Les Microprocesseurs – Vue Historique 1690 : Pascal invente la machine à calculer entièrement mécanique (addition et soustraction) 1800 : Jacquart invente le métier à tisser avec cartes perforées. 1810 : Invention de l'orgue de barbarie (succession de cartes perforées). 1940 : Premier ordinateur à relais mécaniques (Navy) 1946 : Premier ordinateur à tubes à vide (1800). (grande dissipation : 150 kw, problème de rendement et de fiabilité) 1948 : Progrès de la physique quantique avec découverte de l'effet transistor. 1950 : Réalisation des premières mémoires à ferrites. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 1 Les Microprocesseurs – Vue Historique 1958 : Développement du premier circuit intégré (4 à 5 tr/puce). 1964 : Ordinateur à transistors (à base de circuits TTL : 50 transistors dans une puce) 1970 : Premiers circuits L.S.I.- naissance du premier microprocesseur 4 bits avec 1000 transistors sur une puce. 1975 : Naissance du microprocesseur Motorola 6800 (8 bits) . 1980 : Apparition du microprocesseur 16 bits avec 50000 transistors sur la puce. 1984 : Apparition du microprocesseur 32 bits avec un million de transistor sur la puce. 1994 : Apparition du Pentium avec 3,5 millions de transistors. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 2 Les Microprocesseurs – Vue Historique 1971 : le premier microprocesseur d'Intel 4 bits et d'une puissance faible l'idée de le transformer en calculatrice fut trouvée. 1978 : arrivée du 8088 multiplie déjà la puissance de calcul par 200 naissance des véritables micro-ordinateurs Ensuite : Arrivée des microprocesseurs 68000 et 80286 (16 bits) avec Macintosh et P.C. Introduction de l'image et du son. Ensuite : C’est la course à la puissance de calcul. Chaque bond technologique apporte son innovation. presentation préparée par T.S 3 3/10/2019 © tous droits resrvés © 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 4 LOGIQUE CABLEE Les premiers automatismes étaient réalisés à partir de la logique câblée. Les systèmes à logique câblée sont conçus à l'aide de circuits intégrés logiques. Certains de ces circuits font appel à : La logique combinatoire où les sorties sont définis uniquement à partir des variables d'entrée. D’autres font appel à la logique séquentielle où les sorties dépendent toujours des entrées mais aussi des états antérieurs. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 5 LOGIQUE PROGRAMMEE Le microprocesseur donne naissance au principe de la logique programmée. Le fonctionnement n'est plus défini par un ensemble de circuits logiques, câblés entre eux, mais par une suite ordonnée d'instructions stockées en mémoire et gérées par cet élément. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 6 LOGIQUE PROGRAMMEE Un programme qui réalise une fonction particulière comprend Une suite d‘instructions. Chaque instruction est constituée de plusieurs microinstructions. Chaque micro-instruction génère plusieurs microcommandes destinées à aiguiller correctement les informations. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 7 LOGIQUE PROGRAMMEE les phases sont commandées par une logique séquentielle synchrone. Les micro-instructions sont stockées sous forme de mots dans une mémoire. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 8 l’architecture interne des microprocesseurs Qu’est-ce qu’un microprocesseur ? noté aussi : ou MPU (Microprocessor unit) CPU (Central Processing Unit) C’est un circuit intégré complexe appartenant à la famille des VLSI (Very Large Scale Intégration) capable d'effectuer séquentiellement et automatiquement des suites d'opérations élémentaires. Il est constitué d’un morceau de silicium dopé. Donc un ensemble de millions/milliards de transistors. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 9 l’architecture interne des microprocesseurs 3/10/2019 C’est un Wafer - Galette de plusieurs processeurs – chaque processeur est de quelques millimètres carrés presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 10 l’architecture interne des microprocesseurs Construit autour de 2 éléments principaux : Une unité de commande Une unité de traitement 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 11 l’architecture interne des microprocesseurs L’unité de commande et ses blocs Elle permet de séquencer le déroulement des instructions. Elle effectue la recherche en mémoire de l'instruction, le décodage de l’instruction codée sous forme binaire. Enfin elle pilote l’exécution de l’instruction. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 12 l’architecture interne des microprocesseurs L’unité de commande et ses blocs Le compteur de programme (PC : Programme Counter) appelé aussi Compteur Ordinal (CO): constitué par un registre dont le contenu est initialisé avec l'adresse de la première instruction. Il contient toujours l’adresse de la prochaine instruction à exécuter. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 13 l’architecture interne des microprocesseurs L’unité de commande et ses blocs Le registre d'instruction et le décodeur d'instruction : Chacune des instructions à exécuter est transférée depuis la mémoire dans le registre instruction puis est décodée par le décodeur d’instruction. