Systèmes à processeurs

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1 Systèmes à processeurs II2 - Cours : Systèmes à processeurs J. Villemejane - IUT Créteil-Vitry Département GEII Université Paris-Est Créteil Année universitaire /31

2 Plan du cours 1 Organisation générale d un système à processeur 2 Architecture des processeurs Harvard / Von Neuman Unités de calcul Unité de contrôle / commande Séquenceur Registres PIC 16F84 3 Adressage en mémoire 4 Instructions 5 Jeux d instructions PIC 16F84 2/31

3 Organisation générale d un système à processeur Qu est-ce qu un processeur? CPU - Central Processing Unit Le processeur est un composant qui exécute des instructions séquentiellement (programme) à partir de données. Il possède (généralement) : Unité de calcul (UAL) Arithmétique Logique Unité de commande Coordination générale Lecture et décodage des instructions Registres Horloge Mémoire cache 3/31

4 Organisation générale d un système à processeur Système informatique type 4/31

5 Organisation générale d un système à processeur Micro-contrôleur PIC16F84 5/31

6 Architecture des processeurs 6/31

7 Architecture des processeurs Harvard / Von Neuman Programme / Données La suite d instructions à exécuter est contenue dans une partie de la mémoire nommée mémoire-programme. Les données sur lesquelles opère le processeur sont stockées dans la partie mémoire-donnée. 7/31

8 Architecture des processeurs Harvard / Von Neuman Programme / Données La suite d instructions à exécuter est contenue dans une partie de la mémoire nommée mémoire-programme. Les données sur lesquelles opère le processeur sont stockées dans la partie mémoire-donnée. 7/31

9 Architecture des processeurs Unités de calcul Unités de calcul Un processeur est avant tout un organe de calcul intégrant des unités de calcul, pouvant être de plusieurs types : arithmétique et logique (ALU) flottant (FPU) autres Un processeur peut intégrer une ou plusieurs unités de type identique ou différent. Par exemple, l Athlon 64 d AMD embarque 3 ALU et 3 FPU (calculs en parallèle possibles) 8/31

10 Architecture des processeurs Unités de calcul Unités de calcul Un processeur est avant tout un organe de calcul intégrant des unités de calcul, pouvant être de plusieurs types : arithmétique et logique (ALU) flottant (FPU) autres Un processeur peut intégrer une ou plusieurs unités de type identique ou différent. Par exemple, l Athlon 64 d AMD embarque 3 ALU et 3 FPU (calculs en parallèle possibles) 8/31

11 Architecture des processeurs Unité de contrôle / commande Unité de contrôle / commande Unité qui coordonne le fonctionnement des autres éléments dans le but d exécuter une séquence d instructions (le programme). Constituée de plusieurs éléments : Registre d Instruction (RI) : reçoit le code de la prochaine instruction à exécuter Décodeur : à partir du code de l instruction, détermine l opération à exécuter Horloge : pour synchroniser les éléments Compteur Ordinal (CO) : registre contenant l adresse du mot mémoire stockant le code de la prochaine instruction Séquenceur : coordonne le tout 9/31

12 Architecture des processeurs Unité de contrôle / commande Unité de contrôle / commande Unité qui coordonne le fonctionnement des autres éléments dans le but d exécuter une séquence d instructions (le programme). Constituée de plusieurs éléments : Registre d Instruction (RI) : reçoit le code de la prochaine instruction à exécuter Décodeur : à partir du code de l instruction, détermine l opération à exécuter Horloge : pour synchroniser les éléments Compteur Ordinal (CO) : registre contenant l adresse du mot mémoire stockant le code de la prochaine instruction Séquenceur : coordonne le tout 9/31

13 Architecture des processeurs Unité de contrôle / commande Registre d Adresse (RA) : registre contenant l adresse du mot à accéder en mémoire Registre Mémoire (RM) : registre contenant le mot lu ou à écrire en mémoire 10/31

14 Architecture des processeurs Unité de contrôle / commande - Horloge Horloge Définit le cycle de base : cycle machine Utilisée pour synchroniser chaque étape des cycles de recherche et d exécution Le temps d exécution d une instruction n est généralement pas égal au cycle machine, car il faut plusieurs cycles machine pour pouvoir séquentiellement récupérer l instructions, la décoder et récupérer les données qu elle doit traiter. Exemple : sur les micro-controleurs PIC, il faut 4 cycles d horloge (machine) pour exécuter une instruction. 11/31

