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Microcontrôleur Prof. KHOULJI S. 15 C C Ch h ha a ap p pi i it t tr r re e e I

Microcontrôleur Prof. KHOULJI S. 15 C C Ch h ha a ap p pi i it t tr r re e e I I II I I : : : A A Ar r rc c ch h hi i it t te e ec c ct t tu u ur r re e e G G Gé é én n né é ér r ra a al l le e e d d d’ ’ ’u u un n n M M Mi i ic c cr r ro o oc c co o on n nt t tr r rô ô ôl l le e eu u ur r r Plan ------------------------------------------------------------------------------------- 1. Introduction 2. Architecture de µc 3. Microprocesseur (CPU) 4. Les registres 5. Entré/sortie 6. Mémoires 7. Oscillateur 8. Convertisseurs 9. Temporisateur : Timer /compteur 10. Chiens de garde (watchdog) 11. Interruption -------------------------------------------------------------------------------------- 1. Introduction : Un microcontrôleur (en notation abrégée µc, ou uc ou encore MCU en anglais) est un circuit intégré qui rassemble les éléments essentiels d'un ordinateur : processeur, mémoires (mémoire morte pour le programme, mémoire vive pour les données), unités périphériques et interfaces d'entrées-sorties. Les microcontrôleurs se caractérisent par:  un plus haut degré d'intégration.  une plus faible consommation électrique (quelques milliwatts en fonctionnement, quelques nano watts en veille).  une vitesse de fonctionnement plus faible (quelques mégahertz à quelques centaines de mégahertz  un coût réduit par rapport aux microprocesseurs polyvalents utilisés dans les ordinateurs personnels. Un microcontrôleur est un circuit programmable capable d‟exécuter un programme et qui possède des circuits d‟interface avec le monde extérieur. On retrouve ainsi les microcontrôleurs dans de nombreuses applications :  Télécommunications : cartes FAX et MODEM, Minitel, téléphones portables (interfaces homme machine, gestion d'écrans graphiques)...  Industriels : automates programmables, contrôle de processus divers, supervision... Microcontrôleur Prof. KHOULJI S. 16  Commercial : électroménager, domotique...  Automobile : ABS, tableau de bord, contrôle des sièges, des vitres...  Militaire et spatial : sonde, lanceurs de fusées, missile, robots...  Loisirs : expo-sciences Réunion  Systèmes embarqués, comme les contrôleurs des moteurs automobiles, les télécommandes, les appareils de bureau, l'électroménager, les jouets, la téléphonie mobile, etc. a) Un peu d’Histoire : De l'ordinateur au microcontrôleur : Le diagramme ci-dessous montre les grandes étapes de l'évolution. Chaque étape a été marquée par un processeur différent. L'avènement des transistors (1958), des circuits intégrés (1968) et des circuits intégrés à haute densité (1978) a permis de construire des ordinateurs de plus en plus petits et de plus en plus puissants. Chacune des intégrations laisse leurs traces dans les différents noms que l'on rencontre aujourd'hui : mini-ordinateur, microprocesseur, micro-ordinateur, microcontrôleur... On les doit principalement à la société Intel fondé en 1968. Voici les grandes étapes d'évolution :  Mini-Ordinateur : première intégration, cet ordinateur contient maintenant une Unité Centrale de traitement sur une seule carte.  Microprocesseur : deuxième intégration, l'Unité Centrale est contenue dans un seul circuit, c'est le C.P.U. . Ce fut le 4004 en 1971, le 8008 en 1972 puis le 8080 en 1974. Ce dernier eut un tel succès qu'il est considéré comme le père de nos microprocesseurs et microcontrôleurs d'aujourd'hui.  Micro-Ordinateur : c'est le nom qui désignera désormais un ordinateur conçu autour d'un microprocesseur.  Microcontrôleur : troisième intégration, l'ensemble des 3 unités (centrale, mémoires et périphériques) sont maintenant contenues dans un seul circuit. Ce fut le 8048 en 1976 puis le 8051 en 1980.  Micro-ordinateur embarqué : C'est un ordinateur spécialisé et conçu autour d'un microcontrôleur. Il est capable de réagir à des évènements plus rapides. Deux noms sont à l'origine des plus fameux microcontrôleurs utilisés : Intel et Motorola, avec deux architectures différentes. En terme électronique, on parlera de cœur 8051 ou cœur 68HC11 par exemple. Microcontrôleur Prof. KHOULJI S. 17 b) Le marché des microcontrôleurs Différents constructeurs de microcontrôleurs se disputent le marché mondial. Parmi les plus importants à l'heure actuelle et dans l'ordre décroissant de leur importance en termes de volumes de vente:  Motorola (68HC11).  Microchip (séries des PIC).  Mitsubishi (M30620).  NEC (78C10).  Philips (80C552).  Intel (8051). Entre parenthèse est indiquée la référence du microcontrôleur le plus vendu par la société en question. Historiquement la société pionnière est INTEL qui est considéré comme le père du microcontrôleur avec le 8048 dans les années 1970. Ainsi il existe quatre principaux types de microcontrôleurs que l'on peut différencier par la taille de leur bus de données.  