Introduction au processeurs

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Introduction au processeurs
I- Préambule
Le microprocesseur et son compagnon le microcontrôleur sont devenus des
éléments incontournables en instrumentation, mais ils ont progressivement été complétés,
par le biais de diverses approches technologiques, par d'autres composants numériques.
Il faut tout d'abord corriger une idée fausse largement répandue par les médias : ce
n'est pas le marché de l'informatique qui constitue le principal débouché du
microprocesseur. L'informatique, et plus particulièrement le monde PC, est dominé par 3
fabricants de composants électroniques, dont Intel qui se taille actuellement la part du lion.
Mais le marché du microprocesseur, plusieurs centaines de fabricants, est d'un tout autre
ordre de grandeur et en 1998, derniers chiffres connus, 99% des microprocesseurs ont été
destinés au marché des systèmes embarqués, c'est à dire essentiellement de
l'instrumentation et du contrôle.
II- Les processeurs
Le développement de l'électronique numérique a conduit à l'apparition de plusieurs
types de composants très puissants exploités en instrumentation:
• le microprocesseur, c'est un composant généraliste, employé préférentiellement
dans les systèmes informatiques, qui nécessite quelques circuits complémentaires
pour pouvoir dialoguer avec son environnement. Selon les types il peut traiter
directement des données de 8, 16, 32, 64 et même quelquefois 128 bits. Dire que
c'est un composant généraliste cela signifie qu'il peut tout faire, mais n'est optimisé
pour rien. C'est le composant de base de l'informatique, mais en instrumentation on
lui préférera généralement des composants plus spécialisés, donc plus optimisés
pour les tâches qu'on leur confiera, et donc plus performants.
• le microcontrôleur est plus adapté aux applications embarquées car il comporte sur
sa puce un certain nombre d'interfaces qui n'existent pas sur un microprocesseur,
par contre il est généralement moins puissant en terme de rapidité ou de taille de
mémoire adressable et le plus souvent cantonné aux données de 8 ou 16 bits.
• le processeur de signal est beaucoup plus spécialisé. Il est optimisé pour le
traitement du signal, mais n'est pas prévu pour accomplir des tâches généralistes
de bas niveau qu'exécutent les deux précédents.
• le composant ASIC ou FPGA. Ces composants sont souvent exploités
complémentairement : un ASIC est très spécifique d'une application et a été
spécialement développé pour celle-ci, à l'inverse le circuit FPGA est par
construction destiné à faire, a priori, n'importe quoi puisque c'est l'utilisateur qui
devra le configurer pour réaliser une application spécifique. Très souvent le FPGA
sert à la mise au point, et un fondeur de silicium saura ensuite transcrire ses
fonctionnalités en un circuit ASIC figé et a priori de moindre coût. L'un comme
l'autre seront, selon les cas, employés soit en complément, soit en remplacement
d'un processeur.
III- Historique
• 1632 Oughtred en Angleterre invente la règle à calcul
• 1642 Pascal (F) imagine sa machine à calculer
• 1666 Moreland (GB) identifie la multiplication comme une suite d'additions
• 1770 Hahn (D) crée une machine à cylindre
• 1820 Babbage (GB) initie ses premiers travaux
• 1833 Babbage invente le concept de calculateur programmé, c'est à dire
l'enchaînement automatique des opérations

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La machine analytique de Charles Babbage
• 1847-1854 Boole (GB) imagine l'algèbre qui porte son nom
• 1880 Hollerith (USA) invente la carte perforée à l'occasion du premier recensement
• 1885 création d'une petite compagnie qui deviendra IBM
• 1897 Braun (USA) invente l'oscilloscope
• 1906 Lee de Forest (USA) invente la triode
• 1920 Morrison (USA) imagine l'horloge à quartz
• 1938 Couffignal (F) le père de la numération binaire
• 1944 Création de l'ENIAC, la première machine électronique (un monstre
comportant environ 18000 tubes électroniques!)
L'ENIAC
• 1948 Bardeen, Brattain, Shockley (USA) découvrent l'effet transistor aux Bell Labs
• 1949 première machine IBM à cartes perforées
Pupitre de contrôle d'un ordinateur IBM705
• 1960 IBM 7070
• 1962 Dreyfus (F) invente le mot informatique en lui assignant l'ensemble des
techniques de traitement automatique de l'information

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• 1968 Dreyfus (F) première exploitation d'un système multiprocesseurs (Centre de
Calcul Scientifique de l'Armement à Arcueil, machine UNIVAC 7108)
• 1972 la compagnie INTEL (USA) invente le microprocesseur environ 2 ans après le
premier circuit intégré
• 1986 la même lance le 80386
• 1990 les premiers circuits périphériques configurables (selon le concept FPGA)
• 2000 la barrière du GHz est franchie pour des circuits à base de silicium (AMD et
Intel).
IV- Informatique industrielle
Il n'y a pas de différence de principe entre un ordinateur et un micro-système utilisé
en informatique industrielle sinon dans le prix, la taille et la vitesse de traitement qui
impliquent encore aujourd'hui des technologies sensiblement différentes.
Par contre l'emploi qu'on en fait est réellement différent : Un CRAY est employé à
du calcul scientifique ou à de la gestion bancaire, tandis qu'un micro-ordinateur s'il peut
certes faire des calculs ou assurer la gestion d'un cabinet médical sera aussi
essentiellement employé à des applications d'informatique industrielle.
Un micro-ordinateur peut servir à contrôler un processus industriel et pour ce faire il
lui sera adjoint des périphériques spécifiques et l'on parlera volontiers de micro-système
ou système à microprocesseur, dont la figure ci-dessous donne une représentation
schématique.
Micro-système
Ci-dessous, figure la composition d’un système minimal.

