FundamentosdeHardware

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Fundamentos de hardware
David De´harbe
DIMAp – UFRN
david@dimap.ufrn.br
Plano da aula
• Motivac¸a˜o;
• Terminologia ba´sica;
• Problemas de poteˆncia;
• Diagramas de temporizac¸a˜o;
• Memo´rias;
• Suma´rio.
Motivac¸a˜o
Um projetista de sistemas embarcados deve frequentemente
• entender o hardware para escrever programas corretos,
• installar os programas no hardware,
• as vezes entender se uma falha e´ causada pelo programa ou pelo
hardware,
• pode ser responsa´vel por verificar diagramas esquema´ticos do
hardware e sugerir correc¸o˜es.
Terminologia I
• pastilhas (chips)
• empacotamento (packaging)
• pinos (pins)
• folhas de dados (data sheets)
• placa impressa (printed circuit boards)
• diagramas esquema´ticos (schematic diagrams)
Terminologia: pastilhas (chips)
• Circuitos eletroˆnicos sa˜o constru´ıdos na forma de pastilhas de
pla´stico ou ceraˆmica.
• As pastilhas geralmente podem ser compradas de um produtor.
• As pastilhas vem em diferentes tipos de empacotamentos.
Terminologia: empacotamento (packaging)
Pastilhas sa˜o empacotadas utilizando diferentes formas:
Terminologia: placa (printed circuit board)
Pastilhas sa˜o interligadas em uma placa de circuitos:
Terminologia: diagramas esquema´ticos (schematic
diagrams)
• Projetistas de hardware registram seu trabalho atrave´s de
diagramas esquema´ticos;
• o diagrama informa os componentes e suas interligac¸o˜es;
• a posic¸a˜o dos componentes e das ligac¸o˜es no diagrama na˜o e´
necessariamente a mesma que na placa.
Terminologia II
1. voltagens;
2. sinais;
3. entradas, sa´ıdas;
4. piloto de sinal;
5. sinal flutuante;
6. conflito de barramento.
Terminologia: voltagens
• Circuitos digitais utilizam so´ duas voltagens para seu
funcionamento:
1. alto (high), ou VCC (Voltage Connected to Collector),
2. e baixo (low) ou terra (ground).
• A voltagem alta geralmente e´ 5V, ou 3,3V e a baixa e´ 0V.
• Na representac¸a˜o de dados e enderec¸os, a voltagem alta
geralmente representa 1, e a baixa representa 0.
Terminologia: sinais
• Ale´m de dados e enderec¸os, sinais podem representar condic¸o˜es.
• Um sinal e´ setado, ou assinalado, se a condic¸a˜o correspondente e´
verdadeira.
• Um sinal e´ assinalado alto, se a voltagem alta representa que a
condic¸a˜o e´ satisfeita.
• Um sinal e´ assinalaado baixo, se a voltagem baixa representa que
a condic¸a˜o e´ satisfeita.
• Quando um sinal e´ acenado baixo, seu nome recebe algum tipo
de decorac¸a˜o: CLR, RDMEM/, ou INT#.
Terminologia: entradas e sa´ıdas
• Pastilhas possuem pinos de sa´ıdas que elas alimentam com uma
certa voltagem.
• Pastilhas possuem pinos de entrada onde elas leˆem a voltagem.
• Quando um mesmo sinal e´ conectado a dois pinos de sa´ıda e que
as voltagens nessas sa´ıdas sa˜o diferentes, ha´ um chamado conflito
de barramento (bus fight), que pode danificar o sistema.
• A parte que controla a voltagem de um sinal pilota aquele sinal.
• Quando nenhum componente pilota um sinal, esse sinal flutua, o
que pode criar problemas, ou na˜o.
Portas
• portas lo´gicas;
• a bolha;
• piloto.
Problemas de poteˆncia
• poteˆncia e decoplagem, capacitores;
• colectores e tri-states;
• sinais flutuantes, resistores;
• sobrecarregamento de sinais;
Diagramas de temporizac¸a˜o
• diagramas de temporizac¸a˜o;
• atraso de propagac¸a˜o;
• transic¸a˜o (subindo/descendo);
• flip-flop D, ou registro;
• latch;
• tempo de setup e de hold ;
• tempo de relo´gio para Q (clock-to-Q);
• relo´gio, osciladores e cristais.
Memo´rias
• memo´ria ROM;
• variantes da memo´ria ROM;
• memo´ria RAM;
• comparac¸a˜o.
Memo´ria ROM – introduc¸a˜o
ROM (Read-Only Memory) e´ um tipo de memo´ria na˜o vola´til, usada
para guardar o software em um sistema embutido.
• O micro-processador pode ler instruc¸o˜es da ROM ta˜o ra´pido
quanto ele pode executa´-las.
• O micro-processador na˜o pode gravar dados na ROM.
• A ROM guarda seu conteu´do, mesmo quando desligada.
Memo´ria ROM – estrutura
• Entradas:
– sinais de enderec¸o;
– sinal de controle chip enable (ou chip select);
– sinal de controle read enable (ou output enable).
