cours - microprocesseurs et microcontroleurs - internet.pdf

8/15/2019 Cours - Microprocesseurs et Microcontroleurs - internet.pdf

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Microprocesseurs&

Microcontrôleurs

Sylvain MONTAGNY

sylvain.montagny@univ-savoie.fr

Bâtiment chablais, bureau 13

04 79 75 86 86Retrouver tous les documents de Cours/TD/TP sur le site

www.master-electronique.com

Université de Savoie 2

Présentation cours : Sommaire

l Cours : 10.5 h en 7 séancesl Chapitre 1 : Rappels généraux sur les processeurs

l Chapitre 2 : Les microcontrôleursl Définition

l Etude des périphériques

l Chapitre 3 : La programmation

Présentation TD

lTD : 10.5 h en 7 séancesl TD1 : Rappel sur les systèmes à microprocesseur. Cadencement

d un microcontrôleur. Instructions assembleurs.

l TD2 : Utilisation du timer d un microcontrôleur. Configuration desports d entrée/sortie d un microcontrôleur.

l TD3 : Les interruptions

l TD4 : Gestion d afficheur 7 segments

l TD5 : Conversion Analogique / Numérique

Présentation TP

l TP : 12h en 3 séances de 4hl TP1 : Prise en main d un environnement de

programmation sur microcontrôleur

l TP2 : Etude du Watchdog, et des interruptionsdans un microcontrôleur

l TP3 : Réalisation d un minuteur à l aide d unafficheur 7 segments.

Le microprocesseurArchitecture interne (1)

Unité de

commande

Programme

Données

Bus de données

Bus d adresses

Registred état

Accumulateur

Unité de

traitement

Microprocesseur

M é m o i r e

Le microprocesseur Architecture interne (2)

Programme

Données

Bus de données

Bloc logique

de commande

Décodeur

d’instruction

Bus d adresses

Registred état

Accumulateur

Registred état

Microprocesseur

M é m o i r e

Le microprocesseurUnité de commande

Elle permet de séquencer le déroulement des instructions.

Bloc logique

de commande

Décodeur

d’instruction

Instruction

Bus d adressePC : Programme Counter, appelé aussiCompteur Ordinal. Il contient toujoursl adresse de la prochaine instruction àexécuter.

Le décodeur d'instruction : Le mot binaire(instruction) est décodé pour savoir à quelleaction correspond l instruction.

Bloc logique de commande (séquenceur) :Il organise l'exécution des instructions aurythme de l horloge. Il élabore tous les

signaux de synchronisation dumicroprocesseur en fonction de l instructionqu il a à exécuter.

L architectureVon Neuman

l Un seul chemin d'accès à la mémoirel Un bus de données (programme et données),

l Un bus d adresse (programme et données)

Architecture des processeurs d usage générall Goulot d'étranglement pour l'accès à la mémoire

MémoireProgramme

données

L architectureHarvard

l Séparation des mémoires programme et donnéesl Un bus de données programme,

l Un bus de données pour les données,

l Un bus d adresse programme,

l Un bus d adresse pour les données.

l Meilleure utilisation du CPU :l Chargement du programme et des données en parallèle

Mémoireprogramme

Mémoire

donnée

L architectureHarvard : Cas des microcontrôleurs PIC

l Seul les bus de donnée (data ou instructions) sontreprésentées

Le traitement des instructionsExemple d instruction

l Instruction Addition :Accumulateur = Accumulateur + Opérande

Correspond à l instruction ADD A,#2

Cette instruction est comprise par le processeur par le mot binaire :

11001 000 0000 0010 = code machine

Instruction (16 bits)

Code opératoire (5 bits) Champ opérande (11 bits)ADD A #2

11001 000 0000 0010

Le traitement des instructionsPhase 1 : Recherche de l instruction en mémoire

La valeur du PC est placée sur le bus d'adresse, et l'unité decommande émet un ordre de lecture de la mémoire.

Après le temps d'accès à la mémoire, le contenu de la case

mémoire sélectionnée (instruction) est disponible sur le bus desdonnées et arrive à l entrée du décodeur.

