1 er séance : Rappel sur les Systèmes à base de Microprocesseur

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1 UNIVERSITE KASDI MERBAH DE OUARGLA FACULTE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIE ET SCIENCES DE LA MATIERE TRAVAUX PRATIQUES MICROPROCESSEUR 1 er séance : Rappel sur les Systèmes à base de Microprocesseur 1. Architecture d un système à base de microprocesseur : Un système à base de microprocesseur est formé des trois éléments : Une unité CPU (central processing unit ) Une mémoire (ROM et RAM) Des ports d entrées/sorties. Les trois modules sont interconnectés comme le montre la figure autour de trois bus : bus de données, bus d adresses et bus de contrôles et commandes. Le bus de données : c est un ensemble de fils bidirectionnels qui va permettre le transfert de données entre les différents éléments du système. Autrement dit, toutes les données entrantes et sortantes du microprocesseur sont véhiculées par le bus de données qui fixe la longueur du mot échangé avec la mémoire. Le bus d adresses : il permet d adresser un élément par le microprocesseur.il est unidirectionnel.il détermine la capacité maximale d adressage du système, c est à dire le nombre maximum de mots de la mémoire associée (ex : 16 bits «adressent» 64 Kmots). Le bus de commandes et de contrôle : c est un bus qui permet de véhiculer les signaux de contrôles et de commandes tels que l horloge les signaux Rd/Wr etc. La mémoire: qui contient à la fois les données et le programme. La mémoire se divise entre mémoire volatile (programmes et données en cours de fonctionnement) et mémoire permanente (programmes et données de base de la machine. La mémoire morte ROM : Read Only Memory. La mémoire vive RAM : Random Access Memory. Page1

2 Les interfaces d entrées sorties : qui permettent de communiquer avec le monde extérieur. Donc le microprocesseur peut lire des données à partir d une interface d entrée de même il peut restituer le résultat de son traitement au monde extérieur en adressent des interfaces de sortie Le microprocesseur: doit Donc contrôler les fonctions effectuées par les autres modules, il doit chercher ainsi que décoder des instructions ranger en mémoire, et il doit adresser des interfaces d entrées/sorties pour lire des données du monde extérieur, et restituer le résultat de son traitement. 2. Architecture d un CPU : Un CPU est formée par les trois éléments fonctionnels interconnectés suivants : Registres. UAL : Unité arithmétique et logique. Circuit de contrôle Les registres : L accumulateur : Il s agit d un registre d usage général recevant des opérandes, des résultats intermédiaires ou des résultats provenant de l unité arithmétique et logique. Ils évitent des appels fréquents à la mémoire, réduisant ainsi les temps de calcul Le compteur de programme : Le compteur de programme contient l adresse de l instruction suivante en mémoire qui doit être exécutée Registre d instruction et décodeur d instruction : chacune des instructions à exécuter est rangée dans le registre instruction puis est décodée par le décodeur d instruction Registres d adresses : Ces registres servent à gérer l adressage de la mémoire, et puisque les registres peuvent être incrémenter ou décrémenter donc on peut accéder facilement à des données qui se trouvent en mémoire. Page2

