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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’ELECTR

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’ELECTROTECHNIQUE, D’ELECTRONIQUE, D’INFORMATIQUE, D’HYDRAULIQUE ET DES TELECOMMUNICATIONS DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE - TRAITEMENT DU SIGNAL COURS ET TRAVAUX PRATIQUES DE MICROPROCESSEUR M.CATTOEN Janvier 2003 -0- TABLE DES MATIERES INTRODUCTION..................................................................................................................................................3 CHAPITRE I..........................................................................................................................................................5 PRINCIPES GENERAUX DES CALCULATEURS NUMERIQUES.............................................................5 INTRODUCTION..................................................................................................................................................5 I-1 FONCTION MEMOIRE.................................................................................................................................8 I-1-1 DEFINITIONS ....................................................................................................................................................8 I-1-2 ORGANISATION DES MEMOIRES........................................................................................................................8 I-1-2-1 Organisation par bits...............................................................................................................................8 I-1-2-2 Organisation par mots...........................................................................................................................10 I-1-3 CLASSIFICATION DES MEMOIRES....................................................................................................................11 I-1-3-1 Mémoires mortes ...................................................................................................................................11 I-1-3-2 Mémoires vives ......................................................................................................................................13 I-1-3-3 Association de mémoires .......................................................................................................................16 I-1-3-4 Autres types de mémoire........................................................................................................................17 I-2 L'UNITE DE TRAITEMENT ......................................................................................................................20 I-2-1 STRUCTURE INTERNE .....................................................................................................................................20 I-2-1-1 Rôle de l'ALU.........................................................................................................................................21 I-2-1-2 Registres de données .............................................................................................................................22 I-2-1-3 Registres d'adresses...............................................................................................................................22 I-2-1-4 Unité de commande ...............................................................................................................................23 I-2-2 ASPECT LOGICIEL...........................................................................................................................................24 I-2-2-1 Classification des instructions...............................................................................................................24 I-2-2-2 Format des instructions.........................................................................................................................24 I-2-2-3 Modes d'adressage ................................................................................................................................24 I-2-2-4 Instructions de saut................................................................................................................................28 I-3 LES ORGANES D'ENTREE-SORTIE........................................................................................................30 I-3-1 FONCTIONS DE BASE ......................................................................................................................................30 I-3-1-1 Isolation-Mémorisation .........................................................................................................................30 I-3-1-2 Synchronisation .....................................................................................................................................30 I-3-1-3 Adressage des organes d'E/S.................................................................................................................31 I-3-1-4 Adaptation du format des informations.................................................................................................32 I-3-2 PROCÉDURES D'ÉCHANGE ..............................................................................................................................32 I-3-2-1 Mode programmé par test de mot d'état................................................................................................33 I-3-2-2 Mode programmé par interruption........................................................................................................33 I-3-2-3 Mode en "accès direct mémoire (DMA)"...............................................................................................37 CHAPITRE II ......................................................................................................................................................41 ETUDE DE MICROPROCESSEURS ET D'ORGANES D'ENTREE-SORTIE ..........................................41 II-1 LE MICROCONTROLEUR 8051..............................................................................................................41 II-1-1 ORGANISATION EXTERNE .............................................................................................................................41 II-1-1-1 Chronologie des échanges avec la mémoire ........................................................................................42 II-1-2 ORGANISATION INTERNE ..............................................................................................................................45 II-1-3 LES INSTRUCTIONS DU 8051 .........................................................................................................................48 II-1-4 MODES D'ADRESSAGE...................................................................................................................................48 II-1-4-1 Mode implicite......................................................................................................................................48 II-1-4-2 Mode immédiat.....................................................................................................................................49 -1- II-1-4-3 Mode direct ..........................................................................................................................................49 II-1-4-4 Mode indirect .......................................................................................................................................49 II-1-4-5 Mode indexé .........................................................................................................................................49 II-1-4-6 Mode relatif..........................................................................................................................................49 II-1-4-7 Opérations spéciales ............................................................................................................................50 II-2 L'INTERFACE PARALLELE 8255 (PROGRAMMABLE PERIPHERAL INTERFACE PPI) ........53 II-2-1 PRESENTATION DU CIRCUIT ..........................................................................................................................53 II-2-1 MODES DE FONCTIONNEMENT ......................................................................................................................54 II-3 LES TRANSMISSIONS SERIE..................................................................................................................57 II-3-1 GENERALITES...............................................................................................................................................57 II-3-1-1 Communications asynchrones..............................................................................................................57 II-3-1-2 Communications synchrones................................................................................................................58 II-3-2 EXEMPLE D'INTERFACE SERIE : L'ACIA MC 6850........................................................................................59 II-3-2-1 Présentation du circuit (Fig.II-3-2)......................................................................................................59 II-3-2-2 Fonctionnement....................................................................................................................................61 CHAPITRE III.....................................................................................................................................................65 III-1 DESCRIPTION DU MATERIEL DE TRAVAUX PRATIQUES................................................................65 III-2 DESCRIPTION DE LA CARTE MICR0CONTROLEUR 8051..................................................................66 III-3 DESCRIPTION DE LA PLAQUETTE DE TP-CNA...................................................................................67 III-4 TRAVAIL A REALISER..............................................................................................................................69 III-4-1 Utilisation de l’environnement MUVISION...........................................................................................69 III-4-2 Exercices de programmation..................................................................................................................70 III-4-3 Sortie d’informations..............................................................................................................................71 III-4-4 Conversion analogique-numérique........................................................................................................72 III-4-5 Acquisition de données...........................................................................................................................73 BIBLIOGRAPHIE...............................................................................................................................................75 ANNEXES ............................................................................................................................................................76 -2- INTRODUCTION L'apparition des microprocesseurs date du début des années 1970. A cette époque, deux événements favorables sont apparus : - le concept de "LSI (Large Scale Integration)" permettant d'intégrer plusieurs milliers de portes sur un même substrat, - l'arrivée à maturité de la technologie MOS caractérisée par sa faible consommation. La conjugaison de ces événements a permis de regrouper une unité centrale d'ordinateur dans un seul circuit intégré appelé "microprocesseur". Depuis, une multitude de composants de ce type sont apparus au sein de familles provenant essentiellement de grands constructeurs américains : Intel, Motorola, Advanced Micro Devices (AMD), Texas Instruments,... et japonais : NEC, Mitsubishi,... Grâce aux progrés de l’intégration, l'augmentation des performances a porté sur : - la vitesse de fonctionnement, - la largeur des mots traités (8, 16, 32, 64 bits), - le nombre et la complexité des opérations réalisables. L’intégration a également permis de rassembler le microprocesseur et les éléments associés (mémoire, organes d’entrée-sortie,...) au sein d’un seul circuit appelé -3- "microcontrôleur". Ce type de composant s’est répandu dans un très grand nombre de domaines (télécommunications, télévision, électro-ménager, hifi...). L'objectif de ce cours