École centrale d’Électronique

Jackson FRANCOMME - Gilles MERCIER 1

École Centrale d’Électronique

ARCHITECTURE DES MICROPROCESSEURS

J.FRANCOMME - G.MERCIER Jackson FRANCOMME - Gilles MERCIER 2

École Centrale d’ÉlectroniqueI. IntroductionII. Concept d’informatique industrielleIII. Evolution des microprocesseurs (Complexité, performances)IV. Les langages de programmationV. Codages des informationsVI. Algèbre de Boole et circuits logiquesVII. Architecture générale des microprocesseursVIII. Présentation du 68000IX. Principe de fonctionnementX. Principe d’un microcontrôleurXI. Décodage d’adressesXII. Programmation du microprocesseur 68000 (Motorola)XIII. Jeu d’instructions du 68000 et modes d’adressagesXIV. Illustration des modes d’adressages du microprocesseur 68000 (Motorola)XV. Sous-programmes, gestion de la pile, passage de paramètresXVI. Mode Superviseur et UtilisateurXVII. Allocation dynamique de la mémoire XVIII. Les exceptions et les interruptions.

Planning

Projet

Semaine

Finle 6 mars

à midiDébutRemise

27-févr.20-févr.13-févr.7-févr.30-janv.23-janv.16-janv.9-janv.2-janv.

987654321

TP1 : Prise en main du logiciel de simulation pour la mise en œuvre d’une des applications proposée.TP2 : Suivi projets l’algorithme global de l’application doit être rédigé, détail des éléments devant

être programmés.TP3 : Validation expérimentale des principales structures de l’application.

Intervenants : J. FRANCOMME Cours/TP/TD/ProjetJ.P. PIAU TD/TP/ProjetB. DJOUDI TD/TP/Projet

Evaluation écrite (devoir 2H).Jackson FRANCOMME - Gilles MERCIER 4

I| Introduction

Objectifs

Introduction à la programmation en assembleur.Mise en œuvre d’une méthode de programmation de bas niveau sur une architecture matérielle simple.

Support choisi : Microprocesseur famille 68000 (Motorola).

Pré requis

Architecture générale d’un système informatique.Électronique numérique de basePrincipe de codage d’une information dans une base quelconque.Principe d’écriture d’un algorithme.

Présentation générale

Les MicroprocesseursLes MicrocontrôleursLes PériphériquesLes Applications

cesseu

Périphéri

trôleu

Applic

… …

II| Concept d’Informatique Industrielle

Concept d’Informatique Industrielle

Objectifs

Introduction à la programmation en assembleur.Mise en œuvre d’une méthode de programmation de bas niveau sur une architecture matérielle simple.

Support choisi : Microprocesseur famille 68000 (Motorola).

Pré requis

Architecture générale d’un système informatique.Électronique numérique de basePrincipe de codage d’une information dans une base quelconque.Principe d’écriture d’un algorithme.

Présentation générale

Les MicroprocesseursLes MicrocontrôleursLes PériphériquesLes Applications

cesseu

Périphéri

trôleu

Applic

… …

II| Concept d’Informatique Industrielle

Concept d’Informatique Industrielle

VII| Les langages de programmation

Pourquoi apprendre l’assembleur ?Avantages :– C’est le langage le plus proche du processeur (après le langage machine)

qui permet une exécution plus rapide de l’application.– C’est le seul langage qui permette de comprendre réellement comment

fonctionne votre machine informatique.– La syntaxe est très simple et la taille du code est optimisée.– Logiciels de développement/débogage peu couteux

Inconvénients : – Portabilité uniquement sur les machines munies d’un processeur de la

même famille.– « Time to Market » pour les grosses applications.

Conclusion– Utilisation de la programmation assembleur pour les applications de petite

taille nécessitant un traitement ponctuel rapide ne pouvant être assuré par un langage de plus haut niveau.

VIII| Codages des informations

Codages des nombres

Nombres entiers non signés (≥0)En informatique– Binaire 0 et 1.– Hexadécimal (base 16) 0 à 9 et A à F.

Notation positionnelle (conversion base b →10)– N (b) = dn-1 dn-2 ... d1 d0

– N (10) = bn-1dn-1 + bn-2dn-2 ... + b1d1 + b0d0

– avec n chiffres 0≤ N ≤ bn - 1 soit bn valeurs.

rangpoids

VII| Les langages de programmation

Pourquoi apprendre l’assembleur ?Avantages :– C’est le langage le plus proche du processeur (après le langage machine)

qui permet une exécution plus rapide de l’application.– C’est le seul langage qui permette de comprendre réellement comment

fonctionne votre machine informatique.– La syntaxe est très simple et la taille du code est optimisée.– Logiciels de développement/débogage peu couteux

Inconvénients : – Portabilité uniquement sur les machines munies d’un processeur de la

même famille.– « Time to Market » pour les grosses applications.

Conclusion– Utilisation de la programmation assembleur pour les applications de petite

taille nécessitant un traitement ponctuel rapide ne pouvant être assuré par un langage de plus haut niveau.

VIII| Codages des informations

Codages des nombres

Nombres entiers non signés (≥0)En informatique– Binaire 0 et 1.– Hexadécimal (base 16) 0 à 9 et A à F.