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 14 l’architecture interne des microprocesseurs L’unité de commande et ses blocs Bloc logique de commande (ou séquenceur) : Il organise l'exécution des instructions au rythme d’une horloge. Il élabore tous les signaux de synchronisation internes ou externes (bus de commande) du microprocesseur en fonction de l’instruction qu’il a à exécuter. Il s'agit d'un automate réalisé de façon microprogrammée. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 15 l’architecture interne des microprocesseurs L’unité de traitment et ses blocs Elle regroupe les circuits qui assurent les traitements nécessaires à l'exécution des instructions 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 16 l’architecture interne des microprocesseurs L’unité de traitment et ses blocs Les accumulateurs sont des registres de travail qui servent à stocker une opérande au début d'une opération arithmétique et le résultat à la fin de l'opération. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 17 l’architecture interne des microprocesseurs L’unité de traitment et ses blocs L’Unité Arithmétique et Logique (UAL) : circuit complexe qui assure les fonctions logiques (ET, OU, Comparaison, Décalage, etc…) ou arithmétique (Addition, soustraction…). 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 18 l’architecture interne des microprocesseurs L’unité de traitment et ses blocs Le registre d'état : composé de quelques bits à considérer individuellement. Certains bits sont des indicateurs dont l'état dépend du résultat de la dernière opération effectuée par l’UAL. On les appelle indicateur d’état ou flag ou drapeaux. D’autres bits ont d’autres fonctions telles que la sélection des pages or la mise en marche / arrêt de certaines périphériques 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 19 l’architecture interne des microprocesseurs L’unité de traitment et ses blocs Le registre d'état : Dans un programme le résultat du test de leur état conditionne souvent le déroulement de la suite du programme. On peut citer par exemple les indicateurs de : Retenue (carry : C) Débordement (overflow : V) Zéro (Z) ... 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 20 l’architecture interne des microprocesseurs L’unité de traitment et ses blocs 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 21 l’architecture interne des microprocesseurs 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 22 L’architecture Von Neuman Un seul chemin d'accès à la mémoire Un bus de données (programme et données), Un bus d’adresse (programme et données) Architecture des processeurs d’usage général Goulot d'étranglement pour l'accès à la mémoire 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 23 L’architecture Harvard Séparation des mémoires programme et données Un bus de données programme, Un bus de données pour les données, Un bus d’adresse programme, Un bus d’adresse pour les données. Meilleure utilisation du CPU : Chargement du programme et des données en parallèle 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 24 Le traitement des instructions Les architectures RISC et CISC (1) Architecture CISC (complete Instruction Set Computers) Grand nombre d’instructions (plusieurs dizaines voire centaines ) Permet de réaliser des operations simples (logiques, arithmetiques, ..) Chaque instruction est exécutée en un certain nombre de cycles d’horloge dépendant de l’instruction elle même et aussi du mode d’adressage utilisé. Les X86, 68HC11 sont des circuits CISCs 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 25 Le traitement des instructions Les architectures RISC et CISC (1) Architecture RISC (Reduced Instruction Set Computers) Nombre d’instructions plus faible (quelques dizaines au maximum) Permet de réaliser des operations simples (logiques, arithmetiques, ..) Chaque instruction est execute en un seul cycle d’horloge donc on a une vitesse de calcul très supérieure à celle des CISCs Les MAC, PIC, ALPHA sont des RISCs 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 26 Le traitement des instructions Les architectures RISC et CISC (1) Architecture CISC 3/10/2019 V/S Architecture RISC presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 27 Le traitement des instructions Phase 1 : Recherche de l’instruction en mémoire >> La valeur du PC est placée sur le bus d'adresse par l'unité de commande qui émet un ordre de lecture. >> Après le temps d'accès à la mémoire, le contenu de la case mémoire sélectionnée est disponible sur le bus des données. presentation préparée par T.S 3/10/2019 28 © tous droits resrvés © d’instruction du processeur. >> L'instruction est stockée dans le registre Le traitement des instructions Phase 2 : Décodage et recherche de l’opérande >> L'unité de commande transforme l'instruction en une suite de commandes élémentaires nécessaires au traitement de l'instruction. >> Si