15 Architecture des processeurs Unité de contrôle / commande - Horloge Horloge Définit le cycle de base : cycle machine Utilisée pour synchroniser chaque étape des cycles de recherche et d exécution Le temps d exécution d une instruction n est généralement pas égal au cycle machine, car il faut plusieurs cycles machine pour pouvoir séquentiellement récupérer l instructions, la décoder et récupérer les données qu elle doit traiter. Exemple : sur les micro-controleurs PIC, il faut 4 cycles d horloge (machine) pour exécuter une instruction. 11/31

16 Architecture des processeurs Séquenceur Séquenceur Automate générant les signaux de commande contrôlant les différentes unités Il existe 2 façons de réaliser cette automate : Séquenceur câblé Séquenceur micro-programmé (firmware) Avantages Câblé : un peu plus rapide Micro-programmé : plus souple et plus simple à réaliser 12/31

17 Architecture des processeurs Séquenceur Séquenceur Automate générant les signaux de commande contrôlant les différentes unités Il existe 2 façons de réaliser cette automate : Séquenceur câblé Séquenceur micro-programmé (firmware) Avantages Câblé : un peu plus rapide Micro-programmé : plus souple et plus simple à réaliser 12/31

18 Architecture des processeurs Registres Registre Mot mémoire interne au processeur Plusieurs types : Registres de fonctionnement Compteur Ordinal (CO), Registre Instruction (RI)... Accumulateur (interne à l ALU) Registres généraux servent à stocker des valeurs souvent utilisées ou des résultats intermédiaires sans passer par la mémoire Registres de pile (SP : Stack Pointer) Registres d état (PSW : Program Status Word) Ensemble de bits représentant chacun un état particulier (drapeau ou flag) C : dépassement de capacité après un calcul de l ALU Z : résultat de l opération est égal à 0 13/31

19 Architecture des processeurs Registres Registre Mot mémoire interne au processeur Plusieurs types : Registres de fonctionnement Compteur Ordinal (CO), Registre Instruction (RI)... Accumulateur (interne à l ALU) Registres généraux servent à stocker des valeurs souvent utilisées ou des résultats intermédiaires sans passer par la mémoire Registres de pile (SP : Stack Pointer) Registres d état (PSW : Program Status Word) Ensemble de bits représentant chacun un état particulier (drapeau ou flag) C : dépassement de capacité après un calcul de l ALU Z : résultat de l opération est égal à 0 13/31

20 Architecture des processeurs Registres Registre Mot mémoire interne au processeur Plusieurs types : Registres de fonctionnement Compteur Ordinal (CO), Registre Instruction (RI)... Accumulateur (interne à l ALU) Registres généraux servent à stocker des valeurs souvent utilisées ou des résultats intermédiaires sans passer par la mémoire Registres de pile (SP : Stack Pointer) Registres d état (PSW : Program Status Word) Ensemble de bits représentant chacun un état particulier (drapeau ou flag) C : dépassement de capacité après un calcul de l ALU Z : résultat de l opération est égal à 0 13/31

21 Architecture des processeurs Registres Registre Mot mémoire interne au processeur Plusieurs types : Registres de fonctionnement Compteur Ordinal (CO), Registre Instruction (RI)... Accumulateur (interne à l ALU) Registres généraux servent à stocker des valeurs souvent utilisées ou des résultats intermédiaires sans passer par la mémoire Registres de pile (SP : Stack Pointer) Registres d état (PSW : Program Status Word) Ensemble de bits représentant chacun un état particulier (drapeau ou flag) C : dépassement de capacité après un calcul de l ALU Z : résultat de l opération est égal à 0 13/31

22 Architecture des processeurs Registres Registre Mot mémoire interne au processeur Plusieurs types : Registres de fonctionnement Compteur Ordinal (CO), Registre Instruction (RI)... Accumulateur (interne à l ALU) Registres généraux servent à stocker des valeurs souvent utilisées ou des résultats intermédiaires sans passer par la mémoire Registres de pile (SP : Stack Pointer) Registres d état (PSW : Program Status Word) Ensemble de bits représentant chacun un état particulier (drapeau ou flag) C : dépassement de capacité après un calcul de l ALU Z : résultat de l opération est égal à 0 13/31

