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1 Généralités Introduction L'informatique, contraction d'information et automat

1 Généralités Introduction L'informatique, contraction d'information et automatique, est la science du traitement de l'information. Apparue au milieu du 20ème siècle, elle a connu une évolution extrêmement rapide. A sa motivation initiale qui était de faciliter et d'accélérer le calcul, se sont ajoutées de nombreuses fonctionnalités, comme l'automatisation, le contrôle et la commande de processus, la communication ou le partage de l'information. Le cours d’architecture des systèmes à microprocesseurs expose les principes de base du traitement programmé de l’information. La mise en œuvre de ces systèmes s’appuie sur deux modes de réalisation distincts, le matériel et le logiciel. Le matériel (hardware) correspond à l’aspect concret du système : unité centrale, mémoire, organes d’entrées-sorties, etc… Le logiciel (software) correspond à un ensemble d’instructions, appelé programme, qui sont contenues dans les différentes mémoires du système et qui définissent les actions effectuées par le matériel. Qu’entend-t-on par architecture ? L'architecture d'un système à microprocesseur représente l’organisation de ses différentes unités et de leurs interconnexions. Le choix d'une architecture est toujours le résultat d'un compromis : - entre performances et coûts - entre efficacité et facilité de construction - entre performances d'ensemble et facilité de programmation Qu’est ce qu’un microprocesseur ? Un microprocesseur est un circuit intégré complexe. Il résulte de l’intégration sur une puce de fonctions logiques combinatoires (logiques et/ou arithmétique) et séquentielles (registres, compteur, etc…). Il est capable d'interpréter et d'exécuter les instructions d'un programme. Son domaine d’utilisation est donc presque illimité. Le concept de microprocesseur a été créé par la Société Intel. Cette Société, créée en 1968, était spécialisée dans la conception et la fabrication de puces mémoire. À la demande de deux de ses clients — fabricants de calculatrices et de terminaux — Intel étudia une unité de calcul implémentée sur une seule puce. Ceci donna naissance, en 1971, au premier microprocesseur, le 4004, qui était 1 une unité de calcul 4 bits fonctionnant à 108 kHz. Il résultait de l’intégration d’environ 2300 transistors. Remarque : La réalisation de circuits intégrés de plus en plus complexe a été rendue possible par l’apparition du transistor en 1947. Il a fallu attendre 1958 pour voir apparaître le 1ier circuit intégré réalisé par Texas Instrument. 1.5 Où trouve-t-on des systèmes à microprocesseur ? Les applications des systèmes à microprocesseurs sont multiples et variées : - Ordinateur, PDA - console de jeux - calculatrice - télévision - téléphone portable - distributeur automatique d’argent - robotique - lecteur carte à puce, code barre - automobile - instrumentation - etc… 2 2 Architecture de base Modèle de von Neumann Pour traiter une information, un microprocesseur seul ne suffit pas, il faut l’insérer au sein d’un système minimum de traitement programmé de l’in formation. John Von Neumann est à l'origine d'un modèle de machine universelle de traitement programmé de l’information (1946). Cette architecture sert de base à la plupart des systèmes à microprocesseur actuel. Elle est composée des éléments suivants :  une unité centrale  une mémoire principale  des interfaces d’entrées/sorties Les différents organes du système sont reliés par des voies de communication appelées bus. 2.1. L’unité centrale Elle est composée par le microprocesseur qui est chargé d’interpréter et d’exécuter les instructions d’un programme, de lire ou de sauvegarder les résultats dans la mémoire et de communiquer avec les unités d’échange. Toutes les activités du microprocesseur sont cadencées par une horloge. On caractérise le microprocesseur par : – sa fréquence d’horloge : en MHz ou GHz – le nombre d’instructions par secondes qu’il est capable d’exécuter : en MIPS – la taille des données qu’il est capable de traiter : en bits 3 2.2. La mémoire principale Elle contient les instructions du ou des programmes en cours d’exécution et les données associées à ce programme. Physiquement, elle se décompose souvent en : – une mémoire morte (ROM = Read Only Memory) chargée de stocker le programme. C’est une mémoire à lecture seule. – une mémoire vive (RAM = Random Access Memory) chargée de stocker les données intermédiaires ou les résultats de calculs. On peut lire ou écrire des données dedans, ces données sont perdues à la mise hors tension. Remarque : Les disques durs, disquettes, CDROM, etc… sont des périphériques de stockage et sont considérés comme des mémoires secondaires. 2.3. Les interfaces d’entrées/sorties Elles permettent d’assurer la communication entre le microprocesseur et les périphériques. (Capteur, clavier, moniteur ou afficheur, imprimante, modem, etc…). 