circuits numeriques pour interfaces microprocesseur resume

CIRCUITS NUMERIQUES POUR
INTERFACES MICROPROCESSEUR
RESUME
Concevoir une interface matérielle pour un microprocesseur ou
une application spécialisée fait appel à un large éventail de
compétences. A la maîtrise des méthodes traditionnelles des systèmes
logiques doit s’ajouter la connaissance d’un vaste choix de solutions et
d’une technologie en constante évolution.
Les circuits étudiés dans ce livre ne sont pas uniquement
numériques, mais l’optique est toujours d’interconnecter des blocs
fonctionnels n’ayant que des interconnexions logiques les uns avec les
autres. Le terme d’interface a ici essentiellement le sens d’interface
entre un
microprocesseur, ses circuits supports et le monde extérieur. Cet
ouvrage traite à la fois les problèmes de technologie, de connectif, de
choix dans des catalogues volumineux, les méthodes de représentation
et de synthèse ainsi que des solutions des astucieuses.
Cet ouvrage s’adresse aux étudiants de second et troisièmes
cycles des universités et plus largement à tous ceux qui désirent
connaître l’état de l’art du développement des interfaces numériques.
TABLE DES MATIERES
Avant-propos XII
1 Technologies des circuits intégrés 1
1.1 Eléments électroniques 1
1.1.1 Composants passifs 1
1.1.2 Transistors bipolaires 3
1.1.3 Transistors MOS 4
1.1.4 Logique à diode 5
1.1.5 Caractéristiques statiques et dynamiques 5
1.1.6 Dispersion des caractéristiques 6
1.2 Familles logiques principales 6
1.2.1 Famille "74" 6
1.2.2 Evolution 8
1.2.3 Circuits TTL 8
1.2.4 Emetteur et collecteur ouvert 10
1.2.5 Sorties à trois états 11
1.2.6 Circuits CMOS 12
1.2.7 Sorties CMOS ouvertes et à trois états 13
1.2.8 Compatibilité CMOS ‑ TTL 13
1.3 Autres technologies 14
1.3.1 Circuits NMOS 14
1.3.2 Logique dynamique 14
1.3.3 Circuits ECL 15
1.3.4Circuits GaAs 15
1.3.5 Logique fluide et optique 15
1.3.6 Interfaces spéciales 16
1.4 Mise en œuvre 17
1.4.1 Conditions de bon fonctionnement 17
1.4.2 Effet thyristor 17
1.4.3 Problèmes électrostatiques 18
1.5 Réalisations physiques 19
1.5.1 Puces 19

1.5.1 Puces 19
1.5.2 Boîtiers 19
1.5.3 Circuits imprimés 22
2 Systèmes combinatoires 23
2.1 Signaux et fonctions logiques 23
2.1.1 Signaux logiques 23
2.1.2 Logique positive et négative 24
2.1.3 Décomposition d'un système logique 25
2.1.4 Portes logiques 25
2.1.5 Equivalences 26
2.1.6 Importance des règles de dessin 27
2.1.7 Règle des ronds d'inversion 28
2.1.8 Temps de montée et de propagation 30
2.2 Réalisation d'un système combinatoire 31
2.2.1 Expression logique 31
2.2.2 Réalisation avec des transistors 31
2.2.3 Librairie VLSI standard 33
2.2.4 Réseaux pré diffusés 33
2.2.5 Famille "74" 34
2.2.6 Logique programmable 35
2.2.7 PROM 36
2.3 Transformation des fonctions logiques 37
2.3.1 Tables de Karnaugh 37
2.3.2 Exemple 38
2.4 Circuits combinatoires standards 39
2.4.1 Fonctions disponibles 41
2.5 Portes simples 41
2.5.1 Catalogue des portes 42
2.5.2 Exercice 43
2.5.3 Portes spéciales 43
2.6 Portes à entrées spéciales 44
2.6.1 Entrées à faible charge 44
2.6.2 Entrées à seuil d'hystérèse 44
2.6.3 Portes bascules de Schmitt disponibles 44
2.7 Portes à sorties spéciales 45
2.7.1 Sorties musclées 45
2.7.2 Sorties à un état 45
2.7.3 Application des portes en collecteur ouvert 46
2.7.4 Passeurs en collecteur ouvert 46
2.7.5 Sorties à trois états 46
2.7.6 Terminaison des bus 47
2.7.7 Passeurs et muscleurs à trois états 48
2.7.8 Passeurs de commande de lignes 49
2.7.9 Passeurs analogiques 50
2.8 Aiguillages et codeurs 50
2.8.1 Multiplexeurs 50
2.8.2 Décodeurs 51
2.8.3 Décodeurs pour affichages 52
2.8.4 Encodeurs prioritaires 53
2.8.5 Générateurs de parité 54
2.8.6 Détecteurs et correcteurs d'erreurs 54
2.9 Comparateurs et circuits arithmétiques 55
2.9.1 Comparateur parallèle 55
2.9.2 Comparaison série 56
2.9.3 Additionneurs 56
2.9.4 Unités arithmétiques et logiques 56
2.9.5 Report anticipé 57
2.9.6 Multiplieurs 57
2.9.7 Décaleur en barillet 58
2.9.8 Autres circuits 58
3 Systèmes séquentiels 59
3.1 Systèmes séquentiels asynchrones 59
3.1.1 Oscillateurs 59
3.1.2 Bascules bistables SR 59
3.1.3 Arbitre élémentaire 61
3.1.4 Etats métastables 61
3.1.5 Verrou 62
3.1.6 Verrou adressable 63
3.1.7 Conception des systèmes asynchrones 64
3.1.8 Aléa statique 64
3.1.9 Exemple d'application 65
3.2 Bascules synchrones 66
3.2.1 Horloge 66
3.2.2 Remarque 66

