COURS ET TRAVAUX PRATIQUES de MICROPROCESSEUR

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’ELECTROTECHNIQUE,
D’ELECTRONIQUE, D’INFORMATIQUE, D’HYDRAULIQUE ET DES
TELECOMMUNICATIONS
DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE - TRAITEMENT DU SIGNAL
COURS ET TRAVAUX PRATIQUES
DE
MICROPROCESSEUR
M.CATTOEN
Janvier 2003
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TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION..................................................................................................................................................3
CHAPITRE I..........................................................................................................................................................5
PRINCIPES GENERAUX DES CALCULATEURS NUMERIQUES .............................................................5
INTRODUCTION..................................................................................................................................................5
I-1 FONCTION MEMOIRE.................................................................................................................................8
I-1-1 DEFINITIONS ....................................................................................................................................................8
I-1-2 ORGANISATION DES MEMOIRES........................................................................................................................8
I-1-2-1 Organisation par bits...............................................................................................................................8
I-1-2-2 Organisation par mots...........................................................................................................................10
I-1-3 CLASSIFICATION DES MEMOIRES ....................................................................................................................11
I-1-3-1 Mémoires mortes ...................................................................................................................................11
I-1-3-2 Mémoires vives ......................................................................................................................................13
I-1-3-3 Association de mémoires .......................................................................................................................16
I-1-3-4 Autres types de mémoire........................................................................................................................17
I-2 L'UNITE DE TRAITEMENT ......................................................................................................................20
I-2-1 STRUCTURE INTERNE .....................................................................................................................................20
I-2-1-1 Rôle de l'ALU.........................................................................................................................................21
I-2-1-2 Registres de données .............................................................................................................................22
I-2-1-3 Registres d'adresses...............................................................................................................................22
I-2-1-4 Unité de commande ...............................................................................................................................23
I-2-2 ASPECT LOGICIEL...........................................................................................................................................24
I-2-2-1 Classification des instructions...............................................................................................................24
I-2-2-2 Format des instructions .........................................................................................................................24
I-2-2-3 Modes d'adressage ................................................................................................................................24
I-2-2-4 Instructions de saut................................................................................................................................28
I-3 LES ORGANES D'ENTREE-SORTIE........................................................................................................30
I-3-1 FONCTIONS DE BASE ......................................................................................................................................30
I-3-1-1 Isolation-Mémorisation .........................................................................................................................30
I-3-1-2 Synchronisation .....................................................................................................................................30
I-3-1-3 Adressage des organes d'E/S.................................................................................................................31
I-3-1-4 Adaptation du format des informations .................................................................................................32
I-3-2 PROCÉDURES D'ÉCHANGE ..............................................................................................................................32
I-3-2-1 Mode programmé par test de mot d'état................................................................................................33
I-3-2-2 Mode programmé par interruption........................................................................................................33
I-3-2-3 Mode en "accès direct mémoire (DMA)"...............................................................................................37
CHAPITRE II ......................................................................................................................................................41
ETUDE DE MICROPROCESSEURS ET D'ORGANES D'ENTREE-SORTIE ..........................................41
II-1 LE MICROCONTROLEUR 8051 ..............................................................................................................41
II-1-1 ORGANISATION EXTERNE .............................................................................................................................41
II-1-1-1 Chronologie des échanges avec la mémoire ........................................................................................42
II-1-2 ORGANISATION INTERNE ..............................................................................................................................45
II-1-3 LES INSTRUCTIONS DU 8051 .........................................................................................................................48
