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Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 1 Leçon N°1 PRESENTATION

Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 1 Leçon N°1 PRESENTATION DE L’INFORMATIQUE INDUSTRIELLE ET DES SYSTEMES MICRO-PROGRAMMES I – L’INFORMATIQUE INDUSTRIELLE 1. Définition « L'informatique industrielle est une branche de l'informatique appliquée qui couvre l'ensemble des techniques de conception et de programmation, de systèmes informatisés à vocation industrielle, qui ne sont pas des ordinateurs. » (Source : Wikipédia) 2. Domaines d'applications Alarme, automobile, aviation, instrumentation, médicale, téléphonie mobile, terminaux de paiement pour carte bancaire, etc. Applications Automates, robotique, Mesures de grandeurs physiques, Systèmes temps-réel, Systèmes embarqués. Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 2 II- LES DIFFERENTS SYSTEMES PROGRAMMABLES 1. Les circuits spécialisés ou ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Les circuits spécialisés sont des circuits spécialisés dès leur conception pour une application donnée. Exemples : - DSP (Digital Signal Processing), - co-processeur arithmétique, - processeur 3-D, - contrôleur de bus, ... Avantages - Très rapide - Consommation moindre - Optimisé pour une application Inconvénients - Faible modularité - Possibilité d'évolution limité - Coût 2. Les systèmes en logique programmée Ils sont connus sous la désignation de PLD (programmable logic device, circuit logique programmable) - FPGA (field-programmable gate array, réseau de portes programmables), - PAL (programmable array logic, réseau logique programmable), - Etc. Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 3 « Un circuit logique programmable, ou réseau logique programmable, est un circuit intégré logique qui peut être reprogrammé après sa fabrication. Il est composé de nombreuses cellules logiques élémentaires pouvant être librement assemblé. » (Wikipédia) Avantages - Forte modularité - Rapidité Inconvénients - Mise en oeuvre plus complexe - Coûts de développement élevé 3. Les systèmes micro-programmés Les micro-contrôleurs sont typiquement des systèmes micro-programmés. Un micro-contrôleur est un : « Circuit intégré comprenant essentiellement un microprocesseur, ses mémoires, et des éléments personnalisés selon l'application. » Un micro-contrôleur contient un microprocesseur. Avantages - Mise en oeuvre simple - Coûts de développement réduits Inconvénients - Plus lent - Utilisation sous optimale III – ÉVOLUTION ET LOI DE MOORE Intel 8086 (1978) architecture interne 16 bits Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 4 bus 16 bits fréquence d'horloge 4,77/10 Mhz 39 000 transistors, gravés en 3µm 0,33/0,75 MIPS Intel Pentium 4 Northwood C (2002) architecture interne 32 bits fréquence d’horloge 2,4/3,4 Ghz (bus processeur : 200Mhz) plus de 42 millions de transistors, gravés en 0,13 µm 450 MIPS Intel Core i7 Gulftown (2011) architecture interne 64 bits 4/6 coeurs fréquence d'horloge 3,46 Ghz Fréquence de bus: 3,2 GHz Fréquence de transfert des données 25.6 Gb/sec. Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 5 1,17 Milliards de transistors, gravés en 32nm 6000 MIPS IV – LES DIFFERENTS BUS D’UN SYSTEME MICRO-PROGRAMME « Un bus est un jeu de lignes partagées pour l’échange de mots numériques. » 1. Définition Un bus permet de faire transiter (liaison série/parallèle) des informations codées en binaire entre deux points. Typiquement les informations sont regroupées en mots : octet (8 bits), word (16 bits) ou double word (32 bits). 2. Caractéristiques d'un bus - Nombres de lignes, Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 6 - Fréquence de transfert. Issu de la documentation technique du PIC16F628 Il existe 3 Types de bus : - Bus de données : permet de transférer entre composants des données, Exemple : résultat d'une opération, valeur d'une variable, etc. - Bus d'adresses : permet de transférer entre composants des adresses, Exemple : adresse d'une case mémoire, etc. - Bus de contrôle : permet l'échange entre les composants d'informations de contrôle [bus rarement représenté sur les schémas]. Exemple : périphérique prêt/occupé, erreur/exécution réussie, etc. Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 7 Leçon N°2 INTRODUCTION SUR LES MICROCONTROLEURS I – INTRODUCTION Dans la chaîne de traitement de l’information, le programme informatique (firmware ou microcode) réalise une fonction importante et est toujours associée à un composant programmable (hardware) équipé d’éléments de sauvegarde ou de mémorisation : le microcontrôleur. II – MICROPROCESSEUR ET MICROCONTROLEUR Il y a une différence fondamentale entre un microprocesseur et un microcontrôleur : - le microcontrôleur intègre dans un même boîtier, un microprocesseur, de la mémoire, et des interfaces entrées/sorties. - le microprocesseur se présente sous la forme d’un boîtier qui nécessite des éléments externes, comme de la mémoire et des circuits d’interfaces. Ils sont présents dans la plupart des systèmes électroniques embarqués ou dédiés à une application unique (exemple : téléphone portable). Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 8 Il en existe de nombreux modèles : - 68HC11 de Motorola, - 8051 de Intel, - les ARM qui sont très utilisés en électronique embarquée - et les PIC de Microchip. III – GENERALITES SUR LES PIC 1. Trois grandes familles - Base-Line (mots d’instructions de 12 ou 14 bits comme les 12Cxxx, 12Fxxx), - Mid-Range (mots de 14 bits comme le 16F628, 16F877, etc.), - High-End (mots de 16 bits). 2. Identification Prenons l’exemple du PIC : PIC16F877A-I/P., 07514KQ Les 2 premiers chiffres indiquent la catégorie du PIC : 16 = Mid-Range. F indique que la mémoire programme est de type FLASH ; on retrouve CR pour ROM (ROM : Read Only Memory) et C pour EPROM (EPROM : Erasable ROM) ou EEPROM EEPROM : Electrical Erasable ROM). Remarque : Un composant qu’on ne peut reprogrammer est appelé OTP pour One Time Programming. Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 9 Les mémoires de type FLASH et EEPROM peuvent être écrites et effacées mais pas la ROM. 877A indique le modèle du PIC. Parfois, un suffixe supplémentaire comme 20 est indiqué. Il s’agit de la fréquence d’horloge maximale. 20 pour 20 MHz. Les PIC sont des composants statiques, ainsi, on peut abaisser la fréquence d’horloge jusqu’à l’arrêt complet sans perte de données et sans dysfonctionnement. I est la gamme de température industrielle (-40°C à +85°C). P est le type de boîtier PDIP, boîtier 40 broches Plastique DIL (Dual In Line). 07 est l’année de fabrication 2007 et 51, la semaine 51, donc fin décembre. 4KQ est un code de traçabilité. 3. Architecture interne Tous les microcontrôleurs utilisent l’une des 2 architectures nommées Harvard et Von Neumann. Elles représentent les différentes manières d’échange de données entre le CPU (microprocesseur interne) et la mémoire. 3.1. Architecture Von Neumann L’architecture VON NEUMANN employée par la plupart des microcontrôleurs actuels (INTEL80XX, Motorola HC05, HC08 et HC11, ou ZILOG Z80) est basée sur un bus de données unique. Celui-ci véhicule les instructions et les données. 1 bloc mémoire et 1 bus de données sur 8 bits (1 octet). Toutes les données sont échangées sur ce bus qui, surchargé, rend la communication très lente. 3.2. Architecture Harvard L’architecture HARVARD utilisée par les microcontrôleurs PIC est basée sur deux bus de données. Un bus est utilisé pour les données et un autre pour les instructions. 2 blocs mémoire distincts et 2 bus différents : 1 bus 8 bits pour communiquer avec la RAM, 1 bus 14 bits pour communiquer avec la ROM, qui contient le programme. Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 10 Le CPU peut lire une instruction (en ROM) et accéder à la mémoire de données (en RAM) en même temps. Remarque : la mémoire RAM (Random Access Memory) est utilisée pour stocker temporairement les données utilisées dans le programme ; ces données sont en effet perdues lors d’une coupure de courant. Avantages et inconvénients VON NEUMANN (MOTOROLA, INTEL, ZILOG...) HARVARD (MICROCHIP PICs) Avantages - Jeu d’instructions riches - Accès à la mémoire facile. - Jeu d’instructions pauvre, mais facile à mémoriser. - Le codage des instructions est facile, chaque instruction est codée sur un mot et dure un cycle machine. - Le code est plus compact. Inconvénients - Le temps pour exécuter une instruction est variable. - Le codage des instructions se fait sur plusieurs octets. - Le jeu d’instruction est très pauvre, par exemple pour effectuer une comparaison il faut faire une soustraction. - Les accès aux registres internes et la mémoire sont très délicats. 4. Jeu d’instructions Toutes les instructions compréhensibles par les microcontrôleurs forment ce que l’on appelle le jeu d’instructions. On distingue 2 types : Cours Microcontrôleurs Iset de Nabeul Mr Nizar TOUJENI 11 composants dits RISC (Reduced Instructions Set Computer), par exemple les PIC. Dans ce cas, le microcontrôleur reconnaît et exécute seulement des opérations simples (addition, soustraction, etc.) et des opérations plus complexes sont réalisées en les combinant. Tous les PIC Mid-Range ont un jeu de 35 instructions. composants dits CISC (Complex Instructions Set Computer). Les microcontrôleurs de ce type possèdent 200 instructions différentes et peuvent réaliser de nombreuses opérations à grande vitesse. Les instructions sont plus complexes. Remarque : La taille mémoire spécifiée pour un PICs s’exprime en Kilo Mots (14 bits pour la famille 16F87X) et non en kilo octets. Comme chaque instruction est codée par un mot de 14 bits, comparées aux microcontrôleurs classiques (1, 2 ou 3 octets par instruction), les PICs ont un code plus compact uploads/s1/ cours-microcontroleurs-tres-important.pdf