est double : présenter les notions de base nécessaires à la compréhension des systèmes utilisant des microprocesseurs et réaliser des travaux pratiques permettant de programmer en langage machine (assembleur) une application d’acquisition de données. Ce document est divisé en 3 chapitres. Le premier chapitre présente les principes généraux de fonctionnement des éléments constituant les calculateurs numériques. Le deuxième chapitre est consacré principalement à l'étude du microcontrôleur 8051 et du circuit d’interface parallèle 8255 (PPI) qui seront mis en oeuvre dans les travaux pratiques. Le troisième chapitre présente le matériel utilisé en travaux pratiques ainsi que les différents programmes d’application à réaliser. En annexe sont fournies des spécifications techniques détaillées des composants utilisés et des informations sur le matériel et le logiciel utilisés en travaux pratiques. -4- CHAPITRE I PRINCIPES GENERAUX DES CALCULATEURS NUMERIQUES INTRODUCTION I-1 FONCTION MEMOIRE I-1-1 Définitions I-1-2 Organisation des mémoires I-1-2-1 Organisation par bits I-1-2-2 Organisation par mots I-1-3 Classification des mémoires I-1-3-1 Mémoires mortes I-1-3-2 Mémoires vives I-1-3-3 Association de mémoires I-1-3-4 Autres types de mémoire INTRODUCTION Le fonctionnement d'un calculateur numérique fait appel à 2 fonctions essentielles : - le stockage de l'information, - le traitement de l'information. Cette information doit pouvoir circuler sous forme électrique ; elle devra donc être codée. La plus petite quantité d'information (unité) est appelée BIT. Elle correspond à la notion de "variable booléenne ou binaire" qui ne peut prendre que les valeurs 0 ou 1. L'échange d'informations entre 2 éléments (émetteur et récepteur) s'effectue par une liaison électrique (ligne) (Fig.I-1-1). Si l'on considère le cas d'un conducteur unique, l'information provient des combinaisons des états successifs de la ligne au cours du temps : ici l'on parle de liaison "série". Le débit d'informations est exprimé en bits/seconde ou "bauds". Source Charge courant Emetteur Récepteur Symbole E R 1 0 Figure I-1-1 Il est plus avantageux d'associer plusieurs conducteurs en "parallèle". Cette association prend le nom de "bus". A un instant donné, l'état du bus est décrit par un mot binaire pouvant prendre n = 2N valeurs où N est le nombre de lignes juxtaposées. Il est commun d'utiliser des groupements de 8 fils, ce qui conduit à la définition de l'"octet". -5- Si l'on considère 2 sous-ensembles reliés par un bus, l'information peut circuler dans un sens (bus unidirectionnel) ou dans les 2 sens (bus bidirectionnel). Dans le premier cas, il s'agit de la liaison entre un émetteur et un récepteur (Fig.I-1-2-a). Dans le second, chaque sous-ensemble peut être configuré soit en émetteur, soit en récepteur (Fig.I-1-2-b). Ici, une ligne supplémentaire est nécessaire pour fixer le sens des échanges. Elle commande le multiplexage interne des liaisons (utilisation d'éléments de type "3 états") (Fig.I-1-2-c). On doit veiller à ce qu'en aucun cas 2 éléments configurés en émetteur commandent l'état du bus simultanément. Dans le cas général, plusieurs sous-ensembles peuvent être connectés sur un même bus, ce qui permet de minimiser le nombre d'interconnexions. a) Bus uni-directionnel E R 4 Symbole E R c) Multiplexage pour liaison bi-directionnelle 4 Symbole E/R E/R E/R E/R b) Bus bi-directionnel commande 3 états Figure I-1-2 Un calculateur numérique se présente de façon générale comme suit : une unité de traitement (UT) travaille sur des données stockées dans un bloc "mémoire" (MEM). L'introduction des données et la récupération des résultats s'effectuent par l'intermédiaire d'un organe "d'entrée-sortie" (E/S) (Fig.I-1-3). Les liaisons entre ces éléments s'effectuent par des bus. -6- E/S UT MEM BUS BUS EXTERIEUR Figure I-1-3 Nous analyserons successivement ces 3 fonctions dans ce premier chapitre. -7- I-1 FONCTION MEMOIRE I-1-1 Définitions Une mémoire est un ensemble de cellules élémentaires qui stockent chacune un bit. Le nombre de cellules est appelé "capacité" de la mémoire. A chaque cellule sont associées 2 informations (Fig. I-1-4) : - une adresse (numéro) permettant de désigner la cellule, - une donnée représentée par son état. Cellules Adresse : numéro de la cellule Données : Contenu de la cellule Mémoire Figure I-1-4 La possibilité d'accéder à une cellule quelconque en fournissant son adresse est appelée "accès aléatoire". On distingue un mode de lecture permettant de connaître l'état de la cellule sélectionnée et un mode d'écriture permettant d'imposer son état. Ces 2 modes sont définis par l'état d'une ligne de lecture-écriture (Read/Write : R/W). Note : la plupart des mémoires à semi-conducteur sont à accès aléatoire. Par contre les mémoires dites "de masse" qui ne sont pas décrites ici (disques, bandes, mémoires à bulles,..) sont à accès séquentiel. I-1-2 Organisation des mémoires I-1-2-1 Organisation par bits Soit n la capacité de la mémoire. Généralement on a : n = 2N, où N représente le nombre de lignes d'adresse. Ainsi, avec N=8 on peut adresser 28 = 256 cellules élémentaires. * Fonctionnement en lecture Chaque cellule peut être lue indépendamment si l'on connecte sa sortie à une entrée d'un multiplexeur (n --> 1). Les entrées de sélection du multiplexeur reçoivent l'adresse. -8- La réalisation la plus simple pour la cellule est une simple connexion à 1 ou à 0 selon l'état à lui donner (solution câblée). Dans ce cas, la mémoire est dite à lecture seule. Si l'on désire pouvoir modifier le contenu de la cellule, il faut remplacer la cellule précédente par un élément dont l'état peut changer ; une bascule de type D par exemple possède cette propriété. Un schéma possible d'organisation pour synthétiser une mémoire à lecture et écriture (N=2) est présenté (Fig.I-1-5). D CK Q D CK Q D CK Q D CK Q D CK Q D E M U X M U X E ADR. R/W S 2 Cellule de base Figure I-1-5 * Fonctionnement en écriture La sélection de la cellule dont on veut fixer l'état s'effectue par un démultiplexeur. En fonction de la valeur de l'adresse, le signal d'écriture est aiguillé vers l'entrée d'horloge de la cellule choisie parmi les 4. La donnée présente sur l'entrée D est alors transférée dans uploads/Management/ cours-et-travaux-pratiques-de-microprocesseur.pdf