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1 Overview sur l’Architecture Papy Mukanda Ingénieur électronicien - Génie Télé

1 Overview sur l’Architecture Papy Mukanda Ingénieur électronicien - Génie Télécoms Edition : Janvier 2020 0. INTRODUCTION GENERALE Overview sur l’Architecture des Microprocesseurs – Ed. : Janvier 2020 Ir. Papy Mukanda 2 0.0. Objectif du Cours 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, la commande et le contrôle de processus, la communication ou le partage de l’information. Le cours intitulé «Overview sur l’Architecture des Microprocesseurs» expose les principes de fonctionnement des microprocesseurs. Il ne s’agit pas ici d’apprendre à programmer, mais de comprendre, à bas niveau, l’organisation de ces composants. Ce cours s’adresse aux étudiants de : Formation : informatique. Niveau : premier cycle universitaire. Orientation : Télématique & Réseaux. L’objectif majeur de ce cours est de présenter la structure matérielle, fonctionnelle et logicielle d’un microprocesseur standard et de son environnement. Le µP est un composant intégré né du développement de l’informatique et de l’électronique. Son emploi ne se limite pas seulement aux ordinateurs, mais à une grande gamme de produits tels que : téléphone portable, poste téléviseur, lessiveuse, camescope, …. Overview sur l’Architecture des Microprocesseurs – Ed. : Janvier 2020 Ir. Papy Mukanda 3 CHAPITRE I : GENERALITES I.1. INTRODUCTION 1.1.1. De l’ordinateur aux circuits logiques Overview sur l’Architecture des Microprocesseurs – Ed. : Janvier 2020 Ir. Papy Mukanda 4 1.1.2. Aperçu historique Depuis les années 1940, l’informatique et l’électronique font cause commune. Les ordinateurs ont bénéficié des avancées successives de l’électronique pour améliorer leur fiabilité, leurs performances et leur miniaturisation. 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 d’éléments (portes logiques) 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 les fonctions d’une unité centrale d’ordinateur (CPU) dans un seul circuit intégré appelé « microprocesseur ». L’intégration technologique a également permis de rassembler le microprocesseur et ses éléments associés dans une seule puce électronique, on parle donc des systèmes embarqués ou des systèmes enfouis. Dans cette catégorie, on peut citer : - les microcontrôleurs ; - les processeurs de traitement du signal (DSP) ; - les processeurs de traitement d’images ; - les processeurs spécialisés d’E/S, … Un microcontrôleur se présente sous la forme d’un circuit intégré autonome réunissant tous les éléments d’une structure à base de microprocesseur. Voici généralement ce que l’on trouve à l’intérieur d’un tel composant : - Un microprocesseur (C.P.U.), - De la mémoire de donnée (RAM et EEPROM), - De la mémoire programme (ROM, UVPROM ou EEPROM), Overview sur l’Architecture des Microprocesseurs – Ed. : Janvier 2020 Ir. Papy Mukanda 5 - Des interfaces parallèles pour la connexion des entrées / sorties, - Des interfaces séries (synchrone ou asynchrone) pour le dialogue avec d’autres unités, - Des compteurs programmables (timers) pour générer ou mesurer des signaux avec une grande précision temporelle, - des convertisseurs analogiques –numériques pour le traitement des signaux analogiques, - d’autres modules très performants selon la taille des µC. Ce type de composant s’est répandu dans un très grand nombre de domaines : Console de jeux, calculatrice, télévision, téléphone portable, distributeur automatique d’argent, robotique, lecteur carte à puce, code barre, automobile, instruments de mesure, appareil de photo numérique, lave-linge, four à micro-onde, récepteur GPS, lecteur MP3, etc. Exemple d’un Microcontrôleur : Intel 80186 -16 bits, Motorola 6809 -8 bits, Motorola 68000 -16 bits ; etc. REMARQUE - Les microcontrôleurs sont souvent utilisés dans l'élaboration de systèmes embarqués, nécessitant des traitements spécialisés. Ces circuits intégrés sont également très prisés en robotique amateur et permettent de réaliser de nombreuses applications y compris Overview sur l’Architecture des Microprocesseurs – Ed. : Janvier 2020 Ir. Papy Mukanda 6 des robots autonomes. Ils sont dédiés aux applications qui ne nécessitent pas une grande quantité de calculs complexes, mais qui ne demandent beaucoup de manipulations d’E/S. - les systèmes à µP sont plutôt réservés pour les applications demandant beaucoup de traitements de l’information et assez peu de gestion d’E/S. Avantages : . Encombrement réduit, . Circuit imprimé peu complexe, . Faible consommation, . Coût réduit. Inconvénients: . Système de développement onéreux, . Programmation nécessitant un matériel adapté. I.2. Intégration et Technologies des Composants digitaux I.4.1. Capacité d’intégration des composants ABBREVIATION SIGNIFICATION DEGRE D’INTEGRATION SSI