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V- Environnement d’un µP
Un microprocesseur est le composant essentiel d'un micro-système. Il présente
divers avantages :- moins de composants
- modification aisée du programme
- consommation réduite. En technologie CMOS avec quelques mW on
peut avoir un système très puissant.
C'est un circuit intégré comportant l'équivalent de 5000 transistors jusqu'à environ 6
millions pour le Pentium de dernière génération, lesquels sont assemblés pour permettre
l'exécution d'opérations arithmétiques ou logiques, de décalages sur des mots binaires, de
comparaisons, prises de décision... Notons que tout seul un µP ne peut rien faire, c'est
comme un moteur de voiture sans roues, sans boite de vitesse et sans carosserie... Il
comporte diverses broches d'entrée/sortie sous forme de bus.
1- Les bus et les signaux de commande
- Le bus d'adresse
- Le bus de données
- Le bus de commandes
2- L'environnement du µP
- Mémoires ROM et RAM : stockage de données et du programme applicatif
- Périphériques : autres dispositifs reliés au µP par le biais d'un coupleur
d'interface.
3- Fonctionnement simplifié du µP
Explication du fonctionnement d'un µP relativement simple (typiquement 8 bits).
a- Constitution
Un µP comporte 3 parties principales : une unité de contrôle, une unité arithmétique
et logique (ALU) et un certain nombre de registres, le tout relié par un réseau complexe de
bus interne muni de nombreux aiguillages.
Structure interne d'un microprocesseur
- L'unité de contrôle UCT décode l’instruction envoyée par la mémoire de
programme et élabore les signaux de commande indispensables au traitement de
cette instruction.

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- L'ALU (unité arithmétique et logique) se charge de l'exécution des opérations
arithmétiques et logiques.
- Les registres sont de deux types : ceux accessibles par le programme et ceux qui
ne le sont pas. Les premiers comportent :
• les registres de données stockant temporairement des informations
• les registres d'adresses qui sont des pointeurs stockant des adresses
importantes, en particulier le registre d'index qui va permettre l'adressage dit
indexé
• le registre d'état comportant différents bits positionnés à 0 ou 1 et indiquant
si le résultat d'une opération est nul, ou négatif, avec ou sans retenue, etc...
• le pointeur de pile est un registre qui pointe vers une zone particulière de la
mémoire appelée pile, décrémenté lors d'un transfert de mot dans la pile et
incrémenté quand un mot est lu. Son rôle est important lors des interruptions.
• le compteur ordinal, encore appelé compteur de programme, qui suit pas à
pas l'exécution d'un programme. Au départ on le charge avec l'adresse de la
première instruction. Pendant que le µP lit cette instruction dans la mémoire,
la décode et l'exécute, le compteur est incrémenté de façon à contenir
l'adresse de la prochaine instruction.
b- Cycle Fetch
Un µP sous tension va travailler, mais seulement si on lui en donne l'ordre en
"levant un drapeau". Ensuite le µP peut démarrer. Admettons que le compteur de
programme (CP) contienne la valeur 0800H (en hexadécimal sur 16 bits). Ce nombre
représente l'adresse de la première instruction à effectuer. Pour identifier cet ordre le µP
va devoir en premier lieu aller le chercher (to fetch en anglais) ce qui implique toute une
succession d'opérations élémentaires. Notons qu'en interne le bus du µP est sur 8 bits, ce
qui va impliquer 2 phases pour transmettre une adresse qui comporte 16 bits. On va donc
avoir les opérations suivantes :
• transfert de l'octet de poids faible du CP dans le registre d'adresse
• transfert de l'octet de poids fort du CP dans le registre d'adresse
• envoi d'un ordre de lecture à la mémoire centrale (RD)
• attente de WAIT puis
• transfert du contenu du poids faible du CP vers l'ALU
• incrémentation de 1 et retour dans le CP
• transfert du poids fort du CP dans l'ALU et addition de la retenue éventuelle de
l'opération précédente, puis retour dans le CP
• simultanément la donnée est transférée de la mémoire vers le registre de
données via le bus de données
Cet ensemble d'opérations constitue le premier cycle machine ou cycle FETCH.
c- Registre d'instruction
Le mot chargé dans le registre d'instruction va être redistribué vers un décodeur
d'adresse interne à l'UCT permettant d'accéder à la MMP (mémoire de micro-programme).
d- Déroulement du micro-programme
• chargement de la donnée dans le registre d'instructions de l'UCT
• décodage, c'est à dire association de cette donnée (8 bits) avec le contenu d'un
compteur par 16 (4 bits) ce qui donne un mot de12 bits
• ce mot sert d'adresse pour la ROM interne du µP (mémoire de micro-programme),
laquelle est constituée de registres de 32 bits.
• le contenu du registre 32 bits correspondant va être envoyé sur un bus à 32 fils.