21/12/2012

1

Les systèmes à microprocesseur

Prof :Zakaria  INFOMATHS 

1. Histoire de l’électronique et de l’informatique

Quelques dates clés

Prof Zakaria InfoMaths 2

La réplique du premier transistor

«Tout ce qui peut être inventé a été inventé.»

Charles H. Duell, Délégué aux brevets Américains, 1899

Fonctionnellement, le processeur est la partie d’un ordinateur qui exécute les instructions et traite les données des programmes

Le processeur, ou CPU (de l'anglais Central Processing Unit, « Unité centrale de traitement »), est le composant de l'ordinateur qui exécute les programmes informatiques. 

Avec la mémoire notamment, c'est l'un des composants qui existent depuis les premiers ordinateurs et qui sont présents dans tous les ordinateurs. 

Prof Zakaria InfoMaths 3

Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dans un unique circuit intégré..

1. Histoire de l’électronique

1904  ‐ la diode par John FLEMING  : Premier tube à vide.

Prof Zakaria InfoMaths 4

1907 ‐ la triode par L. DE FOREST  : Mise au point à partir de la diode de J. FLEMMING, sur laquelle il rajoute une feuille métallique, "l'audion" qui s'appellera ensuite "triode" est un amplificateur 

d'intensité électrique.La première "lampe" réellement utilisable a été mise au point en 

France par H. ABRAHAM 

1919 ‐ Basculeur (flip‐flop) de W. H. ECCLES et F. W. JORDAN C'est un circuit électronique bistable, composé de deux triodes. Il faudra encore une quinzaine d'années avant que l'on s'aperçoive que ce 

circuit pouvait servir de base à l'utilisation électronique de l'algèbre de BOOLE.

21/12/2012

2

1. Histoire de l’électronique

1940 ‐ Circuit Imprimé Les composants devenant de plus en plus petits, on les fixe sur des petites plaquettes isolantes sur lesquelles ces composants sont reliés électriquement par des pistes métalliques très fines.

Prof Zakaria InfoMaths 5

1947 ‐ Le transistor bipolaire à jonctionLe commencement de l’électronique « moderne »

1954 ‐ Transistor au silicium Beaucoup moins cher, plus facile à produire et à utiliser (mais hélas ayant une vitesse de conduction moins élevée) que le germanium, le silicium va devenir le 

symbole d'une nouvelle ère.

1. Histoire de l’électronique

1959 ‐ Transistor à effet de champ Plus proche de la triode que ne l'est le transistor bipolaire, celui‐ci est composé d'une électrode 

appelée grille qui module la conductance entre une zone dite source et une autre dite drain.

Prof Zakaria InfoMaths 6

1959 ‐ Circuit intégré par Jack KILBYLe principe consiste à fabriquer dans un même bloc de semi‐conducteur (une puce ) plusieurs composants (résistances, 

condensateurs, transistors). Cette idée sera reprise quelques mois plus tard par Robert NOYCE qui intégrant la technologie planarmettra 

au point des procédés toujours utilisés aujourd'hui.

1960‐ Diodes Électroluminescentes Fabriquées à l'aide de semi‐conducteurs (sous forme d'alliage binaire de Phosphure de Gallium et d' Arséniure de Gallium), ces diodes ont la propriété d'émettre de la 

lumière dans le spectre infrarouge ou visible. Leurs principales qualités sont une très faible consommation, une grande rapidité et 

une durée de vie quasi‐illimitée.

1. Histoire de l’électronique

1970 ‐ Technologie M.O.S (Metal Oxyde Semiconductor)Cette technologie permet de fabriquer des transistors plus petits et plus rapides. Une course à la densité, à la vitesse et à la consommation commence... On parle alors de SSI (Small Scale Integration) : 30 à 80 transistors, MSI (Medium Scale

Integration) , LSI (Large Scale Integration) , VLSI (Very Large Scale Integration) ...

Prof Zakaria InfoMaths 7

1971 ‐ Le premier microprocesseur: le 4004 d'IntelIl comporte 2300 transistors et exécute 60 000 opérations par seconde à une 

fréquence de 108 Khz.Sa puissance était égale à celle de l'ENIAC

1974‐ Un français Roland Moreno dépose les brevets de la carte à puce, objet fait d’une lame de plastique standardisée sur laquelle est déposée une puce. Cette dernière dispose d’un microprocesseur lui permettant de faire des calculs, d'une 

mémoire permettant de les traiter et d’un port pour communiquer avec les ordinateurs. Dès 1981, la carte à puce est utilisée dans les cartes bancaires françaises, mais elle aura aussi des applications dans la téléphonie grâce aux 

cartes téléphoniques puis aux cartes SIM. 

2. Les microprocesseursHistorique

Prof Zakaria InfoMaths 8

Intel® 4004 microprocessor

«J'ai parcouru le pays de long en large et parlé avec les meilleurs personnes,et je peux vous assurer que l'informatique est une lubie qui ne durera pas plus d'un an.»

21/12/2012

3

2. Les µprocesseurs Parti de 2300 transistors intégrés dans une puce en 1971 cadencé à 108 kHz (<0.5 mips) (Intel 4004), les µproc  actuels sont composé de 2 x 410 000 000 transistors cadencé à 3200 Mhz pour une puissance de calcul de 2 x  24 200 MiPS

Prof Zakaria InfoMaths 9

2. Les µprocesseurs et µcontroleursLa finesse de gravure permettant des motifs de plus en plus petits, on arrive a intégrer de plus en plus de transistor par unité de surface : L’intérêt principal est la réduction de l’encombrement de la carte électronique avec toujours plus de puissance de calcul à cout constant.

