Etude et application d`un système à base du

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République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université de Batna
Faculté des Sciences de l’Ingénieur
Département d’électronique
Mémoire
Pour Obtenir le diplôme de
Magister en électronique
Option : Microélectronique, IC Design
Présenté et soutenu publiquement par :
Mr BELKHEIRI Ahmed
Ingénieur d’État en Électronique de l’Université de Laghouat
Thème
Etude et application d’un système à base du processeur
ARM (Advanced RISC Machine)
Soutenu le 18/04/2007 24.11.2004.
Devant le Jury composé de :
Dr. F. HOBAR Prof. U. Constantine Président
Dr. N. BOUGUECHAL Prof. U. Batna Rapporteur
Dr. Z. DIBI M.C. U. Batna Examinateur
Dr. A. BENHAYA M.C. U. Batna Examinateur
Promotion 2003

Dédicaces
A la mémoire de mon cher frère ABBA Slimane. Que Dieu le tout-puissant
accorde au défunt Sa Sainte Miséricorde et l’accueille en Son Vaste
Paradis …
A mes chers parents qui méritent toutes les expressions de remerciement,
de considération et de reconnaissance…
A celle qui m’a tout donnée…et qui m’a comblé de tendresse et de
bonheur; à ma chère femme M…
A mes gosses Mahdi Salah-Eddine et Mohammed dheaâ-eddine…
A mes très chers frères et sœurs pour leurs aides précieuses et leurs
encouragements…
A tous mes ami(e)s du laboratoire de microélectronique, de la cité
universitaire de Kechida, et d’Elassafia…
A l’ensemble du personnel de la TDA…
Je dédie ce modeste travail
Ahmed…

Remerciements
En premier lieu louange à dieu de nous voir éclairé sur le chemin
droit… de nous avoir accordé la connaissance de la science.
Je tien à remercier très fortement le docteur BOUGUECHAL Nour-
Eddine professeur à l’université de BATNA (Institut d’électronique),
d’avoir accepter de m’encadrer et diriger ce travail. Qu’il trouve ici ma
profonde reconnaissance pour les conseils qu’il n’a pas cessé de me
prodiguer.
Mes remerciements vont aux membres de jury d’avoir accepter
d’examiner et juger ce travaille :
Le professeur F. HOBAR à l’université de Constantine, pour
l’honneur qu’il ma fait en acceptant de présider le jury.
Les docteurs Z. DIBI, A. BENHAYA Maîtres de conférence, à
l’université de BATNA, pour avoir accepter d’examiner ce travail.
J’exprime ma vive reconnaissance envers Mr L. SAIDI directeur
Adjoint à la PG à l’université de BATNA (Institut d’électronique), et touts
les enseignants qui ont collaborés à notre formation sans exception
Mes sincères remerciements vont également à Mr M. BELKHEIRI
chargé de cours à l’université de Laghouat, pour leur aide.
Ahmed…

I
Résumé
Le but de ce travail est de se familiariser et d’étudier en détail l’architecture et la structure
interne du processeur ARM, l’un des processeurs très performants (haute vitesse d’exécution, faible
consommation, surface de silicium assez réduite), afin d’être en mesure d’utiliser ce processeur
notamment dans les systèmes sur chip (SOC) ou la consommation doit être aussi faible que possible
afin d’économiser l’énergie électrique.
On a présenté dans le 1er chapitre les concepts CISC, RISC et les techniques de faible
consommation. Les chapitres 2 et 3 sont consacrés pour l’étude des processeurs ARM, concernant
la structure interne, les types des processeurs ARM et le jeux d’instruction. Le 4eme chapitre est
dédié au développement d’un système a base du processeur ARM.
Mots clés : CISC, RISC, ARM, pipeline, super-scalaire, MIPS/Watt, thumb, macrcelle soft, CMOS,
routage, placement, compilation de silicium, JTAG, bus AMBA.
The purpose of this work is to get acquainted and to study in detail the architecture and the
internal structure of the processor ARM, one of the very successful processors (high speed of
execution, low consumption, reduced enough surface of silicon), to be capable of using this
processor notably in systems on chip (SOC) or consumption must be as weak as possible to save
electrical energy.
We have presented in the 1st chapter the concepts CISC, RISC and techniques of low
consumption. Chapters 2 and 3 are dedicated for the study of processors ARM, concerning internal
structure, types of processors ARM and instruction set. The 4th chapter is dedicated to the
development of a system based on the ARM processor.
Keywords: CISC, RISC, ARM, pipeline, super scalar, MIPS / WATT, thumb, macrcelle soft, CMOS.
Routing, placement, silicon compilation, JTAG, bus AMBA