23 Architecture des processeurs PIC 16F84 14/31

24 Architecture des processeurs PIC 16F84 15/31

25 Architecture des processeurs PIC 16F84 16/31

26 Adressage en mémoire PIC 16F84 Le processeur exécute des opérations nécessitant des opérandes comme paramètres (données) Adressage littéral (immédiat) : movlw 0x55 Adressage direct : movwf 0x30 17/31

27 Adressage en mémoire PIC 16F84 Le processeur exécute des opérations nécessitant des opérandes comme paramètres (données) Adressage littéral (immédiat) : movlw 0x55 Adressage direct : movwf 0x30 17/31

28 Instructions Instruction C est l opération élémentaire qu un programme demande à un processeur d effectuer. Les instructions sont codées en binaire. Un champ de l instruction appelé code opération ou opcode désigne l opération à effectuer. Puisque sa valeur numérique n a pas de sens pour les humains, le programmeur utilise une abréviation désignant le code opération fourni par le langage assembleur pour ce processeur appelée mnémonique. 18/31

29 Instructions Instruction C est l opération élémentaire qu un programme demande à un processeur d effectuer. Les instructions sont codées en binaire. Un champ de l instruction appelé code opération ou opcode désigne l opération à effectuer. Puisque sa valeur numérique n a pas de sens pour les humains, le programmeur utilise une abréviation désignant le code opération fourni par le langage assembleur pour ce processeur appelée mnémonique. 18/31

30 Instructions Instruction C est l opération élémentaire qu un programme demande à un processeur d effectuer. Les instructions sont codées en binaire. Un champ de l instruction appelé code opération ou opcode désigne l opération à effectuer. Puisque sa valeur numérique n a pas de sens pour les humains, le programmeur utilise une abréviation désignant le code opération fourni par le langage assembleur pour ce processeur appelée mnémonique. 18/31

31 Jeux d instructions Deux grands types de jeux d instructions CISC : Complex Instruction Set Computing Exemples : familles x86 (Intel / AMD) Fonctionne en modèle mémoire-mémoire généralement RISC : Reduced Instruction Set Computing Exemples : Sun Sparc, MicroChip PIC Fonctionne en modèle mémoire-registre généralement Différences fondamentales Instructions en nombre réduit pour le RISC Instructions de taille fixe (code opération + opérande) pour le RISC 19/31

32 Jeux d instructions Deux grands types de jeux d instructions CISC : Complex Instruction Set Computing Exemples : familles x86 (Intel / AMD) Fonctionne en modèle mémoire-mémoire généralement RISC : Reduced Instruction Set Computing Exemples : Sun Sparc, MicroChip PIC Fonctionne en modèle mémoire-registre généralement Différences fondamentales Instructions en nombre réduit pour le RISC Instructions de taille fixe (code opération + opérande) pour le RISC 19/31

33 Jeux d instructions Deux grands types de jeux d instructions CISC : Complex Instruction Set Computing Exemples : familles x86 (Intel / AMD) Fonctionne en modèle mémoire-mémoire généralement RISC : Reduced Instruction Set Computing Exemples : Sun Sparc, MicroChip PIC Fonctionne en modèle mémoire-registre généralement Différences fondamentales Instructions en nombre réduit pour le RISC Instructions de taille fixe (code opération + opérande) pour le RISC 19/31

34 Jeux d instructions Deux grands types de jeux d instructions CISC : Complex Instruction Set Computing Exemples : familles x86 (Intel / AMD) Fonctionne en modèle mémoire-mémoire généralement RISC : Reduced Instruction Set Computing Exemples : Sun Sparc, MicroChip PIC Fonctionne en modèle mémoire-registre généralement Différences fondamentales Instructions en nombre réduit pour le RISC Instructions de taille fixe (code opération + opérande) pour le RISC 19/31

35 Jeux d instructions Exemple de calcul Faire la somme du registre W et de la valeur à l adresse 20 en mémoire et placer le résultat à l adresse 30 En CISC Une seule opération nécessaire : En RISC (exemple PIC 16F84) MOVLW 0x54 ADDWF 0x20, 0 MOVWF 0x30 3 instructions nécessaires 20/31