3 Registre d état (FLAGS) : Le registre d état FLAG sert à contenir l état de certaines opérations effectuées par le processeur L unité arithmétique et logique (UAL) : Comme son nom l indique, cette unité peut exécuter deux types d opérations, des opérations arithmétique et des opérations logiques. A la fin d une opération, l UAL peut aller modifier certains bits du registre d état (FLAG) Unité de contrôle et commande : Synchronisée par le signal de l horloge, c est elle qui déclenche les événements dans le. Par exemple, quand une information passe dans un bus, cette information est destinée à un seul endroit (par exemple, un registre). C est donc l unité de commande et de contrôle qui va «déverrouiller» l entrée de cette destination pour que l information qui circule sur le bus puisse y entrer. 3. Fonctionnement d un système à base de µp : 3.1. Les interruptions : Les interruptions permettent au matériel (périphérique) de communiquer avec le processeur. Dans certains cas, on désire que le processeur réagisse rapidement à un évènement extérieur, mais la majorité de ces périphériques n ont besoin du microprocesseur qu à certains moments, alors ils génères demande d interruption. Une interruption est signalée au processeur par un signal électrique sur une borne spéciale. Lors de la réception de ce signal, le processeur traite l interruption dès la fin de l instruction qu il était en train d exécuter L écriture en mémoire (WRITE) : Pour écrire une donnée dans la mémoire le microprocesseur doit placer l adresse de la donnée sur le bus d adresses, puis il place la donnée sur le bus de données et enfin génère le signal WRITE La lecture de la mémoire (READ) : Pour lire une donnée de la mémoire le microprocesseur dépose son adresse sur le bus d adresses puis génère le signal READ, alors la donnée sera acheminée vers le microprocesseur à travers le bus de données. La donnée sera stockée dans un registre dans le microprocesseur Communication avec les entrées/sorties : Les données échangées entre un périphérique et le processeur transitent par l interface associé à ce périphérique.l interface possède de la mémoire tampon pour stocker les données échangées et les informations pour gérer la communication avec le périphérique : Page3

4 Lors de l exécution des instructions d entrées/sorties, le processeur met à 1 sa borne IO/M et présente l adresse E/S sur le bus d adresse. Le signal IO/M indique aux circuits de décodage d adresses qu il ne s agit pas d une adresse en mémoire principale, mais de l adresse d une interface d entrées/sorties Accès direct à la mémoire (DMA) Lorsqu un transfert en mémoire est nécessaire de la mémoire RAM à un port d E/S, la CPU lit le premier octet en mémoire et le charge dans l un des registres du microprocesseur. La CPU écrit ensuite l octet rangé précédemment sur le port d E/S approprié. Il en résulte que le microprocesseur effectue des opérations de lecture et d écriture répétées. Ainsi un certain temps est perdu entre le traitement de chaque octet. Pour remédier à ce problème, une procédure est mise au point pour l accès direct à la mémoire (Direct Memory Acess), qui permet de transférer des données de la mémoire RAM au port d E/S sans passer par le microprocesseur. Pour cela, un contrôleur DMA, qui reprend le rôle de la CPU, c est à dire qu il gère les transferts de la RAM aux ports d E/S Organisation de la mémoire centrale La mémoire peut être vue comme un ensemble de cellules ou cases contenant chacune une information : une instruction ou une donnée. Chaque case mémoire est repérée par un numéro d ordre unique : son adresse. Page4

5 3.7. Description matérielle d un microprocesseur Un microprocesseur se présente sous la forme d un circuit intégré muni d un nombre généralement important de broches. On peut représenter un microprocesseur par son schéma fonctionnel : 3.8. Fonctionnement d un microprocesseur Un microprocesseur exécute un programme. Le programme est une suite d instructions stockées dans la mémoire. Une instruction peut être codée sur un ou plusieurs octets. Format d une instruction : Exemple : Rangement en mémoire : Page5

6 Pour exécuter les instructions dans l ordre établi par le programme, le microprocesseur doit savoir à chaque instant l adresse de la prochaine instruction à exécuter. Le microprocesseur utilise un registre contenant cette information. Ce registre est appelé pointeur d instruction (IP : Instruction Pointer) ou compteur d instructions ou compteur ordinal. Pour savoir quel type d opération doit être exécuté (addition, soustraction,...), le microprocesseur lit le premier octet de l instruction pointée par le pointeur d instruction (code opératoire) et le range dans un registre appelé registre d instruction. Le code opératoire est décodé par des circuits de décodage contenus dans le microprocesseur. Des signaux de commande pour l UAL sont produits en fonction de l opération demandée qui est alors exécutée. Pendant que l instruction est décodée, le pointeur d instruction est incrémenté de façon à pointer vers l instruction suivante : Toutes ces étapes (lecture de l instruction, décodage, exécution) sont synchronisées par un séquenceur qui assure le bon déroulement des opérations : Page6