Ordres :

1. Attaquer camp romain

2. Organiser banquet

Outils :

1. Menhir, Potion magique

2. Sanglier

Unité de traitement Unité de commande

Rapporter moi les ordres

écrits sur ce parchemin !!!

Le traitement des instructionsDéroulement

Programme

Données

Bus de données

Bloc logique

de commande

Décodeur

d’instruction

Bus d adresses

Registred état

Accumulateur Accumulateur

Registred état

Microprocesseur

M é m o i r e

Le traitement des instructionsLes architectures RISC et CISC (1)

Actuellement l architecture des microprocesseurs secomposent de deux grandes familles :

l L architecture CISC(Complex Instruction Set Computer)

l L architecture RISC(Reduced Instruction Set Computer)

Chapitre 1 : Rappels généraux sur lesprocesseurs

l 1.1 Rappel sur l architecture interne desmicroprocesseurs

l 1.2 Le traitement des instructions

l 1.3 Les modes d adressages

l 1.4 Exemple d exécution d un programme

Les modes d adressages

l Ce sont les diverses manières de définir lalocalisation d un opérande. Les trois modesd adressage les plus courant sont :

l Adressage immédiat

l Adressage direct

l Adressage indirect

Pourquoi existe-t-il plusieurs modes d’adressage ?

Les modes d adressagesIndirect

A c c u m u l a t e u r

adrs+1PC

Compteur Ordinal

Adresses0 1 1 0 1 1 0 1

0 1 0 0 0 1 0 1

0 0 1 0 1 1 1 1

1 1 0 1 0 1 0 1

0 1 1 0 1 0 0 1

1 0 1 0 1 1 0 1

0 0 1 1 1 0 0 0

1 1 0 0 0 1 0 1

1 0 1 0 1 0 0 1

0 1 1 1 1 0 1 0

Mémoire

Adresses………………..

………………..

@adresseX

adresseX…………………

xxxxx xxxxxx

………………….

…………………

Mémoire

adrs + 1

adrs + 2

Exemple : ADDA @adresseX

@adresseX

adresseX

Contenu

Chapitre 1 : Rappel généraux sur lesprocesseurs

l 1.1 Rappel sur l architecture interne desmicroprocesseurs

l 1.2 Le traitement des instructions

l 1.3 Les modes d adressages

l 1.4 Exemple d exécution d un programme

Exemple d exécution (1)

Le compilateur génère aussi un fichier assembleur, représentant le codeet les emplacements mémoire qui seront utilisés.

Le jeu d instruction du PIC16F

D après la datasheet :l Quelles sont les trois grandes catégories d instruction du PIC16F877A?

l Quelle est la taille d une instruction en mémoire ?

l Expliquez les instructions : INCFSZ, BTFSC, ANDLW et donner unexemple d utilisation pour chacune de ces instructions.

l Le programme compilé ci-dessous rassemble un code exécutable de laforme suivante, donner la séquence d instruction réalisée et l action dechacune :l 0187h CLRF PORTC;l 2822h GOTO 22h;

l 0987h COMF PORTC,1;

l 0BFCh DECFSZ 7C,1;

Définition d un microcontrôleur

Un microcontrôleur est un circuit qui intègre un maximumde fonctions dans un même boitier. L intégration de cesfonctions dans le même environnement permet de créerdes applications plus simplement.

Le circuit intégré d'un microcontrôleur8 bits Intel 8742 possède sur uneunique puce :l Un processeur cadencé à 12 MHzl 128 octets de mémoire vivel Une EPROM de 2048 bitsl De nombreuse entrées-sorties

Définition d un microcontrôleur Contenu

l La structure interne d'un microcontrôleur comportetypiquement :l Une unité de calcul et de commandel Mémoire ROMl Mémoire RAMl Un contrôleur d interruption

l Un compteur/temporisateur (timer)l Des entrées/sorties parallèles (ports)l Un UART (port série)

l Il peut aussi posséder :l Un Watchdog : (surveillance du programme)

l Une sortie PWM (modulation d impulsion)l Un CAN/CNA (Convertisseur analogique numérique)l Un interface I²C, CAN

Définition d un microcontrôleur Exemple : Microcontrôleur PIC 16F877

Définition d un microcontrôleur Les mémoires (1)

l ROM memory :Aussi appelé (à juste titre) program memory.C est une mémoire Flash qui contient leprogramme à exécuter.

l EEPROM memoryC est une mémoire similaire à la mémoire programme. On s en sert

surtout pour stocker des constantes.