36 Jeux d instructions Exemple de calcul Faire la somme du registre W et de la valeur à l adresse 20 en mémoire et placer le résultat à l adresse 30 En CISC Une seule opération nécessaire : En RISC (exemple PIC 16F84) MOVLW 0x54 ADDWF 0x20, 0 MOVWF 0x30 3 instructions nécessaires 20/31

37 Jeux d instructions Exemple de calcul Faire la somme du registre W et de la valeur à l adresse 20 en mémoire et placer le résultat à l adresse 30 En CISC Une seule opération nécessaire : En RISC (exemple PIC 16F84) MOVLW 0x54 ADDWF 0x20, 0 MOVWF 0x30 3 instructions nécessaires 20/31

38 Jeux d instructions Exemple de calcul Faire la somme du registre W et de la valeur à l adresse 20 en mémoire et placer le résultat à l adresse 30 En CISC Une seule opération nécessaire : En RISC (exemple PIC 16F84) MOVLW 0x54 ADDWF 0x20, 0 MOVWF 0x30 3 instructions nécessaires 20/31

39 Jeux d instructions PIC 16F84 Caractéristiques du PIC 16F84 35 instructions (RISC) Instructions en 1 cycle (sauf saut) Vitesse : DC - 10 MHz Mots de 14 bits Bus de données de 8 bits Mémoires Programme : 1K mots (Flash) Données : 68 octets (RAM) Données : 64 octets (EEPROM) 13 E/S indépendantes Autres périphériques (Timer, Watchdog...) 21/31

40 Jeux d instructions PIC 16F84 22/31

41 Jeux d instructions PIC 16F84 23/31

42 Jeux d instructions PIC 16F84 24/31

43 Jeux d instructions PIC 16F84 24/31

44 Relations avec le monde extérieur Gestion des entrées/sorties Organes d interface de natures diverses : Débit d informations utile : qq bits par seconde (clavier) à qq Gbits par seconde (liaison numérique) Régularité des demandes (requêtes) : échelle de la seconde (dactylographie) à la microseconde (disque dur) Volume d informations : qq octets pour un clavier à quelques centaines de Mo pour un disque dur Un système informatique doit répondre à TOUTES les requêtes Deux modes de réponse : Interrogation programme (polling) Interruption 25/31

45 Relations avec le monde extérieur Gestion des entrées/sorties Organes d interface de natures diverses : Débit d informations utile : qq bits par seconde (clavier) à qq Gbits par seconde (liaison numérique) Régularité des demandes (requêtes) : échelle de la seconde (dactylographie) à la microseconde (disque dur) Volume d informations : qq octets pour un clavier à quelques centaines de Mo pour un disque dur Un système informatique doit répondre à TOUTES les requêtes Deux modes de réponse : Interrogation programme (polling) Interruption 25/31

46 Relations avec le monde extérieur Gestion des entrées/sorties Organes d interface de natures diverses : Débit d informations utile : qq bits par seconde (clavier) à qq Gbits par seconde (liaison numérique) Régularité des demandes (requêtes) : échelle de la seconde (dactylographie) à la microseconde (disque dur) Volume d informations : qq octets pour un clavier à quelques centaines de Mo pour un disque dur Un système informatique doit répondre à TOUTES les requêtes Deux modes de réponse : Interrogation programme (polling) Interruption 25/31

47 Relations avec le monde extérieur Gestion des entrées/sorties Organes d interface de natures diverses : Débit d informations utile : qq bits par seconde (clavier) à qq Gbits par seconde (liaison numérique) Régularité des demandes (requêtes) : échelle de la seconde (dactylographie) à la microseconde (disque dur) Volume d informations : qq octets pour un clavier à quelques centaines de Mo pour un disque dur Un système informatique doit répondre à TOUTES les requêtes Deux modes de réponse : Interrogation programme (polling) Interruption 25/31

48 Relations avec le monde extérieur Gestion des entrées/sorties Organes d interface de natures diverses : Débit d informations utile : qq bits par seconde (clavier) à qq Gbits par seconde (liaison numérique) Régularité des demandes (requêtes) : échelle de la seconde (dactylographie) à la microseconde (disque dur) Volume d informations : qq octets pour un clavier à quelques centaines de Mo pour un disque dur Un système informatique doit répondre à TOUTES les requêtes Deux modes de réponse : Interrogation programme (polling) Interruption 25/31

