANK0 que são explicados no capítulo “Organização da memória” são usados nos macros ‘push’ e ‘pop’. Interrupção externa no pino RB0/INT do microcontrolador A interrupção externa no pino RB0/ INT é desencadeada por um impulso ascendente (se o bit INTEDG = 1 no registo OPTION<6>), ou por um impulso descendente (se INTEDG = 0). Quando o sinal correto surge no pino INT, o bit INTF do registo INTCON é posto a ‘1’. O bit INTF (INTCON<1>) tem que ser reposto a ‘0’ na rotina de interrupção, afim de que a interrupção não possa voltar a ocorrer de 37 2.7 Temporizador Livre TMR0 Os temporizadores são normalmente as partes mais complicadas de um microcontrolador, assim, é necessário gastar mais tempo a explicá-los. Servindo- nos deles, é possível relacionar uma dimensão real que é o tempo, com uma variável que representa o estado de um temporizador dentro de um microcontrolador. Fisicamente, o temporizador é um registo cujo valor está continuamente a ser incrementado até 255, chegado a este número, ele começa outra vez de novo: 0, 1, 2, 3, 4, ...,255, 0,1, 2, 3,..., etc. Relação entre o temporizador TMR0 e o prescaler O incremento do temporizador é feito em simultâneo com tudo o que o microcontrolador faz. Compete ao programador arranjar maneira de tirar partido desta característica. Uma das maneiras é incrementar uma variável sempre que o microcontrolador transvaza (passa de 255 para 0). Se soubermos de quanto tempo um temporizador precisa para perfazer uma contagem completa (de 0 a 255), então, se multiplicarmos o valor da variável por esse tempo, nós obteremos o tempo total decorrido. O PIC16F84, possui um temporizador de 8 bits. O número de bits determina a quantidade de valores diferentes que a contagem pode assumir, antes de voltar novamente para zero. No caso de um temporizador de 8 bits esse valor é 256. Um esquema simplificado da relação entre um temporizador e um prescaler está representado no diagrama anterior. Prescaler é a designação para a parte do microcontrolador que divide a frequência de oscilação do clock antes que os respectivos impulsos possam incrementar o temporizador. O número pelo qual a frequência de clock é dividida, está definido nos três primeiros bits do registo OPTION. O maior divisor possível é 256. Neste caso, significa que só após 256 impulsos de clock é que o conteúdo do temporizador é incrementado de uma unidade. Isto permite-nos medir grandes intervalos de tempo. 40 Diagrama temporal de uma interrupção causada pelo temporizador TMR0 Quando a contagem ultrapassa 255, o temporizador volta de novo a zero e começa um novo ciclo de contagem até 255. Sempre que ocorre uma transição de 255 para 0, o bit TOIF do registo INTCON é posto a '1'. Se as interrupções estiverem habilitadas, é possível tirar partido das interrupções geradas e da rotina de serviço de interrupção. Cabe ao programador voltar a pôr a '0' o bit TOIF na rotina de interrupção, para que uma nova interrupção possa ser detectada. Além do oscilador de clock do microcontrolador, o conteúdo do temporizador pode também ser incrementado através de um clock externo ligado ao pino RA4/TOCKI. A escolha entre uma destas opções é feita no bit TOCS, pertencente ao registo OPTION. Se for selecionado o clock externo, é possível definir o bordo ativo do sinal (ascendente ou descendente), que vai incrementar o valor do temporizador. Utilização do temporizador TMR0 na determinação do número de rotações completas do eixo de um motor Na prática, um exemplo típico que é resolvido através de um clock externo e um temporizador, é a contagem do número de rotações completas do eixo de uma máquina, como por exemplo um enrolador de espiras para transformadores. Vamos considerar que o ‘rotor’ do motor do enrolador, contém quatro polos ou saliências. Vamos colocar o sensor indutivo à distância de 5mm do topo da saliência. O sensor indutivo irá gerar um impulso descendente sempre que a saliência se encontre alinhada com a cabeça do sensor. Cada sinal vai representar um quarto de uma 41 rotação completa e, a soma de todas as rotações completas, ficará registado no temporizador TMR0. O programa pode ler facilmente estes dados do temporizador através