Définition d un microcontrôleur Les mémoires (2)

l RAM memory :l General Purpose Register : Mémoire RAM classique, utiliser pour

stocké des variables. Exemple :int i;

i++; // incrémentation de i depuis la RAM

l SFR (Special Function Register) : C est aussi de la mémoire RAM,sauf que les rôles de chacune des cases mémoire (registres) ont étédéfinis par le fabriquant. Chaque registre SFR est connecté à unpériphérique matériel spécifique et permet de la contrôler. Exemple :

ADCON0 register (adresse 9Fh) permet de piloter le convertisseur A/D.

Cadencement du microcontrôleurSchéma du pic 16F877

Chapitre 2 : Les microcontrôleurs

l 2.1 Définition d un microcontrôleur

l 2.2 Cadencement du microcontrôleur

l 2.3 Les timers

l 2.4 Les ports d entrée/sortie

l 2.5 La liaison série

l 2.6 Le watchdog

l 2.7 Le CAN

Les timersMode compteur ou temporisateur (1)

l Un timer est le nom courant de compteur / temporisateur .

Compter le nombre d évènementsur une broche

> Mode compteur

Mesurer du temps (compter lenombre de coup d horloge)> Mode temporisateur

Les timersMode compteur ou temporisateur (2)

l En pratique, on visualise la valeur de départ, puis la valeurd arrivée. La valeur de comptage est la différence des deuxvaleurs.

l Dans quelle mode fonctionne le timer ici?

l Donner la valeur du temps en fonction de A et B dans cette

application.

Les timersUtilisation d un prescaler

l Un prescaler permet de diviser la fréquencede comptage.

Quelle est le temps mesuré dans cette application enfonction de A et B?

Les ports d entrée / Sortie

Ce sont des ports parallèles. Ils permettent de recueillir desinformations ou de piloter des modules sur l environnementextérieur. Ils sont souvent bidirectionnels (configurable enentrée ou sortie).

l Quelles sont les ports d E/S de ce microcontrôleur?

Les ports d entrée / SortieLes sorties logiques

l Sortie trois états

l Sortie collecteur ouvert

Les ports d entrée / Sortie1. Sortie trois états

Fonctionnement

T1 T2 Sortie

Bloqué Bloqué Etat haute impédance

Bloqué Saturé "0"

Saturé Bloqué "1"

Saturé Saturé non utilisé

l Des sorties trois états peuvent être reliées entres elles mais ilfaut bien veiller à ce que une seule impose un niveau (haut oubas) et que les autres sorties soit en haute impédance.

Les ports d entrée / Sortie2. Sortie collecteur ouvert (1)

Fonctionnement

Saturé "0"

Bloqué Dépend du montage

Les ports d entrée / Sortie2. Sortie collecteur ouvert (2)

l Pour générer le niveau "1", une résistance extérieure estnécessaire (résistance de tirage // pull-up). Plusieurs sorties

"collecteur ouvert" peuvent être reliées entre elles, celaréalise un "ET logique"l Une sortie « collecteur ouvert » peut commander une charge

sous une tension différente de la tension d'alimentation.

l Bouton poussoir :

l Led :

Donner la valeur de la résistance sachant qu une led

rouge à une tension de 1,5V et qu il faut 10 mA pouravoir un éclat correct.

l 2.3 Les timers

l 2.6 Le watchdog

l 2.7 Le CAN

La liaison série

La liaison série USART (Universal Synchronous AsynchronousReceiver Transmitter ) est le mode le plus rependu pourcommuniquer (et aussi le plus vieux).

La liaison sérieConnexions (1)

l Une liaison série permet de transmettre des donnéessur un nombre limité de fils. Cette liaison peut êtreHalf duplex (liaison synchrone) ou full duplex (liaisonasynchrone).

