Chapitre 1 Cours [PDF]

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Chapitre 1 : Notions de base sur les microprocesseurs

I- INTRODUCTION AUX SYSTEMES INFORMATIQUE Un système informatique sert à exécuter des programmes. Il procure des résultats ou prend des décisions en fonction des données introduites En fait, un système informatique se compose au moins d'une unité centrale et de plusieurs périphériques. L'unité centrale, constituée dans sa configuration minimale, d'un microprocesseur, doit lire son programme, recevoir des données et fournir des résultats. Interface : D'ou la nécessité de communiquer avec des périphériques via des circuits d'Entrée / Sorties (interfaces). On a la synoptique suivante:

LES BUS Le bus de communication est constitué éventuellement de trois bus, qui sont: 1. Le bus de données: permet le transport des données ou les instructions du programme 2. Le bus d'adresses: permet d’acheminer les adresses des cases mémoires ou des ports d'E/S. 3. Le bus de commande: permet de transmettre les ordres dans tout les sens. Exemple: - Lecture de la case mémoire adressé par le bus d'adresse. - Ecriture dans la case mémoire adressé par le bus d'adresse. D'ou le synoptique suivant:

II- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MICROPROCESSEUR Un programme est composé d'instructions rangés aux adresses croissantes de la mémoire. Le microprocesseur doit accomplir les tâches suivantes: 1. Il doit appeler une instruction qu'il lit en mémoire. 2. Il la décode, c'est à dire, qu'il traduit en commandes internes 3. Il l'exécute. Le fonctionnement du microprocesseur dans le cas le plus simple est le suivant: 1. Le microprocesseur recherche une instruction grâce a l'unité de recherche. Les instructions sont rangées dans les cellules mémoires d'adresses croissantes. Il doit donc savoir en permanence, quelle est l'adresse de la cellule à laquelle il doit accéder. Pour cela, il dispose d'un registre qui conserve le nombre correspondant à cette adresse. C'est le compteur ordinal. 2. Le code de l'instruction qui vient d'être lue dans la mémoire est ramené dans le microprocesseur. Il est donc décodé et le processeur sait maintenant ce qu'il doit faire. 3. Le microprocesseur exécute l'instruction.

Le déroulement de l'exécution d'un programme est piloté par des circuits de commande de séquencement qui met les différentes unités en service à tour de rôle.

Un microprocesseur est construit autour de deux éléments principaux :  Une unité de commande : appelé aussi Unité de commande et de contrôle (UCC)  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 interne permettant les échanges d’informations.

2. Unité de calcul en virgule flottante : C’est une unité qui est capable de réaliser les opérations de calcul pour les réels ainsi que les calculs mathématiques et scientifiques complexes. A l’origine la tâche de cette unité était réalisée par tout un processeur à part, en 1989 elle a été intégré dans les microprocesseurs afin d’optimiser les calculs. 3. Unité multimédia : .. C’est une unité qui est chargée d’accélérer l’exécution des programmes multimédia comportant des vidéos, du son, graphisme en 3D etc.… Cette unité porte le nom de MMX pour les premiers pentium (MutiMedia eXtensions) intégrants des fonctions de gestion du mutimédia, de même la technologie 3DNOW pour les AMD et SSE pour les pentiumIII.

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 de traitement est Composé de trois principaux unités d’exécution, la première est l’unité arithmétique et logique (UAL) puis deux autres ont été ajoutés qui sont l’unité de calcul en virgule flottante et l’unité multimédia pour des raisons d’optimisation des performances des microprocesseurs. Unité arithmétique et logique : (UAL) .. Elle est composée de circuits logiques tels que les additionneurs, soustracteurs, comparateurs logiques…etc., afin d’effectuer les calculs et les opérations logiques des différents instructions à exécuter, les données à traiter se présentent aux entrées de l’UAL, sont traités, puis le résultat est fourni en sortie et généralement stocké dans un registre dit accumulateur. Les informations qui concernent l’opération sont envoyées vers le registre d’état. Le schéma suivant montre l’UAL ainsi que ses entrées et ses sorties.

1. Les registres a) L'accumulateur: Utilisé généralement pour ranger l'un des opérandes devant être manipulé par l'ALU. b) Le compteur de programme: C'est un registre qui contient l'adresse de l'instruction suivante du programme. c) Registre d'instruction et décodeur: c'est un registre qui contient l'instruction suivante qui sera décodé pour qu'elle soit exécutée par l'unité d'exécution. d) Registre d'adresse: Un CPU peut utiliser un registre ou une paire de registres pour ranger l'adresse d'un emplacement mémoire. 2. L'unité arithmétique et logique C'est la partie du CPU qui assure les opérations de calcul arithmétique et logique (*,+,,/,ET,OU,NON) et contient un registre flags qui indique le résultat de certaines conditions sous forme de drapeaux (FLAGS). Exemple: Carry,Zéro, Sign et Parity. 3. La circuiterie de contrôle Cette partie du microprocesseur commande la séquence adéquate d'évènements requis pour toute tache de traitement. Donc c'est cette partie qui contrôle l'exécution de tout traitement (programme).

III- Types

d’architecture

III-1. Architecture de Von Neuman Les premières machines de calcul se basaient sur des programmes fixes (non modifiables, ex: calculatrice). L’architecture de Von Neuman (1945) est un modèle qui utilise une structure unique pour les instructions et les données.  Notion de programme stocké en mémoire  Possibilité de programmer la machine  Séparation entre le stockage et le processeur InconvénientArchitecture limitée par l’élément le plus lent (transfert mémoire)

III-2. Architecture de Harvard L’architecture de Harvard sépare physiquement la mémoire de données de la mémoire de programme. Permet de transférer simultanément les données et les instructions à exécuter. L’accès à chaque mémoire par deux bus distincts. Plus rapide que le modèle Von Neuman, mais structure plus complexe

V- Architecture RISC et CISC L’architecture de l’unité centrale de traitement (CPU) permet de fonctionner à l’endroit où elle a été conçue. La conception architecturale du CPU est basée sur le système d’instructions réduit (RISC) ou sur le système d’instructions complexe (CISC).

Les principales caractéristiques d’un microprocesseur sont: Le format des mots de données 8 bits, 16 bits, etc.

Le jeu d’instructions Etendu (CISC) Réduit (RISC)

La taille de l’espace adressable dépend du nombre de bits d’adresses: ex: 65536 emplacements pour 16 bits. La puissance de traitement

s’exprime en MIPS (Millions d’Instructions Par Seconde)

Architectures CISC et RISC

Un microprocesseur à architecture RISC est, en général, plus puissant: la durée moyenne d’exécution d’une instruction est plus courte.

Les processeurs Spécialisés  MicroProcesseurs  Processeur Spécialisés : DSP,GPU Circuits Reconfigurables :FPGA, PLD Circuits Spécifiques : ASIC,ASIP  MicroContrôleurs

Le microcontrôleur. Un microcontrôleur est un composant réunissant sur un seul et même silicium un micro-processeur, divers dispositifs d'entrées/sorties et de contrôle d'interruptions ainsi que de la mémoire, notamment pour stocker le programme d’application. Dédié au contrôle, il embarque également un certain nombre de périphériques spécifiques

Le schéma type d’un microcontrôleur

 Digital Signal Processor (DSP)

chaîne de traitement numérique du signal

Architecture générale d’un DSP Adr.

Don.

CAN CNA Proc. DSP

ROM

RAM Horloge Timers...

Comm. Cont.