do bus de dados. O exemplo seguinte mostra como iniciar o temporizador para contar os impulsos descendentes provenientes de uma fonte de clock externa com um prescaler 1:4. O mesmo exemplo pode ser implementado através de uma interrupção do modo seguinte: O prescaler tanto pode ser atribuído ao temporizador TMR0, como ao watchdog. O watchdog é um mecanismo que o microcontrolador usa para se defender contra "estouros" do programa. Como qualquer circuito eléctrico, também os microcontroladores podem ter uma falha ou algum percalço no seu funcionamento. Infelizmente, o microcontrolador também pode ter problemas com o seu programa. Quando isto acontece, o microcontrolador pára de trabalhar e mantém-se nesse estado até que alguém faça o reset. Por causa disto, foi introduzido o mecanismo de watchdog (cão de guarda). Depois de um certo período de tempo, o watchdog faz o reset do microcontrolador (o que realmente acontece, 42 Registo EECON1 bit 0 RD (bit de controle de leitura) Ao pôr este bit a '1', tem início a transferência do dado do endereço definido em EEADR para o registo EEDATA. Como o tempo não é essencial, tanto na leitura como na escrita, o dado de EEDATA pode já ser usado na instrução seguinte. 1 = inicia a leitura 0 = não inicia a leitura bit 1 WR (bit de controle de escrita) Pôr este bit a '1' faz iniciar-se a escrita do dado a partir do registo EEDATA para o endereço especificado no registo EEADR. 1 = inicia a escrita 0 = não inicia a escrita bit 2 WREN (bit de habilitação de escrita na EEPROM). Permite a escrita na EEPROM. Se este bit não estiver a um, o microcontrolador não permite a escrita na EEPROM. 1 = a escrita é permitida 0 = não se pode escrever bit 3 WRERR ( Erro de escrita na EEPROM). Erro durante a escrita na EEPROM Este bit é posto a '1' só em casos em que a escrita na EEPROM tenha sido interrompida por um sinal de reset ou por um transbordo no temporizador do watchdog (no caso de este estar ativo). 1 = ocorreu um erro 0 = não houve erros bit 4 EEIF (bit de interrupção por operação de escrita na EEPROM completa) Bit usado para informar que a escrita do dado na EEPROM, terminou. Quando a escrita tiver terminado, este bit é automaticamente posto a '1'. O programador tem que repôr a '0' o bit EEIF no seu programa, para que possa detectar o fim de uma nova operação de escrita. 1 = escrita terminada 0 = a escrita ainda não terminou ou não começou. Lendo a Memória EEPROM Pondo a ‘1’ o bit RD inicia-se a transferência do dado do endereço guardado no registo EEADR para o registo EEDATA. Como para ler os dados não é preciso tanto tempo como a escrevê-los, os dados extraídos do registo EEDATA podem já ser usados na instrução seguinte. Uma porção de um programa que leia um dado da EEPROM, pode ser semelhante ao seguinte: 45 Depois da última instrução do programa, o conteúdo do endereço 0 da EEPROM pode ser encontrado no registrador w. Escrevendo na Memória EEPROM Para escrever dados num local da EEPROM, o programador tem primeiro que endereçar o registo EEADR e introduzir a palavra de dados no registo EEDATA. A seguir, deve colocar-se o bit WR a ‘1’, o que faz desencadear o processo. O bit WR deverá ser posto a ‘0’ e o bit EEIF será posto a ‘1’ a seguir à operação de escrita, o que pode ser usado no processamento de interrupções. Os valores 55h e AAh são as primeira e segunda chaves que tornam impossível que ocorra uma escrita acidental na EEPROM. Estes dois valores são escritos em EECON2 que serve apenas para isto, ou seja, para receber estes dois valores e assim prevenir contra uma escrita acidental na memória EEPROM. As linhas do programa marcadas como 1, 2, 3 e 4 têm que ser executadas por esta ordem em intervalos de tempo certos. Portanto, é muito importante desativar as interrupções que possam interferir com a temporização necessária para executar estas instruções. Depois da operação de escrita, as interrupções podem, finalmente, ser de novo habilitadas. Exemplo da porção de programa que escreve a palavra 0xEE no primeiro endereço da memória EEPROM: Recomenda-se que WREN esteja sempre inativo, excepto quando se está a escrever uma palavra de dados na EEPROM, deste modo, a possibilidade de uma escrita acidental é mínima. Todas as operações de escrita na EEPROM ‘limpam’ automaticamente o local de memória, antes de escrever de novo nele ! 