Sur le microcontrôleur PIC16F877A, la liaison sérieasynchrone peut être mise en uvre à l aide des pinsRxD et TxD. Elle est réalisée par un USART :

l RxD, signal de réception de l USARTl TxD, signal de transmission de l USART

La liaison sérieUSART Transmit bloc register

La liaison sérieUSART receive bloc register

La liaison série

D après la datasheet :l Pourquoi avons-nous une corrélation entre le fait

d être synchrone/Asynchrone et full duplex / half duplex?

l Prenez note de toutes les étapes à réaliser pourconfigurer une liaison série asynchrone.

l Configurer la liaison série asynchrone pour qu elle soit

cadencée à 9600 bauds.

l 2.3 Les timers

l 2.6 Le watchdog

2.7 Le CAN

Le Watchdog (2)

I C R O C O N T R O L E

Le WatchdogCas du PIC16F877

D après la datasheet :

l Comment met-on en route le Watchdog? (lire en plus lechapitre 14.1 : configuration bits)

l Quel est l effet d un watchdog time out?

l Quelle instruction du PIC permet de réaliser le reset du

Watchdog? Comment allez vous coder cette instructionen C?

l 2.3 Les timers

l 2.6 Le watchdog

2.7 Le CAN

Le CANMultiplexage des voies

l CAN : Dans les microcontrôleurs, les voix deconversion analogique/numérique sont souventmultiplexées. Ceci signifie que la fréquence maximalede conversion analogique numérique est divisée par lenombre de voies utilisées.

l Très souvent, il faut configuré les entrées deconversion en « entrée analogique » car celles-ci

peuvent aussi être utilisée en entrée numérique.

Le CAN

Le CANQuestions

D après la datasheet :

l Quel est le nombre de bits du convertisseur AN.

l Dans quels registres est stocké le résultat?

l Comment fait-on pour justifier le résultat à droite ou àgauche.

l Combien possède t on de voies multiplexés?

l A quoi correspond Vref+ et Vref - ?

l Comment configure t on une entrée en analogique?

Le CANRécupération des valeurs converties

Donner le code C permettant d obtenir un entierreprésentatif de la valeur de conversion en fonctiondes valeurs de ADRESH et ADRESL.

Le CANTension de références Vref

Le schéma ci-dessous représente les plages de valeurspossibles pour Vref+ et Vref-.

Le CANEtude de cas pratique

La tension d une batterie est celle d une cellule lithium-ion quipossède les caractéristiques suivantes :l Donner les valeurs de votre choix pour les tensions de références

l Donner la résolution de la conversion

l Donner l expression de la tension en fonction de la valeur numérique de

la conversion.

Université de Savoie

Un=3,6 V Uchargée=4,2 VUdéchargée=3 V

Umax= 4,3VUmin=2,5 VDanger si en dehors de cette zone

Le CAN

l Vitesse maximale du convertisseur

Gamme des microcontrôleurs

Exemple chez ST microhttp://www.st.com >> gamme STM

l Exemple chez microchiphttp://www.microchip.com/ >> gamme PIC

l Exemple chez ATMELhttp://www.atmel.com/ >> gamme AVR

l Exemple chez Infineonhttp://www.infineon.com

L i t ti

Les interruptionsProblématique & définition

Un système informatique n est utile que s ilcommunique avec l extérieur. L objectif est de pouvoirprendre connaissance que le périphérique sollicite leprocesseur. Cette sollicitation arrive de façontotalement asynchrone.

Deux modes sont possibles :l Une méthode par scrutation (polling) permet d interroger

régulièrement les périphériques afin de savoir si une nouvelledonnée est présente.

l Une méthode par interruption permet au périphérique lui-même de faire signe au processeur de sa présence.

Les interr ptions

Les interruptionsScrutation Vs interruption

Scrutation (polling)l Coûteux en temps (multiplier par le nombre de périphérique à

interroger)

l Implémentation : Appel classique à une fonction dans leprogramme

l Interruptionl Demande à l initiative du périphérique

l Prise en compte rapide de l évènement

l Implémentation : Interruption asynchrone d un programmepuis retour au même endroit à la fin du traitement

Les interruptions

Les interruptionsSchéma

l Une interruption est un arrêt temporaire de l'exécution normale d'unprogramme informatique par le microprocesseur afin d'exécuter un autreprogramme (appelé routine d'interruption).