l'instruction nécessite une donnée en provenance de la mémoire, l'unité de commande récupère sa valeur sur le bus de données. presentation préparée par T.S 3/10/2019 29 © tous resrvés ©de données. >> L’opérande est stocké dans ledroits registre Le traitement des instructions Phase 3 : Exécution de l’instruction >> Le séquenceur réalise l'instruction. >> Les drapeaux sont positionnés (registre d'état). >> L'unité de commande positionne le PC pour l'instruction suivante. presentation préparée par T.S 3/10/2019 © tous droits resrvés © 30 Définition d’un microcontrôleur Un microcontrôleur est un circuit qui intègre un maximum de fonctions dans un même boitier. L’intégration de ces fonctions dans le même environnement permet de créer des applications plus simplement. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 31 Définition d’un microcontrôleur 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 32 Définition d’un microcontrôleur Un microcontrôleur comporte typiquement : >> Une unité de calcul et de commande >> Mémoire ROM >> Mémoire RAM >> Un contrôleur d’interruption >> Un compteur/temporisateur (timer) >> Des entrées/sorties parallèles (ports) >> Un UART (port série) Il peut aussi posséder : >> Un Watchdog : (surveillance du programme) >> Une sortie PWM (modulation d’impulsion) >> Un CAN/CNA (Convertisseur analogique numérique) presentation préparée par T.S 3/10/2019 © tous droits resrvés © 33 Définition d’un microcontrôleur ROM memory : Aussi appelé (à juste titre) program memory. C’est une mémoire Flash qui contient le programme à exécuter. EEPROM memory : C’est une mémoire similaire à la mémoire programme. En revanche, le contenu peut presentation préparée par T.S 34 © tous droits resrvés © être 3/10/2019 modifié en cours d’utilisation de l’application. Définition d’un microcontrôleur RAM memory : General Purpose Register : Mémoire RAM classique, utiliser pour stocker des variables. SFR (Special Function Register) : C’est aussi de la mémoire RAM, sauf que les rôles de chacune des cases mémoire (registres) ont été définis par le fabriquant. Chaque registre SFR est connecté à un périphérique matériel spécifique et permet de le contrôler. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 35 L’Assembleur Qu’est-ce que l’Assembleur ? L'Assembleur est le langage de programmation de plus bas niveau. Cela signifie qu'il est très proche du matériel. A chaque instruction correspond un code machine, qui peut être compris par le microprocesseur. Le code assembleur est donc la version lisible du code machine. Pourquoi programmer en Assembleur ? S'il est de nos jours impensable de programmer entièrement une application en Assembleur (sauf à des fins d'apprentissage bien sûr), nombreuses situations font que l'on doit avoir recours à ce langage. C'est par exemple le cas lorsque la vitesse est un facteur critique, et que la moindre microseconde est précieuse, ou encore pour écrire un gestionnaire de démarrage (Boot-Loader), etc... Que programmer en Assembleur ? Tout ce qui doit être optimisé au niveau de la taille (si on a que 523 octets de mémoire par exemple, cas de certains microcontrôleurs), de la vitesse d'exécution, ou ne peut pas être fait avec autrepresentation chose que de l'Assembleur (par exemple un driver préparée par T.S 3/10/2019 36 © tous droits resrvés © de disque dur). L’Assembleur Comment connaître le temps d'exécution des fonctions ? Il y a deux méthodes. La première, qui fonctionne dans tous les cas, est de compter le nombre de cycles d'horloge nécessaires à l'exécution de chaque instruction (Dans la documentation du microprocesseur / microcontrôleur). Une fois que l'on connaît le nombre de cycles d'horloge nécessaires, il suffit de le multiplier par la période d'un cycle d'horloge interne (Qui est généralement différente de la période de l'horloge du composant). Par exemple, sur un 68HC11 (Un microcontrôleur de Motorola), on a : LDAA #$FF ; 2 cycles STAA PORTB ; 2 cycles 2+2 = 4 cycles si le Quartz est à 20 MHz fréquence interne : 20 / 4 = 5MHz Période : 1/ (5*10^6) = 500*10^-9 = 500ns 4cycles* 500ns = 2μs La seconde méthode n'est utilisable que si elle est supportée par votre micro. Elle consiste à utiliser les instructions spécifiques à votre micro permettant de mesurer presentation préparée par T.S 3/10/2019 37 © tous droits resrvés © les durées d'exécution. LES MEMOIRES LES MEMOIRES VIVES dans lesquelles ont peut écrire, c’est à dire stocker des informations binaires à des adresses précises, lire ces données à condition d’en connaître l’adresse, les effacer et réécrire. On les appelle généralement mémoires RAM de Random Acces Memory ou mémoire à accès aléatoire. LES MEMOIRES MORTES Les mémoires mortes ou ROM Read Only Memory ou mémoires à lecture seule sont des circuits où les informations sont stockées à la fabrication. Ce type de circuit ne peut répondre qu’à des besoins de caractère général ou pour des applications répétées à un grand nombre d’exemplaires. 3/10/2019 presentation préparée par T.S © tous droits resrvés © 38