3.2.2 Remarque 66
3.2.3 Horloge multiphases 67
3.2.4 Bascule D 68
3.2.5 Convention pour les sorties 68
3.2.6 Condition de bon fonctionnement 69
3.2.7 Probabilité de métastabilité 69
3.2.8 Double synchronisation 71
3.2.9 Bascules D standards 71
3.2.10 Bascules JK 71
3.2.11 Bascules JK standards 73
3.2.12 Bascules SR dynamiques 73
3.2.13 Bascules T 73
3.2.14 Bascules T standards 74
3.2.15 Universalité des bascules D et JK 74
3.2.16 Attrapeur de 1 75
3.2.17 Double bascule 75
3.2.18 Repérage d'une opération 76
3.2.19 Préleveur de période 77
3.3 Synthèse des systèmes séquentiels 78
3.3.1 Synthèse d'un système quasi synchrone 78
3.3.2 Synthèse d'un système synchrone 78
3.3.3 Principe de la méthode 79
3.3.4 Conclusion 80
3.4 Circuits séquentiels complexes 80
3.4.1 Fonctions séquentielles standards 80
3.4.2 Inhibition de l'horloge 81
3.4.3 Remise à zéro asynchrone et synchrone 83
3.4.4 Chargement asynchrone et synchrone 83
3.5 Registres 84
3.5.1 Registres parallèles 84
3.5.2 Registre à relecture 85
3.5.3 Registre série-parallèle 85
3.5.4 Registres dits universels 86
3.5.5 Analyse d'un cas 86
3.6 Compteurs 88
3.6.1 Compteurs asynchrones 88
3.6.2 Compteurs par 2n 88
3.6.3 Compteurs synchrones 89
3.6.4 Compteurs programmables 90
3.6.5 Compteurs à registre 91
3.6.6 Compteurs pseudo aléatoires 91
3.6.7 Multiplieurs programmables 92
3.7 Retards et impulsions 93
3.7.1 Lignes à retard 94
3.7.2 Réseau RC 94
3.7.3 Retards quantifiés 94
3.7.4 Oscillateurs analogiques 95
3.7.5 Oscillateurs à quartz 96
3.7.6 Mono stables 97
3.7.7 Remise à zéro à l'enclenchement 98
3.8 Symboles logiques normalisés 99
3.8.1 Normes principales 99
3.8.2 Norme IEC‑617 / AIEE‑91 101
3.8.3 Conventions de dessin 102
4 Circuits mémoire 105
4.1 Classification 105
4.2 Mémoires mortes 106
4.2.1 Principe 106
4.2.2 Types de ROMs 107
4.2.3 EPROMs standards 108
4.2.4 PROMs standards 110
4.2.5 E2 PROM 110
4.3 Mémoires vives 111
4.3.1 RAM statique 111
4.3.2 Mémoires série 113
4.3.3 Mémoires à double accès 113
4.3.4 Mémoires dynamiques 113
4.3.5 Mémoires vidéo 115
4.3.6 Mémoires SILO 116
4.3.7 Mémoires pile 116
4.3.8 Mémoires associatives 116
5 Logique programmable 117
5.1 Logique régulière 117
5.1.1 Un exemple simple 117

