Microprocesseurs & Microcontrôleurs

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1 Département de Génie Électrique Ecole Nationale d Ingénieurs de Monastir LotfiBoussaid@yahoo.fr

2 Plan du Cours Les Microcontrôleurs - CH 1. Codage de l Information - CH 2. Les Portes Logiques - CH 3. Les Registres, les mémoires et les ALU - CH 4. Introduction aux Microprocesseurs - CH 5. Le Microprocesseur 8086 d Intel - CH 6. Le Microcontrôleur PIC16F84 de Microchip - CH 7. Introduction au Microcontrôleur 16F877 2

3 CH 6. Le Microcontrôleur PIC16F84 de Microchip Introduction aux microcontrôleurs Un microcontrôleur est un composant réunissant sur un seul et même silicium plusieurs composants. On parle de "système sur une puce" (en anglais : "System On chip"). Il existe plusieurs familles de microcontrôleurs, se différenciant par la vitesse de leur processeur et par le nombre de périphériques qui les composent. Toutes ces familles ont un point commun c est de réunir tous les éléments essentiels d une structure à base de microprocesseur sur une même puce. Un microcontrôleur comprend : - Un microprocesseur (C.P.U.) ; - Des bus; - De la mémoire de donnée (RAM et EEPROM) ; - De la mémoire programme (ROM, OTPROM, UVPROM ou EEPROM) ; - Des interfaces parallèles pour la connexion des entrées / sorties ; - Des interfaces séries (synchrone ou asynchrone) pour le dialogue avec d autres unités; - Des Timers pour générer ou mesurer des signaux avec une grande précision temporelle. 3

4 CH 6. Le Microcontrôleur PIC16F84 de Microchip Introduction aux microcontrôleurs Architecture interne d un microcontrôleur 4

5 Harvard BUS SYSTÈME BUS INSTRUCTIONS MÉMOIRE DONNÉES MÉMOIRE PROGRAMME CPU IO IO IO BUS DONNÉES 5

6 Qu est-ce qu un PIC? Un PIC est un microprocesseur à lequel on a rajouté des périphériques Les PICs sont des composants dits RISC (Reduced Instructions Set Computer) Les familles des PICs : La famille Base-Line : mots d instructions de 12 bits La famille Mid-Range, qui utilise des mots de 14 bits (16F84, 16F876,..) La famille High-End, qui utilise des mots de 16 bits. Tous les PICs Mid-Range ont un jeu de 35 instructions, stockent chaque instruction dans un seul mot de programme, et exécutent chaque instruction (sauf les sauts) en 1 cycle. 6 6

7 Identification d un PIC PIC16 indique un PIC Mid-Range Le PICs de MICROCHIP (2) C indique que la mémoire programme est une EPROM ou plus rarement une EEPROM CR pour indiquer une mémoire de type ROM F pour indiquer une mémoire de type FLASH Les derniers chiffres identifient le PIC -XX représente la fréquence d horloge maximale Un composant qu on ne peut reprogrammer est appelé O.T.P. pour One Time Programming un 16F84-04 est un PIC Mid-Range (16) donc la mémoire programme est de type FLASH (F) donc réinscriptible de type 84 et capable d accepter une fréquence d horloge de 4MHz. 7 7

8 Caractéristiques du processeur RISC : 16F84A Microprocesseur Seulement 35 instructions codées sur 14 bits ; Toutes les instructions ont un seul 1 cycle machine par instruction, sauf pour les sauts (2 cycles machine); Vitesse maximum 20 MHz soit une instruction en 400 ns (1 cycle machine = 4 cycles d'horloge) ; Mémoire programme de 1024 mots ; Mémoire RAM de données de 68 octets ; Mémoire EEPROM de 64 octets ; Données de 8 bits ; 15 Registres pour des fonctions spéciales ; Pile de 8 niveaux de profondeur ; Adressage direct, indirect and relatif ; 4 sources d interruption : Broche externe RB0/INT ; Débordement du timertmr0 ; Interruption sur transition sur les broches PORTB<7:4> ; Ecriture complète des données sur la mémoire EEPROM. 8 8