7 Pour exécuter le programme contenu dans la mémoire centrale, le séquenceur du microprocesseur exécute lui-même un programme appelé micro-code, contenu dans une mémoire morte à l intérieur du microprocesseur. Le séquenceur est dirigé par une horloge qui délivre un signal de fréquence donnée permettant d enchaîner les différentes étapes de l exécution d une instruction : Chaque instruction est caractérisée par le nombre de périodes d horloge (ou microcycles) qu elle utilise. Structure complète d un microprocesseur simple : pour fonctionner, un microprocesseur nécessite donc au minimum les éléments suivants : Page7

8 Le microprocesseur Intel Schéma fonctionnel du 8086 Le microprocesseur Intel 8086 est un microprocesseur 16 bits, apparu en C est le premier microprocesseur de la famille Intel 80x86 (8086, 80186, 80286, 80386, 80486, Pentium,...). Il se présente sous forme d'un boîtier de 40 broches alimenté par une alimentation unique de 5V. Il possède un bus multiplexé adresse/donnée de 20 bits. Le bus de donnée occupe 16 bits ce qui permet d'échanger des mots de 2 octets. Le bus d'adresse occupe 20 bits ce qui permet d'adresser 1 M octets (2 20 ). Tous les registres sont de 16 bits, mais pour garder la compatibilité avec le 8085/8088, certains registres sont découpés en deux et on peut accéder séparément à la partie haute et à la partie basse. 2. Organisation interne du 8086 Le 8086 est constitué de deux unit es fonctionnant en parallèle : l unité d exécution (EU : Exécution Unit) ; l unité d interface de bus (BIU : Bus Interface Unit). Page8

9 Rôle des deux unités : l unité d interface de bus (BIU) recherche les instructions en mémoire et les range dans une file d attente ; l unité d exécution (EU) exécute les instructions contenues dans la file d attente. Les deux unités fonctionnent simultanément, d où une accélération du processus d exécution d un programme (fonctionnement selon le principe du pipe-line). 3. La segmentation de la mémoire Le 8086 possède 20 bits d'adresse, il peut donc adresser 2 20 octets soit 1 Mo. L'adresse de la première case mémoire est 00000h celle de la dernière case est FFFFFh. Le problème qui se pose est comment représenter ces adresses au sein du µp puisque les registres ne font que 16 bits soit 4 digits au maximum en hexadécimal. La solution adoptée par Intel a été la suivante : Page9

10 Puisque avec 16 bits en peut adresser 2 16 octets = octets = 64 ko, La mémoire totale adressable de 1 Mo est fractionnée en pages de 64 ko appelés segments. On utilise alors deux registres pour adresser une case mémoire donnée, Un registre pour adresser le segment qu'on appelle registre segment et un registre pour adresser à l'intérieur du segment qu'on désignera par registre d'adressage ou offset. Une adresse se présente toujours sous la forme segment:offset. pas. A titre d'exemple, procédons au découpage de la mémoire en 16 segments qui ne se chevauche Segment Adresse début Adresse fin Pointeur de segment Segment FFFF Segment FFFF Segment FFFF Segment 14 E0000 EFFFF E0000 Segment 15 F0000 FFFFF F0000 Considérons la case mémoire d'adresse 20350, appelée adresse absolue ou adresse linéaire. Cette case mémoire se situe dans le segment 2, son adresse relative à ce segment est 350, on peut donc la référencer par le couple segment:offset = 20000:350, Se pose maintenant le problème de la représentation de cette adresse au sein du CPU car les registres de 16 bits ne peuvent contenir que 4 digits. S'il n'y a aucun problème pour représenter 350 dans un registre d'offset, on ne peut pas représenter dans un registre segment. La solution adoptée par Intel est la suivante : Dans le registre segment, on écrit l'adresse segment sans le chiffre de faible poids. Dans le registre d'adressage (d'offset) on écrit l'adresse relative dans le segment Pour calculer l'adresse absolue qui sera envoyée sur le bus d'adresse de 20 bits, le CPU procède à l'addition des deux registres après avoir décalé le registre segment d'un chiffre à gauche : Dans notre exemple, l'adresse de la case mémoire considérée devient 2000:350 soit : = 2000, Offset = Segment Page10