5.1.1 Un exemple simple 117
5.1.2 Solution basée sur un décodeur 118
5.1.3 Solution complètement programmable 119
5.1.4 Solution partiellement programmable 119
5.1.5 Logique à PROMs 120
5.1.6 Logique à PLA 121
5.2 Logique à PLDs 121
5.2.1 PLD simples 121
5.2.2 Simplification des équations logiques pour PLDs 123
5.2.3 Corrections dans une PLD existante 124
5.2.4 Exemple: décodeur pour 68 008 125
5.2.5 Logique séquentielle asynchrone 126
5.2.6 Exemple: bascule de démarrage pour 68008 126
5.2.7 PLDs à sorties à trois états 127
5.2.8 Exemple d'application: remise à zéro du 68 000 128
5.3 PLDs à registre 130
5.3.1 Structure de base 130
5.3.2 Compteur binaire 131
5.3.3 Compteur Gray et spéciaux 132
5.3.4 Horloges indépendantes 133
5.3.5 Astuces 134
5.3.6 Registres enterrés 135
5.3.7 Macro cellules, EPLDs et GALs 135
5.3.8 PLDs existantes 136
5.3.9 PLDs futures 137
6 Interfaces d'entrée-sortie 139
6.1 Entrées logiques 139
6.1.1 Filtrage et isolation galvanique 139
6.1.2 Filtrage numérique 140
6.1.3 Lecture de capteur en tout ou rien 141
6.1.4 Suppression de rebonds de contact 142
6.1.5 Entrées groupées 143
6.1.6 Codeur angulaire 144
6.1.7 Codeur incrémental 145
6.1.8 Codeur angulaire analogique 146
6.2 Entrées analogiques 146
6.2.1 Amplificateur opérationnel 146
6.2.2 Modèle idéal 148
6.2.3 Montages de base 148
6.2.4 Comparateur 149
6.2.5 Amplificateur d'instrumentation 149
6.2.6 Convertisseur A/N 150
6.2.7 Interface série 151
6.2.8 Capteurs analogiques 151
6.2.9 Conversion tension-fréquence 152
6.3 Interfaces de sortie 152
6.3.1 Sorties de microcontrôleur 152
6.3.2 Convertisseurs N/A 153
6.3.3 Commande d'affichages 153
6.3.4 Amplificateurs de puissance 154
6.3.5 Relais 155
6.3.6 Commande de moteurs 155
6.3.7 Commande proportionnelle 157
6.3.8 Moteurs sans collecteur 158
6.3.9 Moteur pas‑à‑pas 158
6.3.10 Alimentation stabilisée 159
7 Test des circuits 161
7.1 Types de test 161
7.1.1 Mise au point 161
7.1.2 Production 161
7.1.3 Maintenance 162
7.2 Aides au test 162
7.2.1 Indicateur logique 162
7.2.2 Oscilloscope 162
7.2.3 Analyseur logique 162
7.2.4 Générateur de fonction 163
7.2.5 Analyseur de signature 163
7.2.6 Testeur industriel 163
7.3 Théorie du test 164
7.3.1 Pannes et fiabilité 164
7.3.2 Testabilité 165
7.3.3 Couverture d'un test 165
7.3.4 Méthodes de test 165
7.4 Conception en vue du test 166
7.4.1 Simulation 166

7.4.1 Simulation 166
7.4.2 Observabilité 167
7.4.3 Commandabilité 167
7.4.4 Etat initial 168
7.4.5 Points de test 168
7.4.6 Multiplexage 168
7.4.7 Chemin de balayage 168
7.4.8 Norme JTAG 169
7.4.9 Analyse par signature 172
7.5 Mise au point des prototypes 172
7.5.1 Test de circuits intégrés 172
7.5.2 Test de cartes imprimées 173
7.5.3 Techniques particulières 174
7.5.4 Tests mémoire 175
7.5.5 Parasites et perturbations 176
7.5.6 Dépannage 177
7.5.7 Conclusion 177
8 Exemples de conception 179
8.1 Séquenceur simple 179
8.1.1 Un générateur de trains d'impulsions 179
8.1.2 Solution avec des décodeurs 180
8.1.3 Elimination des aléas 180
8.1.4 Solution optimisée 182
8.1.5 Solution générale 183
8.2 Diviseur de fréquence 184
8.2.1 Multiplieur programmable 184
8.2.2 Autres solutions 185
8.2.3 Implémentation VLSI 186
8.3 Séquenceur pour remise à zéro répétitive 188
8.3.1 Cahier des charges 188
8.3.2 Solutions possibles 189
8.3.3 Solutions simplifiées 190
8.3.4 Solution complète 191
8.3.5 Optimisation 192
8.4 Double tampon 196
8.4.1 Donnée et options 196
8.4.2 Cahier des charges 197
8.4.3 Première solution asynchrone 198
8.4.4 Seconde solution asynchrone 200
8.4.5 Solution purement asynchrone 201
8.4.6 Synthèse synchrone 202
8.4.7 Synthèse détaillée 203
8.4.8 Solution quasi synchrone 205
8.5 Multiplexage dans une interface microprocesseur 206
8.5.1 Registres et verrous 206
8.5.2 Multiplexeur et démultiplexeur 207
8.5.3 Démultiplexage des sorties 208
8.5.4 Démultiplexage par registre à décalage 208
8.5.5 Démultiplexage par décodeur ou PLD 209
8.5.6 Démultiplexage par verrou adressable 210
8.5.7 Démultiplexage par registre parallèle 210
8.5.8 Multiplexage des entrées 212
8.5.9 Multiplexage avec des aiguillages 213
8.5.10 Multiplexage avec des registres 213
8.5.11 Multiplexage par passeur à trois entrées 214
8.5.12 Multiplexage matriciel 214
8.5.13 Multiplexage d'entrées-sorties 215
8.5.14 Clavier balayé 215
8.5.15 Conclusion 216
Références bibliographiques 217
Annexe: Catalogue de circuits intégrés 219
Table des matières de l'annexe 221
Index des circuits de l'annexe 285
Index français 289
Index anglais 295
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