9 Caractéristiques des périphériques : 13 broches d entrées / Sorties avec contrôle individuel de la direction ; Source de courant important pour la commande d une LED : o 25 ma max. dissipé par broche ; o 25 ma source de courant max. par broche ; o TMR0: Timer8-bit programmable Caractéristiques spéciales : Mémoire programme FLASH à cycles Effacement / Ecriture; Mémoire données EEPROM à 10,000,000 cycles Effacement / Ecriture, avec un maintien de données > 40 ans; Programmable par liaison série sur 2 broches (ICSP ) ; Reset à la mise sous tension [Power-on Reset (POR)], Power-up Timer(PWRT) ; Un Timer chien de garde (WDT) avec son propre oscillateur RC ; Protection de code ; Mode SLEEP pour la sauvegarde d énergie ; Oscillateur sélectionné au choix ; Large plage de tension de fonctionnement : Commercial: 2.0V to 5.5V Industriel : 2.0V to 5.5V 9 9

10 Brochage et fonction des pattes - VSS, VDD : Alimentation - OSC1,2 : Horloge - RA0-4 : Port A - RB0-7 : Port B - T0CKL : Entrée de comptage - INT : Entrée d'interruption - MCLR : Reset : 0V - Choix du mode programmation : 12V - 14V - Exécution : 4.5V - 5.5V 10 10

11 Horloge Le 16F84A peut opérer suivant 4 différents modes. L utilisateur peut exploiter les 2 broches FOSC1 et FOSC0 pour sélectionner un de ces 4 modes : Quartz à faible puissance (LP : LowPower Crystal) Quartz XT (Crystal/Resonator) Quartz à haute vitesse (HS High Speed Crystal/Resonator) Circuit RC (Resistor/Capacitor) Avec l'oscillateur à Quartz, on peut avoir des fréquences allant jusqu'à 4, 10 ou 20 MHz selon le type de microcontrôleur. L'horloge peut être soit interne soit externe. L'horloge interne est constituée d'un oscillateur à quartz ou d'un oscillateur RC

12 Horloge Horloge externe LP, XT ou HS Horloge interne LP, XT ou HS Horloge interne à oscillateur RC 12 12

13 Câblage du PIC16F84A 13 13

14 Architecture interne 14 14

15 Principe de fonctionnement Un microcontrôleur exécute des instructions. «le cycle instruction» : le temps nécessaire à l exécution d une instruction. Une instruction est exécutée en deux phases : - Phase de recherche du code binaire de l instruction stocké dans la mémoire de programme. - Phase d exécution de l instruction

16 Principe de fonctionnement Normalement l exécution d une instruction dure 8 cycles d horloges. L architecture particulière des PICs (Bus différents pour les données et le programme) lui permet de réduire ce temps par deux

17 Organisation de la mémoire programme FLASH - Program counter : 13 bits - Espace mémoire adressable : 1K x 14 bits - Les adresses 20h, 420h, 820h, C20h, 1020h, 1420h, 1820h, et 1C20h, contiennent les mêmes instructions. - Le vecteur Reset est à l adresse 0000h - Le vecteur interruption est à l adresse 0004h Mémoire programme 1K x 14 bits 17 17

18 Organisation de la mémoire des Données RAM - Mémoire données 2 x 128 octets - Comprend deux zones : o o Special Function Registers (SFR) zone General Purpose Registers (GPR) zone - Les instructions MOVWF et MOVF permettent de déplacer les valeurs du registre W à n importe quelle adresse registre ( F ), et vice-versa - Le bit RP0 du registre (STATUS) permet de passer de la banque 0 à la banque

19 Mémoire de données La mémoire de données est divisée en deux espaces : RAM - Les SFR (Special Function Registers) qui permettent de contrôler les opérations sur le circuit. - La seconde partie contient des registres généraux (GPR: General Purpose Registers), libres pour l'utilisateur. - Les deux parties de la mémoire de données sont divisées en deux banques. - Cette division est assurée par deux bits de contrôle qui se trouvent dans le registre STATUS 19 19

20 Mémoire de données La mémoire donnée est divisée en deux banques: La banque 0 est sélectionnée en mettant le bit RP0 du registre STATUS a 0. La banque 1 est sélectionnée en mettant le bit RP0 du registre STATUS a 1. Chaque banque est composée de 128 octets. Les 12 premières ligne de chaque banques sont réservées pour les SFR