Le 4 bits essentiellement utilisé pour les automatismes simples (petits automatismes, jouets,...). Peu cher il est fabriqué en grande quantité pour des applications de grande consommation.  Le 8 bits qui est le plus répandu. En effet il existe une grande diversité de ces microcontrôleurs et ceux-ci permettent une grande souplesse quant à leur utilisation.  Le 16 bits moins courant est utilisé pour des applications exigeantes.  Enfin le 32 bits très peu utilisé n'intervient qu'au sein de très gros projets. c) Les composants intégrés Un microcontrôleur intègre sur un unique die :  Central Processing Unit (CPU), désigne le microprocesseur, avec une largeur du chemin de données allant de 4 bits pour les modèles les plus basiques à 32 ou 64 bits pour les modèles les plus évolués ;  de la mémoire vive (RAM) Random Access Memory, mémoire servant à stocker les variables et les données créées par le programme  de la mémoire morte (ROM) : Read Only Memory, est une mémoire à lecture seule, qui stocke le programme. Différentes technologies peuvent être employées : EPROM, EEPROM, mémoire flash (la plus récente) ; Microcontrôleur Prof. KHOULJI S. 18  souvent un oscillateur pour le cadencement. Il peut être réalisé avec un quartz, un circuit RC ou encore une PLL ;  des périphériques, capables d'effectuer des tâches spécifiques. On peut mentionner entre autres :  les convertisseurs analogiques-numériques (CAN) (donnent un nombre binaire à partir d'une tension électrique),  les convertisseurs numériques-analogiques (CNA) (effectuent l'opération inverse),  les générateurs de signaux à modulation de largeur d'impulsion (MLI, ou en anglais, PWM pour Pulse Width Modulation),  les timers/compteurs (compteurs d'impulsions d'horloge interne ou d'événements externes),  les chiens de garde (watchdog),  les comparateurs (comparent deux tensions électriques),  les contrôleurs de bus de communication (UART, I2C, SSP, CAN, FlexRay, USB, Ethernet, etc.).  Le fonctionnement des périphériques peut être paramétré et commandé par le programme et/ou les entrées-sorties. Les périphériques peuvent générer une interruption qui contraint le processeur à quitter le programme en cours pour effectuer une routine de traitement de l‟interruption, lorsque l‟événement qui la déclenche survient.  Les microcontrôleurs peuvent généralement se placer dans un état de sommeil, dans lequel ils présentent une très faible consommation électrique. Un signal envoyé par l'un de leurs périphériques (timer, broche d'entrée-sortie, watchdog, etc.) permet de les faire sortir de cet état de sommeil.  Certains microcontrôleurs ont un nombre très restreint de broches, si bien qu'une broche donnée peut correspondre à plusieurs périphériques internes. La fonction choisie doit alors être sélectionnée par logiciel.  Le choix des périphériques à intégrer dans un microcontrôleur est délicat. Les fabricants doivent réaliser un compromis entre des besoins contradictoires : utiliser des fréquences élevées, réduire la taille du circuit, apporter des fonctionnalités nombreuses, élaborer une architecture flexible, assurer des coûts modérés, etc. 2. Architecture générale d’un microcontrôleur 3. Microprocesseur : Microcontrôleur Prof. KHOULJI S. 19 3.1. Architecture interne du microprocesseur Le processeur (microprocesseur) est le composant hardware le plus connu d'un système micro-programmé. C'est l'unité intelligente de traitement des informations. Le microprocesseur a pour mission de rechercher les instructions (lire le programme) qui sont en mémoire, de les décoder et de les exécuter. Un microprocesseur est construit autour de deux éléments principaux :  Une unité de commande et Une unité de traitement 1. Une unité de commande (UC) chargée de traduire puis d‟exécuter les commandes ; Son rôle est d‟aller chercher une information en mémoire centrale, d‟analyser cette instruction (décodage), d‟exécuter cette instruction, de localiser l‟instruction suivante. • Un décodeur d‟instruction • Un séquenceur et des circuits de commande Les blocs de l‟unité de commande contiennent:  Le compteur de programme (PC : Programme Counter) appelé aussi Compteur Ordinal (CO) est constitué par un registre dont le contenu est initialisé avec l'adresse de la première instruction du programme. Il contient toujours l‟adresse de la prochaine instruction à exécuter.  Le registre d'instruction et le décodeur d'instruction:  Chacune des instructions à exécuter est transférée depuis la mémoire dans le registre instruction puis est décodée par le décodeur d‟instruction.  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 de l‟instruction qu‟il a a exécuter. Il s'agit d'un automate réalisé de façon micro-programmée. 2. l’unité de traitement Elle regroupe les circuits qui assurent les traitements nécessaires à l'exécution des instructions Les blocs de l‟unité de traitement contiennent :  Les accumulateurs sont uploads/Management/ chapitre-ii-architecture-generale-d-un-microcontroleur.pdf