Bem-Vindos ao Mundo de 32 Bits
Dê adeus ao seu velho microcontrolador de 8 bit e diga olá ao novo universo de projetos 32 bit que você pode realizar.
Faz pouco tempo que as empresas de semicondutores perceberam o grande apelo de utilizar um core 32 bit em aplicações eletrônicas de baixo custo baseadas em micro-controladores. Grandes nomes como Texas Instruments, Atmel, Phillips (agora NXP), ST, dentre outros, criaram linhas de micro-controladores de 32 bit com vasta gama de opções de memória e periféricos embarcados. Neste universo de soluções há uma única constante: processadores ARM.
Os COREs ARM viraram padrão no mercado de sistemas embarcados, principalmente pela simplicidade da arquitetura, baixo consumo e por ser vendido como um IP (propriedade intelectual), ou seja, qualquer empresa pode produzir processadores ARM desde que adquira os direitos com a inglesa Advanced RISC Machines (ARM).
Existem várias versões de processadores ARM cada uma voltada para um nicho específico do mercado, podendo ter extensões que permitem executar instruções específicas de DSP e até byte code Java. A versão mais utilizada nos microcontroladores de 32 bit é a ARM7.
Há pouco tempo usar um processador com CORE ARM recente só era possível em projetos mais sofisticados como roteadores, thin clients e outros. Com o advento dos microcontroladores ARM é possível criar aplicações de baixo custocom muito mais recursos de processamento.
Iremos fazer uma pequena descrição dos principais aspectos da arquitetura dos processadores ARM7.
O ARM7 é um processador RISC, com pipeline de três estágios e arquitetura de registradores load-and-store. O processador estará sempre ocupado em executar três instruções em diferentes estágios. Enquanto busca a primeira, decodifica a segunda e executa a terceira. Essa arquitetura de pipeline é bem simples e evita os conflitos entre estágios de arquiteturas mais avançadas.
Todo processamento de dados é feito utilizando os registradores da CPU, isto implica que se deve carregar da memória toda variável que for utilizada para processamento.
O processador ARM7 possui sete diferentes modos de execução. Partes desses modos são usadas para tratamento de exceções e de interrupções. Um sistema operacional pode utilizar os modos privilegiados para executar códigos de sistema e deixar as aplicações restritas no modo usuário. Abaixo segue uma pequena descrição de cada modo.
| modo | descrição |
|---|---|
| Usuário | Execução normal de programas |
| Sistema | Executa rotinas privilegiadas do Sistema Operacional |
| Supervisor | Modo protegido para o Sistema Operacional |
| IRQ | Tratamento de interrupções de comuns |
| FIQ | Tratamento de interrupções rápidas |
Abort
| Usado para implementar memória virtual ou proteção de memória |
| Indefinido | Suporta a emulação em software de co-processadores |
Alguns modos possuem registradores específicos o que facilita a troca de contexto entre eles. Na figura acima, os registradores marcados são fisicamente diferentes dos mesmos registradores nos outros modos.
São dezesseis registradores de trabalho, sendo que três possuem propósitos especiais. O R13 é o ponteiro da pilha (SP), o R15 é o contador de programa e o R14 é um registrador especial que guarda o endereço de retorno das chamadas de sub-rotinas.
O CPSR é o registrador de estado do processador ARM, na figura acima vemos sua configuração. É possível verificar os flags de resultado de operações aritméticas, interrupções, interrupções rápidas, modo ARM/THUMB e os modos de operação.
O modo THUMB é um modo especial que transforma o processador ARM em um CORE 16 bit, aumentando o espaço disponível na memória de programa. Essa mudança pode ser feita em tempo de execução, dessa forma o ARM7 possui dois conjuntos de instruções um de 32 bit e outro de 16 bit. O segundo conjunto é mais simples que o primeiro, mas continua processando dados em 32 bit. Todos os registradores no modo THUMB continuam sendo acessados como 32 bit.
As instruções ARM fornecem diversas funcionalidades interessantes, uma delas é a execução condicional de todas as instruções. Os quatro últimos bits de cada instrução são comparados com os bits de estado do registrado CPSR, caso a comparação seja negativa a instrução é executada como um NOP. Dessa forma é minimizado o impacto das instruções de decisão no funcionamento do pipeline.
Podem-se realizar comparações sem precisar realizar saltos dependendo do resultado e assim evitando descarregar o conteúdo do pipeline.
Neste artigo, vimos a tendência do uso de processadores de 32 bit em aplicações embarcadas mais simples e discutimos um pouco sobre a arquitetura do processador ARM7, que é o padrão para este tipo de aplicações.
Em uma próxima oportunidade, iremos falar sobre as ferramentas de desenvolvimento livres existentes para arquitetura ARM para compilação e simulação.
Para mais informações sobre processadores e microcontroladores ARM, procure por:
- ARM7Tdmi Technical Reference Manual, ARM
- ARM Architecture Reference Manual, D. Seal
- ARM System Developer’s Guide, A. Sloss
- ARM system-on-chip architecture, S. Furber
- The Insider’s Guide to the Phillips ARM7 based Microcontrollers, Trevor Martin