21 Registres généraux GPR GPR : General Purpose Registers. La taille des GPR est de 8 bits. Les GPR sont accessibles soit directement soit indirectement à travers les registres FSR et INDF. Les adresses GPR dans la banques 0 et la banques 1 sont mappées. Exemple: l adresse 0Ch et 8Ch sont accédés par le même FSR 21 21

22 Registres à fonction spéciale SFR SFR: Special Function Registers. Permettent la gestion du circuit. Certains registres ont une fonction générale, d'autres ont une fonction spécifique attachée à un périphérique donné. L'ensemble de ces registres est souvent appelé fichier des registres

23 Registres à fonction spéciale SFR 23 23

24 Un programme simple pour mettre à zéro les adresses mémoires RAM de 20h-2Fh en utilisant l adressage indirect : movlw 0x20 ;initialize pointer movwf FSR ;to RAM NEXT clrf INDF ;clear INDF register incf FSR ;inc pointer btfss FSR,4 ;all done? goto NEXT ;NO, clear next CONTINUE : ;YES, continue 24 24

25 Le registres d état : STATUS Contient l état des opérations arithmétiques et logiques, l état du RESET et le choix de la banque mémoire. Comme tout les registres, le registre STATUS peut être une destination des instructions. Une instruction peut modifier les bits Z, DC et C

26 Organisation de la mémoire des Données EEPROM La EEPROM est une mémoire à lecture / écriture. Cette mémoire est indirectement adressée par les registres SFR. Ces registres sont : EECON1 EECON2 (n est pas un registre physiquement implémenté) EEDATA EEADR EEDATA maintient les 8 bits de données pour le RD/WR, et le EEADR maintient les adresses des cases mémoires sélectionnées Le PIC16F84A possède 64 octets de données EEPROM dont les adresses se trouvent entre 0h à 3Fh. La EEPROM est conçue pour effectuer des cycles rapides d effacement/écriture

27 Organisation de la mémoire des Données EEPROM EECON1 REGISTER (ADDRESS 88h) 27 27

28 Organisation de la mémoire des Données EEPROM 28 28

29 Le registres d état : STATUS 29 29

30 Les ports d entrées - sorties 5 broches d'entrée/sortie bidirectionnelles, notées RAx avec x={0,1,2,3,4} (courant max absorbé /fourni : 25 ma) Le registre PORTA, d'adresse 05h dans la banque 0, permet d'y accéder en lecture ou en écriture. Le registre TRISA, d'adresse 85h dans la banque 1, permet de choisir le sens de chaque patte (entrée ou sortie) : un bit à 1 positionne le port en entrée, un bit à 0 positionne le port en sortie. Câblage interne d une broche du Port A "Data Latch" : Mémorisation de la valeur écrite quand le port est en sortie. "TRIS Latch" : Mémorisation du sens (entrée ou sortie) de la patte. "TTL input buffer" : Buffer de lecture de la valeur du port. La lecture est toujours réalisée sur la patte, pas à la sortie de la bascule d'écriture. Transistor N : En écriture : Saturé ou bloqué suivant la valeur écrite. En lecture : Bloqué. Transistor P : Permet d'alimenter la sortie. Câblage interne d une broche du Port A 30 30

31 Le diagramme block de la broche RA4 La broche RA4 est multiplexée avec l entrée Timer0 Clock représentée par RA4/T0CKI pin. La broche RA4/T0CKI est une entrée Trigger de Schmitt à sortie à drain ouvert. Toutes les autres broches RA i sont des entrées TTL est des sorties à driver CMOS

32 Ports A et registre TRISA La broche RA4 est multiplexée avec l'entrée horloge du TimerTMR0 Elle peut être utilisée soit : comme E/S normale du port A, comme entrée horloge pour le TimerTMR0 Le choix se fait à l'aide du bit T0CS du registre OPTION_REG

33 Ports A et registre TRISA RA4 est une E/S à drain ouvert, si on veut l'utiliser comme sortie (pour allumer une LED par exemple), il ne faut pas oublier de mettre une résistance externe vers Vdd. Si RA4 est positionnée à 0, l'interrupteur est fermé, la sortie est reliée à la masse. Si RA4 est placée à 1, l'interrupteur est ouvert, la sortie est déconnectée d'où la nécessite de la résistance externe