46 CAPÍTULO III Conjunto de Instruções Introdução Conjunto de Instruções da Família de Microcontroladores PIC16Cxx Transferência de Dados Instruções Lógicas e Aritméticas Operações de BITs Direcionando o Fluxo do Programa Período de Execução da Instrução Listagem das Palavras - Word list Introdução Já dissemos que um microcontrolador não é como qualquer outro circuito integrado. Quando saem da cadeia de produção, a maioria dos circuitos integrados, estão prontos para serem introduzidos nos dispositivos, o que não é o caso dos microcontroladores. Para que um microcontrolador cumpra a sua tarefa, nós temos que lhe dizer exatamente o que fazer, ou, por outras palavras, nós temos que escrever o programa que o microcontrolador vai executar. Neste capítulo iremos descrever as instruções que constituem o assembly, ou seja, a linguagem de baixo nível para os microcontroladores PIC. Conjunto de Instruções da Família Microcontroladores PIC16Cxx O conjunto completo compreende 35 instruções e mostra-se na tabela que se segue. Uma razão para este pequeno número de instruções resulta principalmente do facto de estarmos a falar de um microcontrolador RISC cujas instruções foram optimizadas tendo em vista a rapidez de funcionamento, simplicidade de arquitetura e compacidade de código. O único inconveniente, é que o programador tem que dominar a técnica “desconfortável” de fazer o programa com apenas 35 instruções. Transferência de Dados A transferência de dados num microcontrolador, ocorre entre o registo de trabalho (W) e um registo ‘f’ que representa um qualquer local de memória na RAM interna (quer se trate de um registo especial ou de um registo de uso genérico). As primeiras três instruções (observe a tabela seguinte) referem-se à escrita de uma constante no registo W (MOVLW é uma abreviatura para MOV a Literal para W), à cópia de um dado do registo W na RAM e à cópia de um dado de um registo da RAM no registo W (ou nele próprio, caso em que apenas a flag do zero é afectada) . A instrução CLRF escreve a constante 0 no registo ‘f’ e CLRW escreve a constante 0 no registo W. A instrução SWAPF troca o nibble (conjunto de 4 bits) mais significativo com o nibble menos significativo de um registo, passando o primeiro a ser o menos significativo e o outro o mais significativo do registo. Instruções Lógicas e Aritméticas De todas as operações aritméticas possíveis, os microcontroladores PIC, tal como a grande maioria dos outros microcontroladores, apenas suportam a subtração e a adição. Os bits ou flags C, DC e Z, são afectados conforme o resultado da adição ou da subtração, com uma única excepção: uma vez que a subtração é executada como uma adição com um número negativo, a flag C (Carry), comporta-se inversamente no que diz respeito à subtração. Por outras palavras, é posta a ‘1’ se 47 *1 Se o porto de entrada/saída for o operando origem, é lido o estado dos pinos do microcontrolador. *2 Se esta instrução for executada no registo TMR0 e se d=1, o prescaler atribuído a esse temporizador é automaticamente limpo. *3 Se o PC for modificado ou se resultado do teste for verdadeiro, a instrução é executada em dois ciclos. 50 CAPÍTULO IV Linguagem de Programação Assembly Introdução Exemplo de Um Programa Escrito Diretivas de Controle • 4.1 #DEFINE • 4.2 include • 4.3 constant • 4.4 variable • 4.5 set • 4.6 equ • 4.7 org • 4.8 end Instruções Condicionais • 4.9 IF • 4.10 ELSE • 4.11 ENDIF • 4.12 WHILE • 4.13 ENDW • 4.14 IFDEF • 4.15 IFNDEF Diretivas de Dados • 4.16 CBLOCK • 4.17 ENDC • 4.18 DB • 4.19 DE • 4.20 DT Configurando Uma Diretiva • 4.21 _CONFIG • 4.22 PROCESSOR Operadores Aritméticos Arquivos Criados Após a Compilação Macros Introdução A capacidade de comunicar é da maior importância nesta área. Contudo, isso só é possível se ambas as partes usarem a mesma linguagem, ou seja, se seguirem as mesmas regras para comunicarem. Isto mesmo se aplica à comunicação entre os microcontroladores e o homem. A linguagem que o microcontrolador e o homem usam para comunicar