µP et µC, une introduction

µP et µC : une introduction P. Morenton 25/11/06
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µP ET µC : UNE INTRODUCTION
0) OBJET DE CE DOCUMENT............................................................................................ 6
1) MICROPROCESSEUR ET SYSTÈME À MICROPROCESSEUR...................................... 6
1.1) Généralités ........................................................................................................................... 6
1.1.1) Microprocesseur ou µP.................................................................................................................6
1.1.2) Système à µP ...................................................................................................................................6
1.1.3) Microprocesseur (µP) / microcontrôleur (µC).........................................................................7
1.2) Acquisition, restitution de l’information : entrées/sorties (E/S) d’un système à µP ........ 8
2) PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UN SYSTÈME À µP ......................................... 8
2.1) Instruction, programme....................................................................................................... 8
2.2) Exécution du programme .................................................................................................... 9
3) FLUX DE CONCEPTION .............................................................................................. 10
3.1) Obtention du code binaire................................................................................................ 10
Traducteur.............................................................................................................................................................. 10
Assembleur (Assembler en anglais) ................................................................................................................. 10
Compilateur........................................................................................................................................................... 11
3.2) Essais / Mise au point ........................................................................................................ 11
3.2.1) Essais matériels : Solution à émulateur....................................................................................11
3.2.2) Essais matériels : Autres solutions.............................................................................................12
3.3) Programmation .................................................................................................................. 12
4) STRUCTURE D’UN SYSTÈME MINIMUM À µP ......................................................... 12
4.1) Les constituants d’un système minimum à µP ................................................................. 12
4.2) Les 2 architectures d’un système à µP.............................................................................. 13
5) SYSTÈME MINIMUM À ARCHITECTURE VON NEUMAN........................................ 14
5.1) Structure d’un système minimum..................................................................................... 14
5.2) Fonctionnement simplifié du système minimum ............................................................. 15
5.2.1) Addition..........................................................................................................................................15
Recherche de l’instruction ................................................................................................................................. 15
Exécution de l’instruction ................................................................................................................................... 16
Calcul de l’adresse de l’instruction suivante.................................................................................................. 16
5.2.2) Transfert d’une donnée du µP vers l’extérieur.......................................................................16
Recherche de l’instruction ................................................................................................................................. 17
Exécution de l’instruction ................................................................................................................................... 17
Calcul de l’adresse de l’instruction suivante.................................................................................................. 18
5.2.3) Saut à une adresse .......................................................................................................................19
Recherche de l’instruction ................................................................................................................................. 19
Exécution de l’instruction et calcul de l’adresse de l’instruction suivante.............................................. 19
6) SYSTÈME MINIMUM À ARCHITECTURE HARVARD ................................................ 19
6.1) Structure d'un système minimum ..................................................................................... 19
6.2) Fonctionnement simplifié.................................................................................................. 20
6.2.1) Transfert de la constante dans le registre W..........................................................................20
6.2.2) Transfert constante / exécution -- Addition / Recherche du code....................................21
6.2.3) Addition / Exécution -- Transfert / Recherche du code.....................................................22

