chapitre1 par Mr Ben makhlouf - Elearn

UniversitéKasdiMerbah–Ouargla
FacultédesSciencesAppliquées
DépartementGénieElectrique
3èmeAnnéeLicenceenCommandeElectrique
Module:Microprocesseur
Chapitre 1:
Généralités sur l’Architecture des Systèmes à Base
de Microprocesseur
1.1 Définitions
Danscettepartie,nousdécrivonsrapidementl’architecturedebased’unordinateuretles
principesdesonfonctionnement.
Unordinateurestunemachinedetraitementdel’information.Ilestcapabled’acquérirde
l’information,delastocker,delatransformereneffectuantdestraitementsquelconques,puis
delarestituersousuneautreforme.
Lemotinformatiquevientdelacontractiondesmotsinformationetautomatique.Onpeut
définirl’informatiquecommeétantletraitementautomatiquedel’information.
Nousappelonsinformationtoutensemblededonnées.Ondistinguegénéralementdifférents
typesd’informations:textes,nombres,sons,images,etc.,maisaussilesinstructions
composantunprogramme.Dansunordinateur,touteinformationestmanipuléesousforme
binaire(ounumérique).
1.2 Architecturedebased’unordinateur
1.2.1 ModèledeVonNeumann
Pourtraiteruneinformation,unmicroprocesseurseulnesuffitpas,ilfautl’insérerau
seind’unsystèmeminimumdetraitementprogrammédel’information.JohnVonNeumann
estàl'origined'unmodèledemachineuniverselledetraitementprogrammédel’information
(1946).
Cettearchitecture(figure1)sertdebaseàlaplupartdessystèmesàmicroprocesseur
actuel.Elleestcomposéedesélémentssuivants:
‐ uneunitécentrale
‐ unemémoireprincipale
‐ desinterfacesd’entrées/sorties.
Lesdifférentsorganesdusystèmesontreliéspardesvoiesdecommunicationappeléesbus.

Généralitéssurl’ArchitecturedesSystèmesàBasedeMicroprocesseur
2
Figure1:ModèledeVonNeumann.
1.2.2 L’unitécentrale
Elleestcomposéeparlemicroprocesseurquiestchargéd’interpréteretd’exécuterles
instructionsd’unprogramme,delireoudesauvegarderlesrésultatsdanslamémoireetde
communiqueraveclesunitésd’échange.Touteslesactivitésdumicroprocesseursont
cadencéesparunehorloge.
Oncaractériselemicroprocesseurpar:
‐ safréquenced’horloge:enMHzouGHz
‐ lenombred’instructionsparsecondesqu’ilestcapabled’exécuter:enMIPS
‐ latailledesdonnéesqu’ilestcapabledetraiter:enbits.
1.2.3 Lamémoireprincipale
Ellecontientlesinstructionsduoudesprogrammesencoursd’exécutionetlesdonnées
associéesàceprogramme.Physiquement,ellesedécomposesouventen:
‐ unemémoiremorte(ROM=ReadOnlyMemory)chargéedestockerleprogramme.
C’estunemémoireàlectureseule.
‐ unemémoirevive(RAM=RandomAccessMemory)chargéedestockerlesdonnées
intermédiairesoulesrésultatsdecalculs.Onpeutlireouécriredesdonnéesdedans,
cesdonnéessontperduesàlamisehorstension.
Remarque:Lesdisquesdurs,disquettes,CDROM,etc…sontdespériphériquesdestockage
etsontconsidéréscommedesmémoiressecondaires.
1.2.4 Lesinterfacesd’entrées/sorties
Ellespermettentd’assurerlacommunicationentrelemicroprocesseuretles
périphériques.(Capteur,clavier,moniteurouafficheur,imprimante,modem,etc…).
1.2.5 Lesbus
Unbusestunensembledefilsquiassurelatransmissiondumêmetyped’information.On
retrouvetroistypesdebusvéhiculantdesinformationsenparallèledansunsystèmede
traitementprogrammédel’information:

Module:Microprocesseur
3
‐ unbusdedonnées:bidirectionnelquiassureletransfertdesinformationsentrele
microprocesseuretsonenvironnement,etinversement.Sonnombredelignesestégal
àlacapacitédetraitementdumicroprocesseur.
‐ unbusd'adresses:unidirectionnelquipermetlasélectiondesinformationsàtraiter
dansunespacemémoire(ouespaceadressable)quipeutavoir2
n
emplacements,avec
n=nombredelignesdubusd'adresses.
‐ unbusdecommande:constituéparquelquesconducteursquiassurentla
synchronisationdesfluxd'informationssurlesbusdesdonnéesetdesadresses.
1.3 Lemicroprocesseur(µP)
UnµPestuncomposantélectronique,numériqueetprogrammable.
Electronique:unµPestuncircuitintégréconstituéparlescomposantsélectroniquesde
bases.
Numérique:lesentréesetlessortiesaussiquelescommandesauniveauduµPsontdenature
numérique.
Programmable:c’estcettequalitéquirendleµPintelligent.Onpeutmodifierle
comportementd’unsystèmeàbasedeµPenmodifiantleprogrammequ’ilexécute.
Unmicroprocesseurestconstruitautourdedeuxélémentsprincipaux:
‐ Uneunitédecommande
‐ Uneunitédetraitement
Cesunitéssontassociéesàdesregistreschargéesdestockerlesdifférentesinformationsà
traiter.Cesélémentssontreliésentreeuxpardesbusinternepermettantleséchanges
d’informations(figure2).
Figure2:Architecturedebased’unµP.
1.3.1 L’unitédecommande
Ellepermetdeséquencerledéroulementdesinstructions.Elleeffectuelarechercheen
mémoiredel'instruction.Commechaqueinstructionestcodéesousformebinaire,elleen
assureledécodagepourenfinréalisersonexécutionpuiseffectuelapréparationde
l'instructionsuivante.

Généralitéssurl’ArchitecturedesSystèmesàBasedeMicroprocesseur
4
Pourcela,elleestcomposéepar:
‐ lecompteurdeprogramme:constituéparunregistredontlecontenuestinitialisé
avecl'adressedelapremièreinstructionduprogramme.Ilcontienttoujoursl’adresse
del’instructionàexécuter.
‐ leregistred'instructionetledécodeurd'instruction:chacunedesinstructionsà
exécuterestrangéedansleregistreinstructionpuisestdécodéeparledécodeur
d’instruction.
‐ Bloclogiquedecommande(ouséquenceur):Ilorganisel'exécutiondesinstructions
aurythmed’unehorloge.Ilélaboretouslessignauxdesynchronisationinternesou
externes(busdecommande)dumicroprocesseurenfonctiondesdiverssignauxde
commandeprovenantdudécodeurd’instructionouduregistred’étatparexemple.Il
s'agitd'unautomateréalisésoitdefaçoncâblée(obsolète),soitdefaçonmicro‐
programmée,onparlealorsdemicro‐microprocesseur.
1.3.2 L’unitédetraitement
C’estlecœurdumicroprocesseur.Elleregroupelescircuitsquiassurentlestraitements
nécessairesàl'exécutiondesinstructions:
‐ L’UnitéArithmétiqueetLogique(UAL):estuncircuitcomplexequiassureles
fonctionslogiques(ET,OU,Comparaison,Décalage,etc…)ouarithmétique(Addition,
soustraction).
‐ Leregistred'état:estgénéralementcomposéde8bitsàconsidérerindividuellement.
Chacundecesbitsestunindicateurdontl'étatdépenddurésultatdeladernière
opérationeffectuéeparl’UAL.Onlesappelleindicateurd’étatouflagoudrapeaux.
Dansunprogrammelerésultatdutestdeleurétatconditionnesouventle
déroulementdelasuiteduprogramme.Onpeutciterparexemplelesindicateursde:
o retenue(carry:C)
o retenueintermédiaire(Auxiliary‐Carry:AC)
o signe(Sign:S)
o débordement(overflow:OVouV)
o zéro(Z)
o parité(Parity:P)
‐ Lesaccumulateurs:sontdesregistresdetravailquiserventàstockerunopérandeau
débutd'uneopérationarithmétiqueetlerésultatàlafindel'opération.
1.4 Cycled’exécutiond’uneinstruction
Lemicroprocesseurnecomprendqu’uncertainnombred’instructionsquisontcodéesen
binaire.Letraitementd’uneinstructionpeutêtredécomposéentroisphases.
1.4.1 Phase1:Recherchedel'instructionàtraiter
1. LePC(compteurprogramme)contientl'adressedel'instructionsuivantedu
programme.Cettevaleurestplacéesurlebusd'adressesparl'unitédecommandequi
émetunordredelecture.
2. Auboutd'uncertaintemps(tempsd'accèsàlamémoire),lecontenudelacase
mémoiresélectionnéeestdisponiblesurlebusdesdonnées.