entre si é designada por “linguagem assembly”. O próprio título não tem um significado profundo, trata-se de apenas um nome como por exemplo inglês ou francês. Mais precisamente, “linguagem assembly” é apenas uma solução transitória. Os programas escritos em linguagem assembly devem ser traduzidos para uma “linguagem de zeros e uns” de modo a que um microcontrolador a possa receber. “Linguagem assembly” e “assembler” são coisas diferentes. A primeira, representa um conjunto de regras usadas para escrever um programa para um microcontrolador e a outra, é um programa que corre num computador pessoal que traduz a linguagem assembly para uma linguagem de zeros e uns. Um programa escrito em “zeros” e “uns” diz-se que está escrito em “linguagem máquina”. 51 O processo de comunicação entre o homem e o microcontrolador Fisicamente, “Programa” representa um arquivo num disco de computador (ou na memória se estivermos a ler de um microcontrolador) e é escrito de acordo com as regras do assembly ou qualquer outra linguagem de programação de microcontroladores. O homem pode entender a linguagem assembly já que ela é constituída por símbolos alfabéticos e palavras. Ao escrever um programa, certas regras devem ser seguidas para alcançar o efeito desejado. Um Tradutor interpreta cada instrução escrita em linguagem assembly como uma série de zeros e uns com significado para a lógica interna do microcontrolador. Consideremos, por exemplo, a instrução “RETURN” que um microcontrolador utiliza para regressar de um subprograma. Quando o assembler a traduz, nós obtemos uma série de uns e zeros correspondentes a 14 bits que o microcontrolador sabe como interpretar. Exemplo: RETURN 00 0000 0000 1000 Analogamente ao exemplo anterior, cada instrução assembly é interpretada na série de zeros e uns correspondente. O resultado desta tradução da linguagem assembly, é designado por um arquivo de “execução”. Muitas vezes encontramos o nome de arquivo “HEX”. Este nome provém de uma representação hexadecimal desse arquivo, bem como o sufixo “hex" no título, por exemplo “correr.hex". Uma vez produzido, o arquivo de execução é inserido no microcontrolador através de um programador. Um programa em Linguagem Assembly é escrito por intermédio de um processador de texto (editor) e é capaz de produzir um arquivo ASCII no disco de um computador ou em ambientes próprios como o MPLAB – que vai ser explicado no próximo capítulo. Linguagem Assembly Os elementos básicos da linguagem assembly são: • Labels (rótulos) • Instruções • Operandos • Directivas • Comentários Um Label (rótulo) é uma designação textual (geralmente de fácil leitura) de uma linha num programa ou de uma secção de um programa para onde um microcontrolador deve saltar ou, ainda, o início de um conjunto de linhas de um programa. Também pode ser usado para executar uma ramificação de um programa (tal como Goto....), o programa pode ainda conter uma condição que 52 Uma vez que estes dados não interessam ao tradutor de assembly, são escritos na forma de comentários. Deve ter-se em atenção que um comentário começa sempre com ponto e vírgula e pode ser colocado na linha seguinte ou logo a seguir à instrução. Depois deste comentário inicial ter sido escrito, devem incluir-se as diretivas. Isto mostra-se no exemplo de cima. Para que o seu funcionamento seja correto, é preciso definir vários parâmetros para o microcontrolador, tais como: - tipo de oscilador - quando o temporizador do watchdog está ligado e - quando o circuito interno de reset está habilitado. Tudo isto é definido na diretiva seguinte: __CONFIG _CP_OFF & _WDT_OFF & _PWRTE_ON & _XT_OSC Logo que todos os elementos de que precisamos tenham sido definidos, podemos começar a escrever o programa. Primeiro, é necessário definir o endereço para que o microcontrolador deve ir quando se liga a alimentação. É esta a finalidade de (org 0x00). O endereço para onde um programa salta se ocorrer uma interrupção é (org 0x04). Como este é um programa simples, é suficiente dirigir o microcontrolador para o início de um programa com uma instrução "goto Main" (Main = programa principal). As instruções encontradas em Main, selecionam o banco 