Cours d initiation aux microprocesseurs et aux micro-ordinateurs

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1 Les microprocesseurs : pourquoi? Les causes L'apparition du microprocesseur est due à l'évolution de l'industrie électronique, elle répond au besoin d'un circuit intégré L S I (Large Scale Intégration) ou VLSI (Very Large Scale Intégration) universel. (voir doc. circuits SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI, ) En effet : La technologie permet d'intégrer des centaines de milliers de transistors sur une "puce" de silicium de quelques mm2. Plus le nombre de transistors et la complexité augmentaient, plus le circuit était dédié à une application particulière et plus son marché potentiel diminuait. Les coûts des circuits intégrés étant inversement proportionnels à la quantité fabriquée, ce marché restreint conduisait à des circuits fort coûteux. Réponse : le microprocesseur -----> universel Il peut exécuter une grande variété de fonctions Le microprocesseur : c'est quoi? Comment peut-il exécuter une grande variété de fonctions? Parce qu'il est programmable. Il exécute une suite d'instructions qui peut être modifiée à souhait. Pourquoi son domaine d'application est-il si étendu? Ressources : Page 1

2 Programme (mémoire) Informations d entrée Interface Entrées Microprocesseur Interface Sorties Informations, actions de sortie fig. 1 Utilisation d'un microprocesseur L'activité du microprocesseur est alors de répondre aux entrées pour produire des sorties, d'une façon déterminée par une séquence d'instructions (le programme) qui est stockée dans une mémoire. Qu'est-ce qu'une Unité de Traitement? C'est l'organe qui effectue la séquence d'instructions stockée en mémoire. Il est capable de : Conclusion Un microprocesseur est constitué d'un ou plusieurs circuits LSI ou VLSI qui réalisent des fonctions de traitement. On l'appelle également unité centrale de traitement (CPU : Central Processing Unit). Un micro-ordinateur est un ordinateur construit autour d'un ou plusieurs microprocesseurs (fig. 1). Ressources : Page 2

3 Le microprocesseur : c'est quoi? Exemple Circulation automobile à l'intersection d'une route principale et d'une route secondaire. On désire automatiser cette intersection en utilisant un microprocesseur. Le cahier des charges est le suivant : Période : 60 s Route Principale Route Secondaire 2 capteurs de véhicules sont placés sur la route secondaire, et reliés au calculateur. Ils indiquent si un véhicule attend au feu rouge sur la route secondaire. A la fin des 30 s de feu vert sur la principale, on ne change la couleur des feux que si un véhicule est présent sur la route secondaire. Carrefour RS VS OS C1 RP VP OP RP : Rouge route Principale VP : Vert route Principale OP : Orange route principale RP VP OP C2 RS VS OS RP : Rouge route Secondaire VP : Vert route Secondaire OP : Orange route Secondaire Ressources : Page 3

4 Réalisation Pour réaliser ce cahier des charges, nous allons brancher les différents signaux du carrefour aux interfaces d entrées et de sorties du micro-ordinateur suivant : Les capteurs de présence seront des entrées et les lampes des feux, des sorties. Programme (mémoire) C1 C2 Interface Entrées Microprocesseur Interface Sorties RS VS OS RP VP OP Relation du micro-ordinateur avec l'extérieur. Programme : La description du cahier des charges peut être décrite en autres par un organigramme. Complétez l organigramme : VP,RS Compter 30s non C1 ou c2 oui OP, RS Compter 5s Epilogue Il ne reste plus qu à traduire cet organigramme en une séquence d'instructions qui sera implantée dans la mémoire programme du micro-ordinateur. Fig. 2 Gestion du temps du carrefour Microprocesseurs et micro-ordinateurs Ressources : Page 4

5 Le microprocesseur: Définition Microprocesseur de traitement. un ou plusieurs circuits LSI / VLSI qui réalisent des fonctions Un circuit Toutes les fonctions utiles sont intégrées sur une seule "puce" de silicium intégré. un circuit Circuit intégré Puce : éclat de silicium sur lequel on a fabriqué les transistors : de transistors sur quelques mm2 (5 à 50 mm2) Boîtier en céramique ou en plastique Broches d'accès (pattes) 16 à 128 broches. Plusieurs circuits Si la complexité est très grande, on peut distribuer les fonctions. de façon répétitive : circuits identiques en parallèle. de façon asymétrique. Le micro-ordinateur: Définition Dans les deux cas, le micro-ordinateur est constitué de plusieurs circuits. Le microprocesseur ne peut être utilisé seul. Pour passer au micro-ordinateur, il faut adjoindre à l'unité centrale de traitement (CPU): Conclusion le microprocesseur est un composant qui sert à réaliser un Micro-ordinateur. Ressources : Page 5

6 Remarque Les microcontrôleurs sont des circuits qui réunissent en un seul boîtier (monochip) : Les capacités sont évidemment relativement faibles mais une petite application peut alors être réalisée avec un nombre minimal de boîtiers: monochip, horloge, alimentation. Les relations avec l'extérieur On a vu avec le carrefour un exemple de relation avec l'environnement : capteurs de présence en entrée ; feux en sortie De façon plus générale, les relations avec l'extérieur peuvent être de 4 types. Relations avec l'environnement Entrées logiques / numériques : capteurs de présence, contacts de fin de course, roues codeuses, compteurs,... Entrées analogiques : capteurs de grandeurs physiques : courant, tension, température, pression, Sorties logiques / numériques : relais, moteurs pas à pas, vannes TOR (tout ou rien),... Sorties analogiques : commande d'organes analogiques, moteurs, courant, tension, Relations avec l'homme Ressources : Page 6

