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1 Introduction au processeurs I- Préambule Microprocesseur et microcontrôleur :

1 Introduction au processeurs I- Préambule Microprocesseur et microcontrôleur : éléments incontournables en instrumentation. Progressivement complétés par d'autres composants numériques. Fausse Idée : marché de l'informatique → principal débouché du microprocesseur. L'informatique (monde PC) : dominé par 3 fabricants (Intel, …). Marché du microprocesseur : plusieurs centaines de fabricants → tout autre ordre de grandeur. En 1998 : 99% des microprocesseurs → destinés au marché des systèmes embarqués (c.à.d de l'instrumentation et du contrôle). II- Les processeurs Développement de l'électronique numérique → Apparition de plusieurs types de composants très puissants en instrumentation : • Microprocesseur : généraliste (peut tout faire, mais n’est optimisé pour rien) → Employé préférentiellement dans les systèmes informatiques. → Traite des données de 8, 16, 32, 64 et même 128 bits. → En instrumentation on lui préférera des composants plus spécialisés (plus optimisés et plus performants). • Microcontrôleur → adapté aux applications embarquées → Comporte sur sa puce un certain nombre d'interfaces n'existant pas sur un microprocesseur. → Par contre : généralement moins puissant en terme de rapidité ou de taille de mémoire. → Plus souvent cantonné aux données de 8 ou 16 bits. • Processeur de signal : beaucoup plus spécialisé. → Optimisé pour le traitement du signal. → Non prévu pour accomplir des tâches généralistes de bas niveau. 2 • Composant ASIC ou FPGA : Exploités complémentairement. → Un ASIC : très spécifique d'une application → spécialement développé pour celle-ci. → Le FPGA : destiné à faire n'importe quoi ← l'utilisateur qui devra le configurer → Le FPGA sert à la mise au point, et un fondeur de silicium transcrit ses fonctionnalités en un ASIC figé III- Historique • 1632 Oughtred (GB) invente la règle à calcul • 1642 Pascal (F) imagine sa machine à calculer • 1666 Moreland (GB) identifie la multiplication comme une suite d'additions • 1770 Hahn (D) crée une machine à cylindre • 1820 Babbage (GB) initie ses premiers travaux sur l’automatisation des calculs • 1833 Babbage invente le concept de calculateur programmé (c.à.d enchaînement automatique des opérations) La machine analytique de Charles Babbage • 1847-1854 Boole (GB) imagine l'algèbre de Boole • 1880 Hollerith (USA) invente la carte perforée à l'occasion du premier recensement • 1885 création d'une petite compagnie qui deviendra IBM 3 • 1897 Braun (USA) invente l'oscilloscope • 1906 Lee de Forest (USA) invente la triode • 1920 Morrison (USA) imagine l'horloge à quartz • 1938 Couffignal (F) le père de la numération binaire • 1944 Création de l'ENIAC : première machine électronique (monstre d’environ 18000 tubes électroniques!) L'ENIAC • 1948 Bardeen, Brattain, Shockley (USA) découvrent l'effet transistor aux Bell Labs • 1949 première machine IBM à cartes perforées Pupitre de contrôle d'un ordinateur IBM705 4 • 1960 IBM 7070 • 1962 Dreyfus (F) invente le mot informatique (techniques de traitement automatique de l'information) • 1968 Dreyfus (F) première exploitation d'un système multiprocesseurs (Centre de Calcul Scientifique de l'Armement à Arcueil, machine UNIVAC 7108) • 1972 la compagnie INTEL (USA) invente le microprocesseur 2 ans après le premier circuit intégré • 1986 la même lance le 80386 • 1990 les premiers circuits périphériques configurables (selon le concept FPGA) • 2000 la barrière du GHz est franchie pour des circuits à base de silicium (AMD et Intel). 5 IV- Informatique industrielle Pas de différence de principe entre ordinateur et un micro-système utilisé en informatique industrielle. L'emploi qu'on en fait est différent : Un CRAY est employé à du calcul scientifique ou à de la gestion bancaire, Un micro-ordinateur peut certes faire des calculs, assure la gestion d'un cabinet médical, sera aussi employé à des applications d'informatique industrielle. Un micro-ordinateur peut servir à contrôler un processus industriel ← des périphériques spécifiques : micro- système ou système à microprocesseur. Micro-système 6 Composition d’un système minimal. V- Environnement d’un µP Microprocesseur → composant essentiel d'un micro-système. Présente divers avantages : - moins de composants - modification aisée du programme - consommation réduite. Tout seul un µP ne peut rien faire, c'est comme un moteur de voiture sans roues, sans boite de vitesse et sans carrosserie... Il comporte diverses broches d'entrée/sortie sous forme de bus. 1- L'environnement du µP - Mémoires ROM et RAM : stockage de données et du programme applicatif - Périphériques : autres dispositifs reliés au µP par le biais d'un coupleur d'interface. 