49 Relations avec le monde extérieur Gestion des entrées/sorties Organes d interface de natures diverses : Débit d informations utile : qq bits par seconde (clavier) à qq Gbits par seconde (liaison numérique) Régularité des demandes (requêtes) : échelle de la seconde (dactylographie) à la microseconde (disque dur) Volume d informations : qq octets pour un clavier à quelques centaines de Mo pour un disque dur Un système informatique doit répondre à TOUTES les requêtes Deux modes de réponse : Interrogation programme (polling) Interruption 25/31

50 Relations avec le monde extérieur Mode d interrogation programme Mode d interrogation programme (polling) L unité de contrôle balaye successivement tous les périphériques pour constater la présence de requêtes éventuelles. Algorithme : //programme répéter indéfiniment pour (chaque périphérique) si (requ^ete présente) alors satisfaire la requ^ete exécuter les instructions du programme... //fin du programme TEMPS PERDU INTERROGATION 26/31

51 Relations avec le monde extérieur Mode d interrogation programme Mode d interrogation programme (polling) L unité de contrôle balaye successivement tous les périphériques pour constater la présence de requêtes éventuelles. Algorithme : //programme répéter indéfiniment pour (chaque périphérique) si (requ^ete présente) alors satisfaire la requ^ete exécuter les instructions du programme... //fin du programme TEMPS PERDU INTERROGATION 26/31

52 Relations avec le monde extérieur Mode d interrogation programme Mode d interrogation programme (polling) L unité de contrôle balaye successivement tous les périphériques pour constater la présence de requêtes éventuelles. Algorithme : //programme répéter indéfiniment pour (chaque périphérique) si (requ^ete présente) alors satisfaire la requ^ete exécuter les instructions du programme... //fin du programme TEMPS PERDU INTERROGATION 26/31

53 Relations avec le monde extérieur Mode d interruption Mode d interruption L unité de contrôle interrompt le programme principal lorsqu une requête est présentée par un périphérique. Algorithme : //programme répéter indéfiniment exécuter les instructions //fin du programme //---routine d interruption n 1 si (interruption par périph 1) exécuter la routine n1... reprendre l exécution du programme là où il a été interrompu // PLUS EFFICACE MATERIEL SPECIFIQUE 27/31

54 Relations avec le monde extérieur Mode d interruption Mode d interruption L unité de contrôle interrompt le programme principal lorsqu une requête est présentée par un périphérique. Algorithme : //programme répéter indéfiniment exécuter les instructions //fin du programme //---routine d interruption n 1 si (interruption par périph 1) exécuter la routine n1... reprendre l exécution du programme là où il a été interrompu // PLUS EFFICACE MATERIEL SPECIFIQUE 27/31

55 Relations avec le monde extérieur Mode d interruption Mode d interruption L unité de contrôle interrompt le programme principal lorsqu une requête est présentée par un périphérique. Algorithme : //programme répéter indéfiniment exécuter les instructions //fin du programme //---routine d interruption n 1 si (interruption par périph 1) exécuter la routine n1... reprendre l exécution du programme là où il a été interrompu // PLUS EFFICACE MATERIEL SPECIFIQUE 27/31

56 Relations avec le monde extérieur PIC16F84 GIE Global Interrupt Enable EEIE EEprom write complete IE T0IE Timer0 IE INTE INTerrupt pin Enable (RB0) RBIE RB port change IE Registre INTCON T0IF Timer0 Interrupt Flag INTF INTerrupt pin Flag RBIF RB port change IF Connexion à l adresse 0x04 28/31

57 Exercice Adresse Code instruction Mnémonique Cycles MOVLW 0x33 MOVWF 0x22 DECFSZ 0x22,1 ;REPERE GOTO REPERE GOTO FIN ;FIN 29/31

58 Exercice Adresse Code instruction Mnémonique Cycles 0x000 0x3033 MOVLW 0x x001 0x00A2 MOVWF 0x ;REPERE 0x002 0x0BA2 DECFSZ 0x22,1 1 (2) x003 0x2802 GOTO REPERE ;FIN 0x004 0x2804 GOTO FIN /31

59 Exercice 31/31

Microcontroleur PIC16F84

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