7 Assurées par des périphériques : consoles de visualisation, imprimantes, contacts, claviers, lecteurs,... Relations avec des mémoires de masse D'accès plus lent que la mémoire interne au micro-ordinateur (appelée mémoire centrale), elles permettent de stocker des quantités considérables d'informations : bandes magnétiques, disques magnétiques (souples et durs), CD ROM, etc. Relations avec d'autres CPU Le logiciel Dans le cas de réseau d'ordinateurs. Les langages primitifs Toutes les informations manipulées par le micro-ordinateur sont codées sous la forme de mots binaires (formats courants 8, 16 bits, 32 bits. Exemple Rappel codage binaire: Donnée numérique : = 169 Instruction additionner xxxx au registre A registre = mémoire interne du µp = 169 codage binaire 1010 xxxx bits (1 octet) L'ensemble de ces mots binaires, rangés en mémoire centrale, constitue le programme à exécuter. Cette exécution est réalisée par le CPU, qui reconnaît les instructions parmi le jeu d'instructions dont il est doté par le constructeur. Exemple: Microprocesseur 8 bits Ressources : Page 7

8 instruction n 1 instruction n additionner 9 au contenu du registre A rotation du registre A vers la gauche instruction n Écrire le contenu du registre A dans la case mémoire d'adresse A9H=(169)D Plusieurs types de programmation L'introduction du programme dans la machine peut se faire sous plusieurs formes: Sous forme binaire, c'est le langage machine C'est le langage compris par le microprocesseur Sous forme hexadécimale Une forme un peu plus évoluée est le codage en hexadécimal. Il faut alors un clavier hexadécimal (0,..., 9, A,..., F) pour introduire le programme en machine. Par le langage d'assemblage Plus agréable : le langage d'assemblage, à partir d'un clavier alphanumérique (alphabet + chiffres), on introduit les instructions sous forme symbolique mnémonique. En langage assemblage, on écrit les instructions. Exemple de programmation Ressources : Page 8

9 mémoire forme binaire forme hexadécimale forme d'assemblage signification n b A9 H ADD A,09 H Addition de 9 à A n b 40 H ROL A rotation à gauche de A n b 60 H MOV (A9),A n b A9 H mettre la valeur de A dans la case mémoire d'adresse A9H =(169) Remarque : les cases mémoire n et n+3 bien qu'ayant le même contenu, n'ont pas la même signification. Le programme en langage d'assemblage c'est le code source Le Programme en langage binaire c'est le code objet Il est donc nécessaire d'avoir un moyen de traduction du code source en code objet : programme spécialisé (assembleur). Cependant, les instructions en langage assembleur restent très élémentaires puisque ce sont celles du microprocesseur, représentées en mnémonique. Les langages évolués De plus en plus agréable : les langages évolués, plus puissants, plus proches de la langue parlée, sont capables de résumer des instructions complexes (Basic, Fortran, Pascal, C, Ada). Les codes sources sont traduits ou interprétés en binaire à l'aide de programmes spécialisés : les compilateurs ou les interpréteurs. Ces langages permettent d'écrire le programme d'application pour lequel, en définitive, le micro-ordinateur a été conçu. Mais, en plus de l'assembleur, des compilateurs, interpréteurs, d'autres programmes sont utilisés : programmes d'édition, d'initialisation, de chargement, de mise au point, etc. Conclusion L'ensemble constitue le Logiciel de développement. Application des microprocesseurs Ressources : Page 9

10 Rôle des microprocesseurs Remplacement des logiques câblées La logique câblée est étudiée et réalisée une fois pour toutes sur un schéma donné : les fonctions sont réalisées par une voie matérielle. Elle exige un grand nombre de composants et rend les montages encombrants et chers. Enfin, elle n'offre guère de souplesse : la durée des études pour réaliser un montage donné (et donc pour le modifier le cas échéant) est longue. Applications nouvelles Le gain Le microprocesseur est d'une grande souplesse, car les fonctions sont réalisées par voie logicielle, et sont modifiables à tout moment en un temps réduit. De plus, le nombre de composants est réduit à sa plus simple expression. Les limites limite inférieure si la fonction à réaliser est trop simple, il est plus économique de conserver une logique câblée. limite supérieure si le nombre d'unités à réaliser est très important, il est plus économique de la fabriquer en circuits intégrés à la demande ou en logique câblée pour les fonctions simples. Remarque Une réalisation logicielle est plus lente qu'une réalisation en logique câblée : le microprocesseur exécute une instruction à la fois. Domaine d'application du microprocesseur Dans l'informatique Ressources : Page 10

11 Cartes coupleur de périphériques Périphériques intelligents > informatique répartie Micro-ordinateur en terminal intelligent Micro-ordinateur personnel, gestion,... Dans le contrôle de processus Pilotage du système d'acquisition de données Contrôle localisé Régulation numérique Dans les appareils de mesure Gestion du panneau avant Calculs mathématiques, statistiques Mémorisation, séquencement des opérations Dans le domaine grand public Automobile Electroménager Caisses enregistreuses Balances. Ressources : Page 11