Module:Microprocesseur
5
3. L'instructioneststockéedansleregistreinstructionduprocesseur.
1.4.2 Phase2:Décodagedel’instructionetrecherchedel'opérande
Leregistred'instructioncontientmaintenantlepremiermotdel'instructionquipeutêtre
codéesurplusieursmots.Cepremiermotcontientlecodeopératoirequidéfinitlanaturede
l'opérationàeffectuer(addition,rotation,...)etlenombredemotsdel'instruction.
1. L'unitédecommandetransformel'instructionenunesuitedecommandes
élémentairesnécessairesautraitementdel'instruction.
2. Sil'instructionnécessiteunedonnéeenprovenancedelamémoire,l'unitéde
commanderécupèresavaleursurlebusdedonnées.
3. L’opérandeeststockédansunregistre.
1.4.3 Phase3:Exécutiondel'instruction
1. Lemicroprogrammeréalisantl'instructionestexécuté.
2. Lesdrapeauxsontpositionnés(registred'état).
3. L'unitédecommandepositionnelePCpourl'instructionsuivante.
1.5 Jeud’instructions
Lapremièreétapedelaconceptiond’unmicroprocesseurestladéfinitiondesonjeu
d’instructions.Lejeud’instructionsdécritl’ensembledesopérationsélémentairesquele
microprocesseurpourraexécuter.Ilvadoncenpartiedéterminerl’architecturedu
microprocesseuràréaliseretnotammentcelleduséquenceur.Aunmêmejeud’instructions
peutcorrespondreungrandnombred’implémentationsdifférentesdumicroprocesseur.
Lesinstructionsquel’onretrouvedanschaquemicroprocesseurpeuventêtreclasséesen
4groupes:
‐ Transfertdedonnées:pourchargerousauverenmémoire,effectuerdestransferts
deregistreàregistre,etc…
‐ Opérationsarithmétiques:addition,soustraction,division,multiplication
‐ Opérationslogiques:ET,OU,NON,NAND,comparaison,test,etc…
‐ Contrôledeséquence:branchement,test,etc…
1.6 Codaged’instructions
Lesinstructionsetleursopérandes(paramètres)sontstockésenmémoireprincipale.La
tailletotaled’uneinstruction(nombredebitsnécessairespourlareprésenterenmémoire)
dépenddutyped’instructionetaussidutyped’opérande.Chaqueinstructionesttoujours
codéesurunnombreentierd’octetsafindefacilitersondécodageparleprocesseur.Une
instructionestcomposéededeuxchamps:
‐ lecodeinstruction,quiindiqueauprocesseurquelleinstructionréaliser.
‐ lechampopérandequicontientladonnée,oularéférenceàunedonnéeenmémoire
(sonadresse).