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6.2.4) Transfert / Exécution – Saut / Recherche du code...............................................................22
6.2.5) Saut / Exécution............................................................................................................................23
7) ÉLÉMENTS DE LA STRUCTURE INTERNE D’UN MICROPROCESSEUR................... 23
7.1) Organisation interne simplifiée d’un µP........................................................................... 23
7.2) Unité Arithmétique et Logique (UAL) et registres associés............................................. 24
7.2.1) Rôle de l’UAL................................................................................................................................24
7.2.2) Résultat de la dernière opération / Bits d’état.......................................................................25
7.2.3) Opérande(s) et résultat de l’opération / REgistres Associés ..............................................25
7.2.4) Exemples de fonctionnement d’UAL d’un µP Motorola .....................................................25
Addition.................................................................................................................................................................. 26
Décalage sur un mot binaire ............................................................................................................................. 26
7.3) Séquenceur......................................................................................................................... 26
7.3.1) Horloge du séquenceur..............................................................................................................27
7.3.2) durée d’exécution d’une instruction / Cycle machine ........................................................27
7.3.3) Exemple de décomposition en cycle machine......................................................................27
1er cycle machine................................................................................................................................................ 28
2ème cycle machine............................................................................................................................................ 28
7.4) Quelques registres ............................................................................................................. 29
Registre d’adresse ................................................................................................................................................ 29
Compteur Ordinal (CO) ..................................................................................................................................... 29
Registre Instruction (RI)....................................................................................................................................... 30
8) LES INSTRUCTIONS ET LES MODES D’ADRESSAGE ................................................ 30
8.1) Catégories d’instructions................................................................................................... 30
8.2) Nombres d’opérandes ....................................................................................................... 30
8.3) Jeux d’instructions reduit / etendu ................................................................................... 31
8.4) Format des instructions ..................................................................................................... 31
8.5) Modes d’adressage............................................................................................................. 32
8.5.1) Écriture des instructions et des modes d’adressage langage d'assemblage ...................33
8.5.2) Quelques exemples de modes d’adressage...........................................................................33
Adressage inhérent ou implicite...................................................................................................................... 33
Adressage immédiat ............................................................................................................................................ 34
Adressage relatif ................................................................................................................................................... 34
Adressage indexé et utilisation de tableau..................................................................................................... 34
Adressage étendu (Motorola) ........................................................................................................................... 34
Adressage registre (Intel).................................................................................................................................... 35
9) DÉROULEMENT D’UN PROGRAMME....................................................................... 35
9.1) La pile et le déroulement d’un programme...................................................................... 35
9.2) Déroulement normal ......................................................................................................... 37
9.2.1) Déroulement simplifié lors de l’appel d’un sous programme............................................37
9.2.2) Déroulement détaillé...................................................................................................................38
9.2.3) Écriture et appel de sous programme dans le programme source...................................38
9.3) Interruption ........................................................................................................................ 38
9.3.1) Présentation...................................................................................................................................38
9.3.2) Déroulement Simplifié d’une procédure d’interruption......................................................40
9.3.3) Déroulement détaillé...................................................................................................................40
9.3.4) identification des sources d’interruption.................................................................................41
9.3.5) Prise en compte des interruptions............................................................................................42
9.3.6 Traitement des interruptions / Imbrication des interruptions..............................................42

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9.3.7) Priorité des interruptions ............................................................................................................43
Détermination de la priorité d’une interruption ........................................................................................... 43
9.3.8) Les interruptions dans le programme source.........................................................................43
9.3.9 Acquittement d’une interruption ...............................................................................................43
9.4) Lancement du programme et réinitialisation ................................................................... 44
Commande externe de la RàZ..............................................................................................................44
Adresse de départ du programme principal......................................................................................44
9.5) Surveillance du déroulement du programme : le chien de garde................................... 45
Chien de garde externe ...................................................................................................................................... 45
Chien de garde interne ....................................................................................................................................... 45
10) STRUCTURE INTERNE / MODÈLE LOGICIEL D’UN µP OU CPU D’UN µC ......... 46
10.1) Structure interne.............................................................................................................. 46
10.2) Modèle logiciel................................................................................................................. 47
11) LES PRINCIPALES INTERFACES D’UN µP ................................................................ 47
11.1) Introduction ..................................................................................................................... 47
11.2) Connexion d’un boîtier d’interface................................................................................. 48
11.3) Interfaces d’E/S parallèle................................................................................................. 48
11.3.1) Échanges sans protocole de communication......................................................................48
11.3.2) Échanges avec protocoles de communication ...................................................................49
11.4) Interfaces séries................................................................................................................ 49
11.4.1) Généralités ..................................................................................................................................49
11.4.2) Interfaces séries asynchrones..................................................................................................50
11.4.3) Interfaces série synchrones......................................................................................................51
11.5) Convertisseur Analogique Numérique (CAN)................................................................ 52
11.5.1) CAN dans un système à µP.....................................................................................................52
11.5.2) CAN intégré d’un µC ................................................................................................................52
11.5.3) CAN externe pour un µC.........................................................................................................52
11.6) Convertisseur Numérique Analogique (CNA)................................................................ 52
11.6.1) CNA dans un système à µP.....................................................................................................52
11.6.2) CNA dans un µC........................................................................................................................53
11.6.3) CNA externe pour un µC.........................................................................................................53
11.7) COMPTEUR-Temporisateur (Timer) ............................................................................... 53
12) STRUCTURE MATÉRIELLE D’UN SYSTÈME À µP/µC............................................... 54
12.1) Bus d’adresses et bus de données................................................................................... 54
12.1.1) Mode « circuit seul » / mode étendu ....................................................................................54
12.1.2) Multiplexage adresses/données.............................................................................................54
12.2) Composants annexes au µP ou µC et connexions ......................................................... 55
13) STRUCTURE DU PROGRAMME SOURCE EN LANGAGE D’ASSEMBLAGE.......... 57
13.1) Généralités ....................................................................................................................... 57
13.2) Exemple de structure d’un fichier source....................................................................... 58
Structure de la section programme ................................................................................................................. 58
14) RÉSUMÉ ...................................................................................................................... 59
Généralités................................................................................................................................. 59
Flux de conception .................................................................................................................... 59