34 Ports B 8 broches d'entrée/sortie bidirectionnelles, notées RBx avec x={0,1,2,3,4,5,6,7} Le registre PORTB, d'adresse 06h dans la banque 0, permet d'y accéder en lecture ou en écriture. Le registre TRISB, d'adresse 86h dans la banque 1, permet de choisir le sens de chaque broche (entrée ou sortie) : un bit à 1 positionne le port en entrée, un bit à 0 positionne le port en sortie. Les quatre bits de poids fort (RB7-RB4) peuvent être utilisés pour déclencher une interruption sur changement d'état. RB0 peut aussi servir d'entrée d'interruption externe

35 CH 6. Le Microcontrôleur PIC16F84 de Microchip Le Compteur (Timer) 35

36 Le compteur Timer/ WatchDog 36 36

37 Le registre OPTION Le registre option est utilisé pour configurer le Timer et le Watchdog

38 Le compteur TIMER 38 38

39 Les Fusibles du 16F84A Les bits de configuration se trouve à l adresse 2007h 39 39

40 Les Interruptions La16F84 est très pauvre à ce niveau, puisqu il ne dispose que de 4 sources d interruptions possibles (contre 13 pour la 16F876 par exemple). Les événements susceptibles de déclencher une interruption sont les suivants : TMR0 : Débordement du timer0 (tmr0). Une fois que le contenu du tmr0 passe de 0xff à 0x00, une interruption peut être générée. Nous utiliserons ces propriétés dans le chapitre sur le timer0. EEPROM: cette interruption peut être générée lorsque l écriture dans une case EEPROM interne est terminée. Nous verrons ce cas dans le chapitre sur l écriture en zone eeprom. RB0/INT: Une interruption peut être générée lorsque, la pin RB0, encore appelée INTerruptpin, étant configurée en entrée, le niveau qui est appliqué est modifié. Nous allons étudier ce cas ici. PORTB: De la même manière, une interruption peut être générée lors du changement d un niveau sur une des pins RB4 à RB7. Il n est pas possible de limiter l interruption à une seule de ces pins. L interruption sera effective pour les 4 pins ou pour aucune

41 Les Interruptions 41 41

42 Les Interruptions Les différentes sources d interruption 42 42

43 Le registre INTCON Le registre INTCON est utilisé pour configurer les interruptions

44 Organisation des instructions Quatre types d instructions : 1- Les instructions «orientées octet» Elles sont codées de la manière suivante : - 6 bits pour l instruction : logique, car comme il y a 35 instructions, il faut 6 bits pour pouvoir les coder toutes - 1 bit de destination(d) pour indiquer si le résultat obtenu doit être conservé dans le registre de travail de l unité de calcul (W pour Work) ou sauvé dans l opérande (F pour File). - Reste 7 bits pour encoder l opérande (File) 2- Les instructions «orientées bits» Manipulation directement des bits d un registre particulier. Elles sont codées de la manière suivante : - 4 bits pour l instruction (dans l espace resté libre par les instructions précédentes) - 3 bits pour indiquer le numéro du bit à manipuler (bit 0 à 7 possible), et de nouveau : - 7 bits pour indiquer l opérande

45 Organisation des instructions (2) 3- Les instructions générales Instructions qui manipulent des données. Elles sont codées de la manière suivante : - L instruction est codée sur 6 bits - Elle est suivie d une valeur IMMEDIATE codée sur 8 bits (donc de 0 à 255). 4- Les sauts et appels de sous-routines Ce sont les instructions qui provoquent une rupture dans la séquence de déroulement du programme. Elles sont codées de la manières suivante : - Les instructions sont codés sur 3 bits - La destination codée sur 11 bits 45 45

46 Liste des instructions 46 46

47 Liste des instructions W : registre de travail (accumulateur), taille 8 bits k : valeur littérale, taille 8 bits 47 47

48 Liste des instructions L : label (étiquette) 48 48

49 Liste des instructions f : registre (spécial ou d'usage général) b : position du bit (0 à 7) 49 49

50 Liste des instructions f : registre (spécial ou d'usage général) d : registre de destination (on peut choisir entre le registre de travail W et le registre f)