II-1-4 MODES D'ADRESSAGE...................................................................................................................................48
II-1-4-1 Mode implicite......................................................................................................................................48
II-1-4-2 Mode immédiat.....................................................................................................................................49
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II-1-4-3 Mode direct ..........................................................................................................................................49
II-1-4-4 Mode indirect .......................................................................................................................................49
II-1-4-5 Mode indexé .........................................................................................................................................49
II-1-4-6 Mode relatif ..........................................................................................................................................49
II-1-4-7 Opérations spéciales ............................................................................................................................50
II-2 L'INTERFACE PARALLELE 8255 (PROGRAMMABLE PERIPHERAL INTERFACE PPI) ........53
II-2-1 PRESENTATION DU CIRCUIT ..........................................................................................................................53
II-2-1 MODES DE FONCTIONNEMENT ......................................................................................................................54
II-3 LES TRANSMISSIONS SERIE..................................................................................................................57
II-3-1 GENERALITES ...............................................................................................................................................57
II-3-1-1 Communications asynchrones..............................................................................................................57
II-3-1-2 Communications synchrones................................................................................................................58
II-3-2 EXEMPLE D'INTERFACE SERIE : L'ACIA MC 6850........................................................................................59
II-3-2-1 Présentation du circuit (Fig.II-3-2)......................................................................................................59
II-3-2-2 Fonctionnement....................................................................................................................................61
CHAPITRE III.....................................................................................................................................................65
III-1 DESCRIPTION DU MATERIEL DE TRAVAUX PRATIQUES................................................................65
III-2 DESCRIPTION DE LA CARTE MICR0CONTROLEUR 8051..................................................................66
III-3 DESCRIPTION DE LA PLAQUETTE DE TP-CNA...................................................................................67
III-4 TRAVAIL A REALISER..............................................................................................................................69
III-4-1 Utilisation de l’environnement MUVISION ...........................................................................................69
III-4-2 Exercices de programmation..................................................................................................................70
III-4-3 Sortie d’informations..............................................................................................................................71
III-4-4 Conversion analogique-numérique ........................................................................................................72
III-4-5 Acquisition de données...........................................................................................................................73
BIBLIOGRAPHIE...............................................................................................................................................75
ANNEXES ............................................................................................................................................................76
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INTRODUCTION
L'apparition des microprocesseurs date du début des années 1970. A cette époque,
deux événements favorables sont apparus :
- le concept de "LSI (Large Scale Integration)" permettant d'intégrer plusieurs milliers de
portes sur un même substrat,
- l'arrivée à maturité de la technologie MOS caractérisée par sa faible consommation.
La conjugaison de ces événements a permis de regrouper une unité centrale
d'ordinateur dans un seul circuit intégré appelé "microprocesseur".
Depuis, une multitude de composants de ce type sont apparus au sein de familles
provenant essentiellement de grands constructeurs américains : Intel, Motorola, Advanced
Micro Devices (AMD), Texas Instruments,... et japonais : NEC, Mitsubishi,...
Grâce aux progrés de l’intégration, l'augmentation des performances a porté sur :
- la vitesse de fonctionnement,
- la largeur des mots traités (8, 16, 32, 64 bits),
- le nombre et la complexité des opérations réalisables.
L’intégration a également permis de rassembler le microprocesseur et les éléments
associés (mémoire, organes d’entrée-sortie,...) au sein d’un seul circuit appelé
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"microcontrôleur". Ce type de composant s’est répandu dans un très grand nombre de
domaines (télécommunications, télévision, électro-ménager, hifi...).
L'objectif de ce cours est double : présenter les notions de base nécessaires à la
compréhension des systèmes utilisant des microprocesseurs et réaliser des travaux pratiques
permettant de programmer en langage machine (assembleur) une application d’acquisition de
données.
Ce document est divisé en 3 chapitres.
Le premier chapitre présente les principes généraux de fonctionnement des éléments
constituant les calculateurs numériques.
Le deuxième chapitre est consacré principalement à l'étude du microcontrôleur 8051 et
du circuit d’interface parallèle 8255 (PPI) qui seront mis en oeuvre dans les travaux pratiques.
Le troisième chapitre présente le matériel utilisé en travaux pratiques ainsi que les
différents programmes d’application à réaliser.
En annexe sont fournies des spécifications techniques détaillées des composants
utilisés et des informations sur le matériel et le logiciel utilisés en travaux pratiques.
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