• Sa´ıdas: sinais de dados.
Memo´ria ROM – comportamento
1. O microprocessador seta os sinais de enderec¸os;
2. Simultaneamente, o microprocessador seta o sinal de efetivac¸a˜o
da pastilha (chip enable);
3. Um pouco mais tarde, o microprocessador seta o sinal de
efetivac¸a˜o da leitura (read enable);
4. Depois de um atraso de propagac¸a˜o, a ROM pilota os sinais de
dados para o microprocessador;
5. Quando o microprocessador termina de ler os dados, ele pode
desativar os diferentes sinais de ativac¸a˜o.
A ordem de asserc¸a˜o dos sinais pode ser invertida, aumentando
tempo de resposta.
Variantes da ROM – PROM
• A ROM (mascarada) e´ vendida pre´-programada e seu conteu´do
na˜o pode ser alterado;
• a PROM (Programmable ROM) e´ vendida virgem e pode ser
gravada uma u´nica vez atrave´s de um gravador de PROM (custo:
cerca de US$100);
• se o programa gravado tiver um erro, a PROM e´ inutiliza´vel;
• novas verso˜es devem ser gravadas em novas PROMs.
Variantes da ROM – EPROM
• A EPROM (Erasable Programable ROM) pode ser gravada
mu´ltiplas vezes;
• aplicando-se raios ultra-violetos durante 10 a 20 minutos, o
conteu´do de uma EPROM pode ser apagado;
• o apagador/gravador de EPROM utiliza portanto luz
ultra-violeta.
Variantes da ROM – flash
• A memo´ria FLASH pode ser apagada e gravada utilizando sinais
em alguns de seus pinos;
• geralmente, ha´ um limite do nu´mero de regravac¸o˜es que podem
ser feita;
• as caracter´ısticas de memo´rias flash esta˜o evoluindo rapidamente.
Variantes da ROM – EEROM
• A memo´ria EEROM (Electrically Erasable ROM) e´ parecida com
memo´ria flash;
• a leitura e a escrita sa˜o mais lentas;
• a capacidade de estocagem e´ limitada;
• o nu´mero de vezes que a memo´ria pode ser reescrita e´
extremamente elevado (milho˜es de vezes).
Comparac¸a˜o
tecnologia leitura escrita num. escrita
ROM ra´pido N/A 0
PROM ra´pido N/A 1
EPROM ra´pido N/A va´rios
Flash ra´pido lento 10.000
EEROM lento lento 1.000.000
RAM muito ra´pido muito ra´pido infinito
Memo´ria RAM
• RAM (Random Access Memory) e´ um tipo de memo´ria vola´til.
• e´ usada para armazenar os dados;
• a leitura e escrita e´ mais ra´pida que em ROM;
• SRAM (Static RAM) lembra de seus dados sem assisteˆncia de
outras partes do circuito;
• DRAM (Dynamic RAM) deve ser acessada em leitura
regularmente ou perde seus dados;
• circuitos de dynamic RAM refresh evitam esse problema;
• a interface da RAM inclui tambe´m um sinal de efetivac¸a˜o de
escrita (write enable).
Suma´rio
• Semiconductores sa˜o manufaturados em pastilhas e conectados
atrave´s de placas de circuitos;
• engenheiros ele´tricos desenham diagramas esquema´ticos para
especificar os componentes e as conexo˜es de um circuito;
• um sinal digital e´ alto ou baixo, ele e´ setado quando a condic¸a˜o
representada por este sinal e´ verdadeira;
• pastilhas possuem pinos de entrada e de sa´ıda;
• geralmente sinais devem ser pilotados por uma u´nica sa´ıda, mas
podem ser conectadas a mu´ltiplas entradas;
• um nu´mero limitado de entradas podem ser alimentadas por uma
sa´ıda;
• as portas padro˜es implementam func¸o˜es lo´gicas;
• ale´m das entradas e sa´ıdas, pastilhas possuem pinos de
alimentac¸a˜o para VCC e para terra;
• capacitores de decoplamento evitam faltas de energias
tempora´rias nos circuitos;
• um sinal que na˜o e´ pilotado por uma sa´ıda e´ flutuante;
•
um colector aberto pode pilotar um sinal para baixo ou o deixar
flutuar, va´rias colectores abertos podem ser conectados ao
mesmo sinal, que ficara´ baixo se um dos colectores for baixo;
• um tri-state pode pilotar um sinal alto, baixo ou o deixar flutuar,
va´rios tri-state podem ser conectados para um mesmo sinal, mas
so´ um pode pilota´-lo a cada momento;
• pontos nos esquemas indicam sinais que devem ser conectados;
• diagramas de temporizac¸a˜o mostram relac¸o˜es temporais entre
eventos de um circuito;
• as principais informac¸o˜es temporais de uma pastilha sa˜o os
tempos de setup, de hold e de relo´gio para Q;
• flip-flops D sa˜o memo´rias de 1 bit;
• os tipos comuns de memo´ria sa˜o RAM, ROM, PROM, EPROM,
EEROM e flash.