53 Organisation d un programme assembleur Les de commentaires sont précédés par le symbole «;» Les DIRECTIVES sont des commandes destinées à l assembleur ORG 0x000 CONFIG _CP_ON & _WDT_ON & _PWRTE_ON & _HS_OSC Les fichiers «include» #include <p16f84.inc> Les assignations mavaleur EQU 0x05 Les définitions #DEFINE monbit PORTA,1 Les macros LIREIN macro comf PORTB,0 andlw 1 endm La zone des variables CBLOCK 0x00C ; début de la zone variables w_temp :1 ; Zone de 1 byte status_temp : 1 ; zone de 1 byte mavariable : 1 ; je déclare ma variable ENDC ; Fin de la 53 53

54 Les différents types d adressage : Adressage immédiat movlw 0x50 Adresage direct ; W 0x50 movf 0x10,w ; W (0x10) contenu de l emplacement mémoire Adressage indirect movlw 0x50 ; W 0x50 movwf mavariable ; mavariable 0x50 movlw mavariable ; W 0x0E movwf FSR ; on place l adresse de destination dans FSR. ; FSR POINTE sur mavariable movf INDF,w ; w 0x50 Incf f,d d : destination elle peut avoir : f : résultat dans l emplacement mémoire. w : résultat est laissé dans le registre de travail, 54 54

55 CH 6. Le Microcontrôleur PIC16F84 de Microchip Les différents types d adressage : Adressage indirect Registres FSR et INDF FSR est un registre spécial situé à l'adresse 0x04 (en banque 0) de la mémoire des données (Data RAM).Ce registre est également accessible en banque 1 (à l'adresse 0x84). Ce registre contient une adresse (de la mémoire des données). On dit quefsr est un "pointeur". Le registre spécial INDF contient la valeur du registre pointé par le registre FSR (on parle d'adressage indirect). INDF n'est pas un registre physique 55

56 PC La Programmation Programmateur PIC Langage C / BASIC Hexadécimal Langage Assembleur Haut niveau Bas niveau 56 56

57 1 er Exemple : Allumer une LED par bouton poussoir LIST p=16f84 include "P16F84.inc CONFIG _CP_ON & _WDT_ON & _PWRTE_ON & _HS_OSC org 0x0000 bsf STATUS,RP0 ; sélectionner bank 1 movlw b ' ; Port B en entrée movwf TRISB movlw b ' ; Port A en sortie movwf TRISA bcf STATUS,RP0 ; sélectionner bank 0 boucle btfsc PORTB,2 ; tester RB2, sauter si vaut 0 bcf PORTA,2 ; sinon on allume la LED btfss PORTB,2 ; tester RB2, sauter si vaut 1 bsf PORTA,2 ; RB2 vaut 0, donc LED goto boucle end 57 57

58 2 ième exemple : Faire clignoter une LED (Langage C) #include <16F84.h> #fuses HS,NOPROTECT,NOWDT #use delay(clock= ) #define LED PIN_RA2 Void main(){ while( 1 ){ Output_bit(LED,1); Delay_ms(500); Output_bit(LED,0); Delay_ms(1000); } } 58 58

59 3 ième exemple : Commande de moteur pas à pas La fonction avance() permet de faire tourner le moteur pas à pas de n*4 pas #include <16F876a.h> #fuses HS,NOPROTECT,NOWDT #use delay(clock= ) Void avance(int i){ Int j; For(j=0;j<=i;j++){ Output_b(6); //1ère position Delay_ms(5); //pause entre 2 pas Output_b(5); //2ème position Delay_ms(5); //pause entre 2 pas Output_b(9); //3ème position Delay_ms(5); //pause entre 2 pas Output_b(10); //4ème position Delay_ms(5); //pause entre 2 pas } Return; } Void main(){ Avance(4); //Fait tourner le moteur de 16 pas } RB3 A RB2 B RB1 C RB0 D Port B Etat Etat Etat Etat

60 Plan du Cours Les Microcontrôleurs - CH 1. Codage de l Information - CH 2. Les Portes Logiques - CH 3. Les Registres, les mémoires et les ALU - CH 4. Introduction aux Microprocesseurs - CH 5. Le Microprocesseur 8086 d Intel - CH 6. Le Microcontrôleur PIC16F84 de Microchip - CH 7. Introduction au Microcontrôleur PIC16F877 60

61 CH 7. Le Les Microcontrôleurs PIC16F877 Le PIC 16F877A 61 61