II
SOMMAIRE
RESUME……………………………………………………………………………………….…….I
SOMMAIRE …………………………………………………………………………………..…….II
INTRODUCTION GENERALE………..……………………………......................................... 1
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES CONCEPTS CISC ET RISC
I.1 INTRODUCTION………………….…………………………………………………………..
I.2 LES INSTRUCTIONS SIMPLES ET COMPLEXES………………….……………………..
I.3 LE MICROCODE DES PROCESSEURS CISC………………………………….……………
I.3.1 Avantages ………………………………………...… ……………………………………
I.3.2 Inconvénients ……………………………………………............................................. .. ….
I.4 SUPPRESSION DU MICROCODE AVEC LE RISC ……….................................................
I.5 LA LONGUE MARCHE VERS LE RISC ……………………………………………………
I.6 COMPARAISON ENTRE LES PROCESSEURS RISC ET CISC ………………………….
I.7 QUELQUES ARCHITECTURES UTILISEES DANS LA CONCEPTION DES µ P………
I.7.1 Architecture uniprocesseur ……………………………………………………..…………....
I.7.2 Architectures parallèles……………………………………………………………...............
I.8 LE FONCTIONNEMENT EN PIPELINE ET SUPERSCALAIRES………………………….
I.8.1 Le fonctionnement en pipeline ……………………………………………………………
I.8.2 Fonctionnement superscalaire ………………………………………………..……………
I.9 CONCEPTION D’UN TRES SIMPLE PROCESSEUR (MU0)………………………………
I.9.1 Le jeu d’instruction du MU0 ……………………………………………………………….
I.9.2 Exemple d’exécution d’un programme simple…………………………………………….
I.9.3 Remarques …………………………………………………………………………………
I.10 CIRCUITS ELECTRIQUE INTERNES DES MICROPROCESSEURS ……………………
I.10.1 Multiplexeurs ………………………………………………………………..……..........
I.10.2 Démultiplexeurs ……………………………………………………………..……..........
I.10.3 Codeurs et transcodeurs……………………………………………………………... …..
I.10.4 Bascules………………………………………………………………….………………..
I.10.5 Les mémoires …………………………………………………………………………….
I.10.6 Les registres ……………………………………………………………….....................
I.11 CONCEPTION POUR UNE CONSOMMATION ELECTRIQUE FAIBLE……………….….
I.11.1 Les composants de l’énergie de circuit CMOS…………………………………………..
I.11.2 puissance des circuits CMOS……………………………………………………..……..
I.11.3 Conception de circuit à puissance réduite …………………………………………...….
I.11.4 Réduction de Vdd………………………………………………………………………..
I.12 CONCLUSION……………………………………………………………………..…………
CHAPITRE II : STRUCTURE ET ORGANISATION INTERNE
DU PROCESSEUR ARM
II.1 INTRODUCTION………………………………………………………………………………………
II.2 ORGANISATION INTERNE DU PROCESSEUR ARM ………...........................................
II.2.1 Pipeline à 3 étages ………………………………………................................................ .
II.2.2 Pipeline à 5 étages ………………………………………………………………………..…
II.3 EXECUTION DES INSTRUCTIONS DU ARM ……………………………………………
II.3.1 Instruction de traitement de données ………………………………………………..…..
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