11 L'adresse absolue est calculée ainsi : Remarque : Les zones réservées aux segments ne sont pas exclusives, elles peuvent se chevaucher. La seule règle à respecter lors du choix d'un segment est que le digit de plus faible poids soit nul. Exercice 1) 1. Donner les adresses linéaires (absolues) des mémoires 3500:AB00, 0022:FFFF, 2. Proposer au moins deux adresses segment:offset différentes pour les mémoires d'adresse linéaire 10000, FFFFF, Les registres du 8086 Tous les registres et le bus interne du 8086 sont structurés en 16 bits. Vu de l'utilisateur, le 8086 comprend 3 groupes de 4 registres de 16 bits, un registre d'état de 9 bits et un compteur programme de 16 bits non accessible par l'utilisateur Les registres généraux Les registres généraux participent aux opérations arithmétiques et logiques ainsi qu'à l'adressage. Chaque demi-registre est accessible comme registre de 8 bits, AX : Accumulateur Usage général, Obligatoire pour la multiplication et la division, Ne peut pas servir pour l'adressage BX : Base Usage général, Adressage, (Par défaut, son offset est relatif au segment DS) Page11

12 CX : Comptage et calcul Usage général, Utilisé par certaines instructions comme compteur de répétition. Ne peut pas servir pour l'adressage. DX : Data Usage général, Dans la multiplication et la division 16 bits, il sert comme extension au registre AX pour contenir un nombre 32 bits, Ne peut pas servir pour l'adressage Les registres d'adressage (offset) Ces registres de 16 bits permettent l'adressage d'un opérande à l'intérieur d'un segment de 64 ko (2 16 positions mémoires). SP : Pointeur de Pile Utilisé pour l'accès à la pile. Pointe sur la tête de la pile. Par défaut, son offset est relatif à SS BP : Pointeur de Base Adressage comme registre de base, (Par défaut, son offset est relatif à SS) Usage général SI : Registre d'index (source) Adressage comme registre d index, (Par défaut, son offset est relatif à DS) Certaines instruction de déplacement de donnés l'utilise comme index de l'opérande source. L'opérande destination étant indexé par DI Usage général DI : Registre d'index (destination) Adressage comme registre d index, (par défaut, son offset est relatif à DS) Certaines instruction de déplacement de donnés l'utilise comme index de l'opérande destination, l'opérande destination étant indexé par SI Les registres de segment Ces registrent sont combiné avec les registres d offset pour former les adresses. Une case mémoire est repérée par une adresse de la forme RS:RO. On place le registre segment au début Page12

13 d une zone mémoire de 64Ko, ensuite on fait varier le registre d offset qui précise l adresse relative par rapport à cette position. CS : Code Segment Définit le début de la mémoire programme. Les adresses des différentes instructions du programme sont relatives à CS DS : Data Segment Début de la mémoire de données dans laquelle sont stockées toutes les données traitées par le programme SS : Stack Segment Début de la pile. La pile est une zone mémoire gérée d une façon particulière. Elle est organisée comme une pile d assiettes. On pose et on retire les assiettes toujours sur le haut de la pile. Un seul registre d adresse suffit donc pour la gérer, c est le stack pointer SP. On dit que c est une pile LIFO (Last IN, First Out). Empiler une donnée : sauvegarder une donnée sur (le sommet) de la pile Dépiler une donnée : retirer une donnée (du sommet) de la pile ES : Extra Segment Début d'un segment auxiliaire pour données Le registre d'état (flags) CF : indicateur de retenue (carry) ; PF : indicateur de parité ; indique que le nombre de 1 est un nombre pair AF : indicateur de retenue auxiliaire ; indique une retenue sur les 4 bits (digit) de poids faible. ZF : indicateur de zéro ; Indique que le résultat d'une opération arithmétique ou logique est nul. SF : indicateur de signe ; reproduit le bit de poids fort d'une quantité signée sur 8 bits ou sur 16 bit. TF : indicateur d exécution pas à pas (trap) ; IF : indicateur d autorisation d interruption ; DF : indicateur de décrémentation ; fixe la direction de l'auto-inc/décrémentation de SI et DI lors des instructions de manipulation de chaînes. OF : indicateur de dépassement (overflow). Page13