Small Scale Integration = intégration à faible densité <10 éléments MSI Medium Scale Integration = intégration à moyenne densité <100 éléments LSI Large Scale Integration = intégration à grande échelle <1.000 éléments VLSI Very Large Scale Integration = intégration à très haute densité <10.000 éléments ULSI Ultra Large Scale Integration = intégration à ultre haute densité <100.000 éléments SLSI Super large Scale Integration = Intégration à super haute densité <1.000.000 éléments A ce jour, plusieurs technologies à semi-conducteurs sont mises en œuvre pour la fabrication des Microprocesseurs et des circuits digitaux en Informatique. Les plus répandues utilisent les matériaux à silice (Si02) et les matériaux à arséniure du Gallium (GaAs). Overview sur l’Architecture des Microprocesseurs – Ed. : Janvier 2020 Ir. Papy Mukanda 7 Notons également que la technologie GaAs est une technologie expérimentale. On retrouve certains circuits dans les équipements qui requièrent une rapidité exceptionnelle comme des écrans. Bien que l’on retrouve du GaAs dans certains gros ordinateurs, aucun ordinateur n’est fabriqué avec une quantité significative de GaAs. Un problème majeur subsiste, les puces de GaAs se casse facilement. I.3.2. Technologies de fabrication à base de la silice TECHNO AVANTAGES INCOVENIENTS APPLICATION TTL -Grande vitesse d’exécution (100 ns) -faible niveau d’intégration - µP par tranche P-MOS -Techno maîtrisée et économique -Niveau d’intégration moyenne (4.000 transistors/puce). - Ancienne technologie (1980) - Consomme beaucoup d’énergie et chauffe beaucoup. - technologie trop lente µP monolytique, mémoires, UART, interfaces E/S N-MOS -Techno plus rapide -Excellente densité d’intégration (256.000.000 transistors/puce). - Consomme peu d’énergie. - Très utilisée, surtout pour les Mémoires centrales C-MOS - combine les performances du P-MOS et du N-MOS - consomme très peu d’énergie. - techno très rapide. -densité intégration moyenne (20.000.000 transistors/puce) - utilisée surtout pour les µP des ordinateurs modernes et aussi dans certains composants en aéronautique et aérospatial. I2L -Technologie rapide -Bonne densité d’intégration -très faible consommation - pas encore réussi pour les µP Grand public : montres digitales, calculatrices de poche, etc. TTL : Transistor Transistor Logic PMOS : P channel Metal Oxide Semiconductor NMOS : N channel Metal Oxide Semiconductor CMOS : Complementary Metal Oxide Semiconductor I 2L : Injection Integration Logic. Overview sur l’Architecture des Microprocesseurs – Ed. : Janvier 2020 Ir. Papy Mukanda 8 I.4. ARCHITECTURE D’UN SYSTEME A BASE DU µP I.4.1. Modèle de VON NEUMAN) La mise en œuvre des systèmes à base des microprocesseurs s’appuie sur deux modes de réalisation distincts, le matériel et le logiciel.  Le matériel (hardware) correspond à l’aspect concret du système (configuration physique, architecture interne, topologie des unités, …).  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. Le fonctionnement d’un système à µP fait appel à 3 fonctions essentielles : - le stockage de données ; - le traitement de données ; - l’échange de données. Bus de contrôle. PERIPHERIQUE Pour traiter une donnée, un µP seul ne suffit pas, il faut l’insérer au sein d’un système minimum de traitement programmé de données. John Von Neumann (1946) est à l’origine d’un modèle de machine universelle dont l’architecture sert de Overview sur l’Architecture des Microprocesseurs – Ed. : Janvier 2020 Ir. Papy Mukanda RAM E/S BUS D’ADRESSES CLOCK MPU ROM POWER BUS DE DONNEES 9 référence à la plupart des systèmes à base de µP actuels (calculateur, ordinateur, Miniordinateur, microordinateur, etc.). Ce système est articulé en 3 blocs fonctionnels principaux : - une unité de commande et de traitement qui est l’automate sous-jacent à la machine incluant quelque fois une horloge externe ; - une mémoire principale (centrale) ; - des unités d’entrée/sortie pour la communication homme machine. Ces différents blocs fonctionnels du système sont reliés par des voies de communication appelées : bus. L’architecture d’un système à base de µP représente l’organisation de ses différents organes et de leurs interconnexions. Les particularités du modèle VON NEUMAN : 1) Elle procure une grande souplesse d’utilisation. 2) Elle est caractérisée par son grand défaut qui est le goulot d’étranglement que constitue la communication avec la mémoire. 3) Elle est caractérisée par le fait que les données et le programme se trouvent dans la mémoire dite centrale. I.5.2. CPU & MPU Le CPU (Central Processing Unit = Unité Centrale de Traitement) est un automate exécutant les différentes séquences propres à chaque instruction. Il peut être réalisé de plusieurs façons :  de façon câblée, par des éléments classiques uploads/Management/ microprocess-eur.pdf