7 2- Fonctionnement simplifié du µP a- Constitution Un µP → 3 parties principales : - une unité de contrôle (UCT), - une unité arithmétique et logique (ALU), - un certain nombre de registres, le tout relié par un réseau complexe de bus interne. Structure interne d'un microprocesseur 8 b- Cycle Fetch Un µP sous tension va travailler ← ordre en "levant un drapeau". Le µP peut démarrer. Soit le CP contienne la valeur 0800H (en hexadécimal sur 16 bits) : adresse de la première instruction à effectuer. Pour identifier cet ordre le µP → aller le chercher (to fetch en anglais). En interne le bus du µP est sur 8 bits ⇒ 2 phases pour transmettre une adresse de 16 bits. Soit : • transfert de l'octet de poids faible du CP dans le registre d'adresse, • transfert de l'octet de poids fort du CP dans le registre d'adresse, • envoi d'un ordre de lecture à la mémoire centrale (RD), • attente de WAIT puis, • transfert du contenu du poids faible du CP vers l'ALU, • incrémentation de 1 et retour dans le CP, • transfert du poids fort du CP dans l'ALU et addition de la retenue éventuelle de l'opération précédente, puis retour dans le CP, • simultanément la donnée est transférée de la mémoire vers le registre de données via le bus de données. Ensemble d'opérations : premier cycle machine ou cycle FETCH. 9 Les processeurs Motorola I- Avant-Propos Les premiers produits crées par : Intel, Motorola, Rockwell, Zilog, Texas, NS, Fairchild et bien d’autres 2 géants : Intel et Motorola (concept CISC (Complex Instruction Set Computer)). Coté Motorola : - Les processeurs : 6800 - 6802, 6809, 68000, 68020, 68030 … - Les circuits de la périphérie : PIA 6821, ACIA 6850, DUART 68681, USART … - Les microcontrôleurs : 6805, 68HC11, 68302, 68331, 68332, 68340 ... II- Introduction A- Qu’est-ce qu’un microprocesseur CISC? Les CISC : principale caractéristique → mettre à disposition du programmeur un jeu d’instructions très développé et un choix de modes d’adressage important. B- Architecture de Communication 1- Les signaux Figure 1 10 Le processeur communique avec son environnement en échangeant des données codées sur n bits par exemple : - le niveau électrique 0 V (0 binaire), - le niveau électrique 5 V (1 binaire ⇒ besoin de faire appel à n lignes électriques pour véhiculer les données (Bus de données). n caractérise ce que l’on a coutume d’appeler la « taille du microprocesseur ». Bus de données est bidirectionnel. Le processeur échange avec tout périphérique en le considérant comme un emplacement en mémoire. Afin d’entamer un dialogue avec un périphérique, le processeur doit fournir l’adresse de ce dernier. L’adresse est unique ⇒ une combinaison binaire unique, présente sur le bus d’adresse, un seul emplacement. Figure 2 11 Un troisième bus appelé bus de contrôle assure le contrôle directionnel, temporel et événementiel des échanges. Figure 3- Architecture de communication 2- Le système à microprocesseur Un système est une combinaison entre un microprocesseur et divers périphériques. Son fonctionnement est décrit par un programme dont deux types : - Le programme général (figé) définissant, le fonctionnement des périphériques, - Le programme applicatif (libre) caractérisant l’application en cours de fonctionnement sur la machine. Exemple : micro ordinateur. - Lors de sa mise sous tension, exécute un programme (lié au matériel) qui initialise tous les périphériques, - Ensuite charge, depuis le disque, un système d’exploitation. Le programme figé → mémoire morte ROM (Read only memory) ; Le programme libre pour une application donnée → mémoire vive RAM (Random access memory). Le monde extérieur interagit avec l’application → Interfaces d’entrée/sortie (I/O qui signifie Input Output). 12 Figure 4- Système à microprocesseur C- Le modèle générique de programmation La programmation est une succession d’appels d’instructions auxquelles on attribue des opérandes : Instruction Opérande1, Opérande2, ..., Opérande n Une instruction → micro câblage électronique → délivre en sortie des signaux dépendants des signaux d’entrée. L’ensemble des câblages d’instructions → regroupé dans l’ALU (Arithmétic and Logic Unit). Une instruction → repérée par un code → la localisation ligne-colonne du câblage de l’instruction dans L’ALU. Figure 5- Structure de l'ALU 13 Exemple d’instruction : Un processeur CISC possède un unique bus de données, il ne peut donc effectuer l’opération suivante : Additionner le contenu de la mémoire d’adresse 100 avec le contenu de l’interface de clavier et mettre le résultat dans l’interface d’écran ⇒ faut, simultanément trois emplacements, or il n’en voit qu’un par l’intermédiaire de son bus de données. ⇒ Il utilise pour résoudre ce problème une mémoire interne appelée Registre de données. Soit l’instruction ci-dessus qui est décomposée de la manière suivante : - Transférer le contenu de la mémoire d’adresse 100 uploads/Industriel/ cours-microcontroleur-microprocesseur-47.pdf