Systeme a microproseseur Chapitre1

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CHAPITRE I
Notions de base sur les microprocesseurs
I.1 Historique
En 1941 les allemands construisirent le premier calculateur numérique au monde, le
Zuse Z3. C'était une machine électromécanique (interrupteurs, relais et arbres mécaniques). La
machine utilisait le système de numération binaire. Sa programmation est à base de rubans
perforés.
En 1944 les américains construisirent leur premier calculateur numérique, le Mark I.
C'était toujours une machine électromécanique, mais qui utilisait le système de numération
décimal. La taille de la machine était colossale : 16m x 2,4m x 0,5m. En 1946 l'université de
Pennsylvanie à Philadelphie dévoile au public le premier calculateur électronique, ENIAC.
C'est une machine de 30 tonnes et d'une dimension de 30,5 x 2,4 x 0,9m. La machine utilise le
système de numération décimal et sa programmation se fait par commutateur et recâblage. Le
calculateur utilise près de 18000 tubes à vide. En 1948 IBM construit le premier ordinateur à
programme enregistré, SSEC. Cette même année des chercheurs, aux laboratoires Bell,
inventent le transistor. C'est l'invention la plus importante du XXe siècle.
En 1960 le circuit-intégré est inventé par Texas Instruments et Fairchild. A cette même
date les mini-ordinateurs firent leurs apparition (exemple : PDP1 de Digital Equipment). C'était
une sorte de calculateur programmable. La longueur de mots variait de 8 à 24 bits. Vers 1969
il y a eu standardisation de la longueur de mot à 16 bits pour les miniordinateurs. Les machines
utilisaient surtout les composants discrets, mais commencent à introduire les circuits-intégrés
peu à peu.
En 1971 Intel regroupe toutes les fonctions d'un processeur dans un seul circuit-intégré.
C'est la naissance du premier micro-processeur : le i4004. Avec 2300 transistors sur 10mm2 de

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silicium, il possède la puissance d'un ENIAC. En 1972 Intel fait sortir le premier micro-
processeur 8 bits : i8008. Il intègre 3500 transistors. Deux ans après, Intel fait sortir le premier
micro-processeur à usage général : le i8080. Il était 10 fois plus performant que le i8008 et il y
avait 4500 transistors sur la puce. C'est la base pour les premiers micro-ordinateurs.
En 1978 Intel introduit le 8086, un micro-processeur 16 bits. Son jeu d'instructions est
toujours reconnu par les processeurs d'aujourd'hui (compatible x86). Sa puce de 33mm2
contenait 29000 transistors. Un an plus tard Intel lance la version moins chère du 8086. Le 8088
à bus de données externe de 8bits. IBM l'adopte pour son premier ordinateur personnel (le PC).
Le microprocesseur est un composant électronique qui a totalement révolutionné
l'informatique. On le trouve maintenant dans un nombre croissant de matériels. Le nombre de
transistors dans les microprocesseurs d'aujourd'hui n'a cessé d'augmenter, Il dépasse maintenant
les 7 milliards pour une surface de quelques 700mm2.
I.2 Organisation interne des microprocesseurs
Un microprocesseur est un circuit-intégré regroupant les fonctions d'un processeur. Le
processeur est un circuit programmable qui exécute les instructions et traite les données des
programmes. Un programme est composé d'instructions rangées en mémoire. Le micro-
processeur (CPU) doit lire une instruction de la mémoire puis la décoder (pour comprendre ce
qu'elle lui dit de faire) ensuite l'exécuter.
Figure I.1 Fonctionnement d'un processeur.
De la figure I.1 on en déduit un séquencement de tâches à effectuer par le
microprocesseur. C'est le circuit de commande et de séquencement qui se charge de ce travail.

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Figure I.2 Synoptique simple d'un processeur.
Si on veut regrouper toutes les fonctions d'un processeur sur une seule puce on aura le
schéma de la figure I.3. C'est un microprocesseur avec quatre sections distinctes.
Figure I.3 Le microprocesseur.
Les circuits de commande et de séquencement sont regroupés dans ce qu'on a appelé
Séquenceur. Ce dernier est piloté par une horloge à quartz. L'unité d'exécution est devenue
l'unité arithmétique et logique.
Un registre est une case mémoire logée dans le microprocesseur. Sa capacité peut varier
d’un à plusieurs octets. Pour rechercher une instruction, le microprocesseur doit savoir quelle
est l'adresse de la cellule mémoire à laquelle il doit accéder. Pour cela il dispose d'un registre
appelé registre d'adresses, ou pointeur d'instructions ou compteur ordinal. Le code de
l'instruction ramené de la mémoire est enregistré dans ce qu'on appelle registre d'instructions.
Le compteur ordinal s'incrémente automatiquement pour se préparer à chercher la prochaine

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instruction. Il pointe vers l'instruction suivante. Si l'exécution d'une instruction procure un
résultat, ce dernier sera temporairement enregistré dans un registre appelé accumulateur.
Si chaque tâche élémentaire du microprocesseur est exécutée en un cycle d'horloge
(période) alors pour exécuter une instruction le microprocesseur aura besoin de trois périodes.
Ce temps T est appelé un cycle d'instruction. (Voir figure I.4)
Figure I.4 Horloge et cycles.
Grâce aux progrès de l'intégration, l'augmentation des performances des
microprocesseurs a porté sur :
• la vitesse de fonctionnement.
• la longueur des mots traités (8, 16, 32, 64 bits).
• le nombre et la complexité des opérations réalisables.
• La structure interne
L'unité de mesure de performance des microprocesseurs est le MIPS.
Le microprocesseur i4004 avait 0.06MIPS @ 740KHz, le i8088 avait 0.75MIPS @ 10MHz, le
pentium en avait 188MIPS @ 100MHz et l'un des microprocesseurs récents le i7-5960x en a
238300MIPS @ 3,0GHz.
I.3 Organisation des informations (données, instructions, adresses) et bus
La longueur du mot traité revient souvent à la longueur de la donnée manipulée. Cette
longueur est fixée par le constructeur. De cette taille dépendent aussi la capacité des registres
internes et des bus internes et externes du microprocesseur. Les longueurs de mots usuelles sont
8, 16, 32 ou 64 bits.

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I.3.1 Les bus parallèles
On appelle bus parallèle un ensemble d’équipotentielles électriques qui interconnectent
plusieurs modules à l’intérieur d’un câblage. On voit en figure I.5 comment on représente
graphiquement un bus parallèle de largeur m. Le trait est épaissi par rapport à un signal simple,
et une barre surmontée d’un nombre indique la largeur du bus.
Figure I.5 Les deux représentations graphiques d’un bus parallèle de largeur m.
On montre également en figure I.6 les façons habituelles de représenter sur un schéma
les sous-bus d’un bus donné.
Figure I.6 Exemples de scindements/regroupements de bus.
On trouve des bus parallèles à tous les niveaux d’une architecture d’ordinateur : dans
les structures internes du processeur, entre le processeur et les autres composants présents sur
la carte électronique. Ils peuvent être présents partout où plusieurs composants doivent
échanger des données. Pour que des modules puissent dialoguer sur un même bus, sur le plan
électrique, il faut adopter bien sûr les mêmes tensions d’alimentation, courants de sortie et