2.4. Les bus Un bus est un ensemble de fils qui assure la transmission du même type d’information. On retrouve trois types de bus véhiculant des informations en parallèle dans un système de traitement programmé de l’information : - un bus de données : bidirectionnel qui assure le transfert des informations entre le microprocesseur et son environnement, et inversement. Son nombre de lignes est égal à la capacité de traitement du microprocesseur. - un bus d'adresses : unidirectionnel qui permet la sélection des informations à traiter dans un espace mémoire (ou espace adressable) qui peut avoir 2n emplacements, avec n = nombre de conducteurs du bus d'adresses. - un bus de commande: constitué par quelques conducteurs qui assurent la synchronisation des flux d'informations sur les bus des données et des adresses. 4 3 Le microprocesseur Définition Un microprocesseur est un circuit intégré complexe caractérisé par une très grande intégration et doté des facultés d'interprétation et d'exécution des instructions d'un programme. Il est chargé d’organiser les tâches précisées par le programme et d’assurer leur exécution. Il doit aussi prendre en compte les informations extérieures au système et assurer leur traitement. C’est le cerveau du système. A l’heure actuelle, un microprocesseur regroupe sur quelques millimètres carrés des fonctionnalités toujours plus complexes. Leur puissance continue de s’accroître et leur encombrement diminue régulièrement respectant toujours, pour le moment, la fameuse loi de Moore (1). Moore (un des co-fondateurs de la société Intel) a émis l'hypothèse que les capacités technologiques permettraient de multiplier par 2 tous les 18 mois le nombre de transistors intégrés sur les circuits. Architecture de base d’un microprocesseur Un microprocesseur est construit autour de deux éléments principaux :  Une unité de commande  Une unité de traitement Associés à des registres chargées de stocker les différentes informations à traiter. Ces trois éléments sont reliés entre eux par des bus inter ne permettant les échanges d’informations. 5 Remarque : Il existe deux types de registres :  les registres d'usage général permettent à l'unité de traitement de manipuler des données à vitesse élevée. Ils sont connectés au bus de données interne au microprocesseur.  les registres d'adresses (pointeurs) connectés sur le bus adresses. L’unité de commande Elle permet de séquencer le déroulement des instructions. Elle effectue la recherche en mémoire de l'instruction. Comme chaque instruction est codée sous forme binaire, elle en assure le décodage pour enfin réaliser son exécution puis effectue la préparation de l'instruction suivante. Pour cela, elle est composée par :  le compteur de programme constitué par un registre dont le contenu est initialisé avec l'adresse de la première instruction du programme. Il contient toujours l’adresse de l’instruction à exécuter.  le registre d'instruction et le décodeur d'instruction : chacune des instructions à exécuter est rangée dans le registre instruction puis est décodée par le décodeur d’instruction.  Le Bloc logique de commande (ou séquenceur) : Il organise l'exécution des instructions au rythme d’une horloge. Il élabore tous les signaux de synchronisation internes ou externes (bus de commande) du microprocesseur en fonction des divers signaux de commande provenant du décodeur d’instruction ou du registre d’état par exemple. Il s'agit d'un automate réalisé soit de façon câblée (obsolète), soit de façon micro-programmée, on parle alors de micro-microprocesseur. L’unité de traitement C’est le cœur du microprocesseur. Elle regroupe les circuits qui assurent les traitements nécessaires à l'exécution des instructions : L’Unité Arithmétique et Logique (UAL) est un circuit complexe qui assure les fonctions logiques (ET, OU, Comparaison, Décalage, et c…) ou arithmétique (Addition, soustraction). Le registre d'état est généralement composé de 8 bits à considérer individuellement. Chacun de ces bits est un indicateur dont l'état dépend du résultat de la dernière opération effectuée par l’UAL. On les appelle indicateur d’état ou flag ou drapeaux. Dans un programme le résultat du test de leur état conditionne souvent le déroulement de la suite du programme. On peut citer par exemple les indicateurs de :  retenue (carry : C)  retenue intermédiaire (Auxiliary-Carry : AC)  signe (Sign : S)  débordement (overflow : OV ou V) 6  zéro (Z)  parité (Parity : P) Les accumulateurs sont des registres de travail qui servent à stocker une opérande au début d'une opération arithmétique et le résultat à la fin de l'opération. Schéma fonctionnel interne du microprocesseur Cycle d’exécution d’une instruction Le microprocesseur ne comprend qu’un certain nombre d’instructions qui sont codées en binaire. Le traitement d’une instruction peut être décomposé en trois phases. Phase 1: Recherche de l'instruction à traiter 1. Le PC contient l'adresse de l'instruction suivante du programme. Cette valeur est placée sur le bus d'adresses par l'unité de commande qui uploads/Management/ ato1-lpro.pdf