Notation positionnelle (conversion base b →10)– N (b) = dn-1 dn-2 ... d1 d0

– N (10) = bn-1dn-1 + bn-2dn-2 ... + b1d1 + b0d0

– avec n chiffres 0≤ N ≤ bn - 1 soit bn valeurs.

rangpoids

Forcer la valeur d'un bit - OUValeur 0 0 1 1 0 0 0 1Masque 0 0 0 0 0 0 1 0__________________________________________________________Valeur 0 0 1 1 0 0 1 1

Valeur 0 0 1 1 0 0 1 1Masque 0 0 0 0 0 0 1 0__________________________________________________________Valeur 0 0 1 1 0 0 1 1

Valeur ← Valeur OU 02h

XV| Architecture générale des microprocesseurs

Architecture générale des microprocesseurs

Architectures de VON NEUMANN et HARVARDUnités internes : unité de bus – de pré extraction – de décodage – de contrôle – arithmétique et logique – de gestion mémoire.

Structures des systèmes micro programmé

L’architecture d’un microprocesseur, est un élément important qui conditionne directement les performances d’un processeur. Il existe deux types fondamentaux de structures, dites « Von Neumann » et « Harvard »

Structures des systèmes micro programmé

Choix d’un microprocesseur pour un apprentissage simplifié

Objectif dans le choix : – utiliser une architecture la plus simple possible qui permettra d’appréhender un large

éventail des techniques de programmation et des modes d’adressages, que l’on pourra porter sur n’importe laquelle des architectures actuelles aussi complexe soit elle.

Différentes familles de microprocesseurs :– Les microprocesseurs

» Famille Motorola/Freescale» PowerPC » Famille Intel : 80x86 : le « x » représente la famille. On parle ainsi de 386, 486, 586, 686,

etc.» ARM » IA-64 » MIPS » SPARC » …

– Les microcontrôleurs» Microchip» Intel» Freescale» …

Famille 68000 de MotorolaFreescale maintenant !

famille 68000 de Motorola– 68000 : 16-32 bits CISC– 68008 : 8-32 bits CISC – 68010 : 16-32 bits CISC – 68020 : 32 bits CISC – 68030 : 32 bits CISC – 68040 : 32 bits CISC – 68060 : 32 bits CISC– 68330 (ou CPU32) : – ColdFire : 16 bits CISC (jeu d’instructions CISC de la famille 68000)

» La gamme ColdFire est classifiée en 5XNN (X : génération, NNpour classification produits)

– DragonBall : 16 bits CISC (basé sur le 68000 Palm) famille 88000 (Motorola) : 32 bits RISC

– 88100

Famille PowerPCfamille PowerPC (Apple, IBM et Motorola) : 32 et 64 bits RISC (Performance Optimization With Enhanced RISC). Utilisés dans les calculateurs, stations graphiques, serveurs Unix, mainframes et mini-ordinateurs d'IBM, ainsi que dans les Macintosh (Power Mac, PowerBook, iMac, iBook, eMac,Mac mini) et dans la console Nintendo Revolution, GameCube, Xbox 360, Playstation 3 notamment.

– PowerPC 403– PowerPC 405– PowerPC 440– PowerPC 601– PowerPC 603– PowerPC 603e– PowerPC 604– PowerPC 604e– PowerPC 620 (64 bit) – PowerPC 750 (ou G3) – PowerPC 7400-7450-7455 (ou G4) – PowerPC 970 (ou G5) (64 bit)

Mon choix : famille Motorola 68000Utilisation par :

– Apple computer (Premier Macintosh)– Atari– Comodore– Sega (console de jeux Megadrive)– Silicon Graphics– SNK (Console de jeux Neo Geo)– Sun Microsystems premières stations de travail Sun– Texas Instruments : calculatrice TI-89, TI-89 Titanium, TI-92, TI-92 Plus et TI

Voyage 200On retrouve encore des 68K sous forme microcontrôleur de la famille 68300 (68328 par exemple) utilisé dans les ordinateurs de poche (Pocket PC) comme PalmTop…On pourrait croire que le 68K est dépassé. La réalité prouve le contraire :

– On utilise encore massivement (>50 %) ce type de processeur (et successeurs) dans le monde industriel sous forme de cartesVME par exemple (Versa Module Eurocard).

– On le retrouve dans les téléphones portables.– Il est utilisé dans Ariane 5, A380...

L’enseignement de l’assembleur !On enseigne toujours l’assembleur avec une plateforme 68000 dans un grand nombre d’écoles.

Bibliographie : – Informatique Industrielle, Roger D. Hersch, Presses Polytechniques

Universitaires Romandes, 1997, ISBN 2-88074-353-2» Pour des raisons didactiques, la plupart des concepts sont introduits en

prenant comme exemple le microprocesseur 68000…Une fois les concepts de base assimilés, l'étudiant pourra facilement les appliquer à d'autres processeurs et interfaces et être en mesure de programmer les microcontrôleurs utilisés dans les applications industrielles.

Qui indique avoir fait de l’assembleur 68000 (CV Web 2005) !

R. Jr. Landry : Ingénieur, Ph. D. (SUPAERO, ENAC (Toulouse) Ecole Polytechnique Montréal, …)Laurent Noé : Ingénieur, Ph.D. (ESIAL, LORIA Nancy, LIFL (V. d’Ascq..))T. Piart : Ingénieur (ESIEE)S. Zaidenberg : Ingénieure, Doctorante (INPG (Grenoble), CNAM,…)…

La force du microprocesseur 68000C ’est le premier processeur pensé pour l’informaticien (le programmeur) au travers de :

Son jeu d ’instructions qui permet de manipuler simplement des structures de données complexes (tableaux multidimensionnels, structures…)Ses modes d ’adressage (façon d ’accéder à une case mémoire).Ses 2 niveaux d ’utilisation (modes utilisateur et superviseur) nécessaires pour implémenter un système d ’exploitation moderne.Ses interruptions avec niveaux de priorité pour s ’interfacer avec le monde extérieur asynchrone.