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Système minimum ..................................................................................................................... 60
Éléments de la structure interne d’un µP................................................................................. 60
Jeu d’instructions......................................................................................................................................61
Modes d’adressage..................................................................................................................................61
Déroulement d’un programme................................................................................................ 62
La pile..........................................................................................................................................................62
Déroulement normal...............................................................................................................................62
Interruption................................................................................................................................................63

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Table des illustrations
Fig. 1 : Système à microprocesseur...............................................................................................................7
Fig. 2 : Exemple de système avec ses E/S .....................................................................................................8
Fig. 3 : Rangement des instructions dans la mémoire programme.........................................................9
Fig. 4 : Cycle de base d’un microprocesseur ...............................................................................................9
Fig. 5 : Conception d’un programme...........................................................................................................10
Fig. 6 : Codes correspondant à l’instruction DEC $4000 du 68HC11.................................................11
Fig. 7 : Architecture Von Neuman................................................................................................................13
Fig. 8 : Architecture Harvard..........................................................................................................................13
Fig. 9 : Système minimum à µP......................................................................................................................14
Fig. 10 : Premier exemple de programme ..................................................................................................15
Fig. 11 : ADDA, recherche du code opération..........................................................................................15
Fig. 12 : ADDA, recherche de l’opérande ..................................................................................................16
Fig. 13 : STAA, recherche du code opération............................................................................................17
Fig. 14 : STAA, recherche du poids fort de l’adresse................................................................................17
Fig. 15 : STAA, recherche du poids faible de l’adresse............................................................................18
Fig. 16 : STAA, exécution de l’instruction ...................................................................................................18
Fig. 17 Système minimum Harvard...............................................................................................................19
Fig. 18 exemple de programme ....................................................................................................................20
Fig. 19 MOVLW, recherche du code instruction......................................................................................21
Fig. 20 : ADDWF, recherche du code instruction / MOVLW, exécution ...........................................21
Fig. 21 : MOWF, recherche du code instruction / ADDWF, exécution..............................................22
Fig. 22 : GOTO, recherche / MOVWF, exécution ...................................................................................22
Fig. 23 : GOTO, exécution.............................................................................................................................23
Fig. 24 : structure d'un µP...............................................................................................................................24
Fig. 25 : UAL et accumulateurs .....................................................................................................................25
Fig. 26 : Addition de l’accumulateur et d’une donnée ............................................................................26
Fig. 27 : Décalage à gauche de l’accumulateur.........................................................................................26
Fig. 28 : Recherche du code opération.......................................................................................................28
Fig. 29 : Recherche de l’opérande................................................................................................................28
Fig. 30 : Calcul puis stockage du résultat....................................................................................................29
Fig. 31 : Codage d’une instruction................................................................................................................31
Fig. 32 : Format des instructions dans les µP 8 bits ..................................................................................32
Fig. 33 : exemple de pile.................................................................................................................................35
Fig. 34 : État de la pile après empilement ...................................................................................................36
Fig. 35 : État de la pile après récupération automatique du PC ............................................................36
Fig. 36 : Exemple d’initialisation de la pile ..................................................................................................36
Fig. 37 : Principe d’une interruption.............................................................................................................39
Fig. 38 : Sauvegarde puis restitution du contexte de A ...........................................................................40
Fig. 39 : liaisons de demandes d’interrupion dans µC .............................................................................41
Fig. 40 : liaisons de demandes d’interruption dans un système à µP ...................................................41
Fig. 41 : Structure interne simplifiée du 80186 d’Intel.............................................................................46
Fig. 42 : modèle logiciel CPU 68HC11 .......................................................................................................47
Fig. 43 : Liaisons avec poignée de main entre interface et périphérique............................................49
Fig. 44 : Émission / réception de données série........................................................................................50
Fig. 45 : Transmission avec horloge réception correcte et incorrecte .................................................51
Fig. 46 : liaison série synchrone.....................................................................................................................51
Fig. 47 : 2 modes de fonctionnement étendu du 80C196 .....................................................................55
Fig. 48 : bus adresses/données et sigaux de contrôle du 80C196 .......................................................55
Fig. 49 : 68HC11 en mode étendu avec mémoire externe....................................................................56