Les interruptions

Les interruptionsTypes d interruption

l Interruption masquablel Un masque d interruption est un mot binaire de configuration

du microprocesseur qui permet de choisir (démasquer) quelsmodules pourront interrompre le processeur parmi lesinterruptions disponibles.

l Interruption non masquablel Elles s exécutent quoi qu il arrive, souvent avec une priorité

élevé (ex : Reset)

Les interruptions

Les interruptionsConfiguration

l Un système peut accepter plusieurs sourcesd interruption. Chacune est configurable par registre(registre d interruption).

l Méthode de configuration des interruptionsl Sélectionner les interruptions qui nous intéressent

l Valider les interruptions de façon globale

l Ecrire le/les sous programme d interruption

l Définir les priorités entres interruptions

Les interruptions

Les interruptionsConfiguration

l Dans le sous programme d interruptionl Sauvegarder le contexte (fait automatique en langage C)

l Définir la source d interruption (si le sous programme est commun entresplusieurs sources d interruption)

l Réinitialiser les flags d interruption

l Ecrire le code relatif à l application

l Restituer le contexte (fait automatique en langage C)

Cas du PIC 16F877 (microchip)

Cas du 80C51 (intel)

Flag d’i nter ruption Bit de masquage

Les interruptions

Les interruptionsDémasquage des interruptions

l Autorisation des interruptionsl L autorisation globale des interruptions

l Démasquage des interruptions

Les interruptions

Les interruptionsLes flags d interruption

l Visualisation des flags d interruption

Les interruptions

Les interruptionsLe rôle de la pile

l La pile est une mémoire LIFO (Last In FirstOut) dans laquelle on stoke des variabletemporaire (donnée ou adresse). Le haut de lapile est pointé par le registre SP (Stack

Pointer).

Les interruptions

Les interruptionsRôle de la pile

l Elle va servir à :l sauvegarder le contexte l environnement

(adresse du programme et valeur des registres aumoment de l interruption).

l restituer le contexte à la fin de l interruption

Note 1 : La sauvegarde et la restitution est faite implicitement enlangage C.

Note 2 : Une fonction d interruption est noté spécifiquement.Exemple du PIC qui ne possède qu un seul vecteur d interruption:

Les interruptions

PC ( Addr Prog )

Registres

Programme

d’interruption

Programme

principal

Les interruptionsAvant l interruption

SP ( Addr Pile)

Les interruptions

Registres

Programme

d’interruption

Programme

principal

Add r Pro g

Les interruptionsArrivée d une interruption

SP ( Addr Pile +1)PC ( Addr Prog IT )

Les interruptions

Registres

Programme

d’interruption

Programme

principal

Add r Pro gxx

Les interruptionsArrivée d une interruption : Sauvegarde contexte

SP ( Addr Pile + 3)PC ( Addr Prog )

Les interruptions

Registres

Programme

d’interruption

Programme

principal

Add r Pro gxx

Les interruptionsFin d une interruption : Restitution contexte

SP ( Addr Pile + 1)PC ( Addr f in Prog IT)

Les interruptions

Registres

Programme

d’interruption

Programme

principal

Les interruptionsRetour au programme principal

SP ( Addr Pile)PC ( Addr Prog + 1 )

Les interruptions

Les interruptionsExemple sur le PIC 16F877

l Quelle interruption est concernée ici ?

l Quelles actions sont réalisées pendant le sous-programmed interruption?

Ch it 3 L ti

Chapitre 3 : La programmation

l 3.1 Les interruptions

l 3.2 Le logiciel

Le logiciel

Le logicielLa chaîne de compilation (1)

Remplacer les deux lignes du programme C ci dessuspar le code assembleur correspondant

Donner le code machine correspondant à chaqueinstruction trouvée

Le logiciel

Le logicielLa chaîne de compilation (2)

Le compilateur génère aussi un fichier listing (en assembleur),représentant le code et les emplacements mémoire qui seront utilisés.

Le logiciel

Le logicielProgrammation de la mémoire programme (Flash)

Utilisation d un logiciel de programmationde mémoire Flash

Le logiciel

Le logicielProgrammation de la mémoire programme (Flash)

Le logiciel

Le logicielAvantage du langage C

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