1 (BANK1) de modo a poder aceder-se ao registo TRISB, afim de que o porto B seja definido como uma saída (movlw 0x00, movwf TRISB). O próximo passo é selecionar o banco de memória 0 e colocar os bits do porto B no estado lógico ‘1’ e, assim, o programa principal fica terminado. É preciso, no entanto, um outro ciclo (loop), onde o microcontrolador possa permanecer sem que ocorram erros. Trata-se de um ‘loop’ infinito que é executado continuamente, enquanto a alimentação não for desligada. Finalmente, é necessário colocar a palavra “end" no fim de cada programa, de modo a informar o tradutor de assembly de que o programa não contém mais instruções. Diretivas de Controle 4.1 #DEFINE: Troca de uma porção de texto por outra Sintaxe: #define<nome> [< texto atribuído a nome > ] Descrição: De cada vez que a palavra <nome> aparece no programa, vai ser substituída por <texto atribuído a nome>. Exemplo: #define ligado 1 #define desligado 0 Diretivas similares: #UNDEFINE, IFDEF, IFNDEF 4.2 INCLUDE: Incluir um arquivo adicional num programa Sintaxe: include <<nome_do_arquivo>> include “<nome_do_arquivo>” Descrição: A aplicação desta diretiva faz com que um arquivo completo seja copiado para o local em que a diretiva “include” se encontra. Se o nome do arquivo estiver entre aspas, estamos a lidar com um arquivo do sistema, se não estiver 55 entre aspas, mas sim entre os sinais < >, trata-se de um arquivo do utilizador. A diretiva “include”, contribui para uma melhor apresentação do programa principal. Exemplo: include < regs.h > include “subprog.asm” 4.3 CONSTANT: Atribui um valor numérico constante a uma designação textual Sintaxe: constant < nome > = < valor > Descrição: Cada vez que < nome > aparece no programa, é substituído por < valor > . Exemplo: constant MAXIMO = 100 constant Comprimento = 30 Diretivas similares: SET, VARIABLE 4.4 VARIABLE: Atribui um valor numérico variável à designação textual Sintaxe: variable < nome > = < valor > Descrição: Ao utilizar esta diretiva, a designação textual muda o seu valor. Difere da diretiva CONSTANT no facto de, depois de a directiva ser aplicada, o valor da designação textual poder variar. Exemplo: variable nivel = 20 variable tempo = 13 Diretivas similares: SET, CONSTANT 4.5 SET: Definir uma variável assembly Sintaxe: < nome_variavel > set <valor> Descrição: À variável < nome_variavel > é atribuída a expressão <valor> . A SET é semelhante a EQU, mas com a diretiva SET é possível tornar a definir a variável com outro valor. Exemplo: nivel set 0 comprimento set 12 nivel set 45 Diretivas similares: EQU, VARIABLE 4.6 EQU: Definindo uma constante em assembly Sintaxe: < nome_da_constante > equ < valor > Descrição: Ao nome de uma constante < nome_de_constante > é atribuído um valor < valor > Exemplo: cinco equ 5 seis equ 6 sete equ 7 56 Instruções similares: SET 4.7 ORG: Define o endereço a partir do qual o programa é armazenado na memória do microcontrolador Sintaxe: <rótulo> org <valor> Descrição: Esta é a diretiva mais frequentemente usada. Com esta diretiva nós definimos em que sítio na memória de programa o programa vai começar. Exemplo: Inicio org 0x00 movlw 0xFF movwf PORTB Estas duas instruções a seguir à diretiva 'org', são guardadas a partir do endereço 00. 4.8 END: Fim do programa Sintaxe: end Descrição: No fim do programa, é necessário colocar a diretiva 'end', para que o tradutor do assembly, saiba que não existem mais instruções no programa. Exemplo: movlw 0xFF movwf PORTB end Instruções Condicionais 4.9 IF: Ramificação condicional do programa Sintaxe: if <termo_condicional> Descrição: Se a condição em <termo_condicional> estiver satisfeita, a parte do programa que se segue à diretiva IF, deverá ser executada. Se a condição não for satisfeita, então é executada a parte que se segue às diretivas ELSE ou ENDIF. Exemplo: if nivel = 100 goto ENCHER else goto DESPEJAR endif Directivas similares: ELSE, ENDIF 4.10 ELSE: Assinala um bloco alternativo se a condição termo_condicional presente em 'IF' não se verificar Sintaxe: Else Descrição: Usado com a diretiva IF como alternativa no caso de termo_condicional ser falso. Exemplo: if tempo < 50 goto DEPRESSA else 57