Prof Zakaria InfoMaths 10

Jusqu’au début des années 1970, les différents composants électroniques formant un processeur ne pouvaient pas tenir sur un seul circuit intégré. On devait donc les placer sur plusieurs circuits

Prof Zakaria InfoMaths 11

donc les placer sur plusieurs circuits intégrés. En 1971, la société américaine Intel réussit, pour la première fois, à placer tous les transistors qui constituent un processeur sur un seul circuit intégré donnant ainsi naissance au microprocesseur.

Cette miniaturisation a permis :d'augmenter les vitesses de fonctionnement des 

processeurs, grâce à la réduction des distances entre les composants, entre autresde réduire les coûts, grâce au remplacement de 

plusieurs circuits par un seul, entre autres ;

Prof Zakaria InfoMaths 12

plusieurs circuits par un seul, entre autres ;d'augmenter la fiabilité : en supprimant les connexions 

entre les composants du processeur, on supprime l'un des principaux vecteurs de panne ;de créer des ordinateurs bien plus petits : les micro‐

ordinateurs ;de réduire la consommation énergétique

21/12/2012

4

•Nombre de transistors : le nombre de transistors contenus dans le microprocesseur. •Finesse de gravure (nm) : le diamètre (en nanomètres) du plus petit fil reliant deux composantes du microprocesseur. En comparaison, l'épaisseur d'un cheveu humain est de 100 microns = 100 000 nm. •Fréquence de l’horloge : la fréquence du signal d'horloge

Prof Zakaria InfoMaths 13

•Fréquence de l’horloge : la fréquence du signal d horloge interne qui cadence le microprocesseur. MHz = million(s) de cycles par seconde. GHz = milliard(s) de cycles par seconde. •Largeur des données : le premier nombre indique le nombre de bits sur lequel une opération est faite. Le second nombre indique le nombre de bits transférés à la fois entre la mémoire et le microprocesseur. •MIPS : le nombre de millions d’instructions effectuées par le microprocesseur en une seconde.

Prof Zakaria InfoMaths 14

Prof Zakaria InfoMaths 15

3. La logique programméecontre la logique câblée

é i d Mémoire de‘

Prof Zakaria InfoMaths 16

Structure simplifiée d’une carte µprogrammée

«Je pense qu'il y a un marché mondial pour environ 5 ordinateurs.»

Thomas WATSON, président d'IBM, 1943.

Unité de commande

Unité Arithmétique et Logique

microprocesseur

Mémoire de programme

(ROM)

Mémoire de donnée(RAM)

Coupleurs d’E/S

Etc..Horloge

21/12/2012

5

•• En logique câbléeEn logique câblée, les informations sont traitées en parallèle  par autant d’opérateurs logiques qu’il est nécessaires. => Complexité de traitement limitée.

•• En logique programméeEn logique programmée, un opérateur unique capable de réaliser plusieurs opérations (OU, ET, +, ‐ , x, etc.) traite séquentiellement les informations en fonction des ordres élémentaires appelés des instructions.

Prof Zakaria InfoMaths 17

•• AVANTAGES DE LA LOGIQUE PROGRAMMEEAVANTAGES DE LA LOGIQUE PROGRAMMEE

Prof Zakaria InfoMaths 18

Utilisation de composants ayant une grande densité d’intégration ‐> Carte électronique de faible 

encombrement.

Les composants utilisés sont programmables : L’application peut être mise au point ou 

totalement modifiée.

• Processus  à base de µprocesseur =– Liste des instructions, rangée en mémoire

– Élément capable d’effectuer ces instructionsle processeur

– Moyens de recevoir/émettre des donnéesles interfaces ou périphériques 

– Des liaisons électriques entre ces organesles bus

– Une horloge (cadence l’exécution)Prof Zakaria InfoMaths 19

• Architecture de base

Mémoire de programme

Mémoire de donnée

Prof Zakaria InfoMaths 20

Unité de commande

Unité Arithmétique et Logique

microprocesseur

(ROM) (RAM)

Coupleurs d’E/S

Etc..

Périphériques

Horloge

21/12/2012

6

BUS• Un bus informatique est un système de communication entre les composants d'un ordinateur. Ce terme regroupe donc indifféremment les systèmes matérielsindifféremment les systèmes matériels constituant le support de communication (câble, fibre optique, etc.), mais aussi le logiciel et le protocole associé

Prof Zakaria InfoMaths 21

• le front side bus relie le microprocesseur à la mémoire vive sur de nombreux ordinateurs, et le bus PCI relie soit le microprocesseur ou bien un autre composant appelé chipset d'unun autre composant appelé chipset d un ordinateur aux connecteurs d’extension du même nom, et à la carte qui y est insérée.

Prof Zakaria InfoMaths 22

Prof Zakaria InfoMaths 23

•• Le Décodage d’adresseLe Décodage d’adressePour éviter les conflits de bus, on met en place un décodeur d’adresse qui valide LE CIRCUITavec lequel le µP veut communiquer (un seul à la fois). 

Au préalable on défini un PLAN MEMOIRE de l’espace adressable par le µP.

Prof Zakaria InfoMaths 24

21/12/2012

7

•• Exemple de plan mémoireExemple de plan mémoire$0003

Prof Zakaria InfoMaths 25

ROMROM

Espace Espace LibreLibre

Espace Espace LibreLibre

RAMRAM

Périphérique Périphérique 11

$0000$2000

$4FFFEspace adressabledu µP (65536@)

Une unité d'instruction(ou unité de commande, en anglais control unit)

L'unité d'instruction est constituéedes éléments suivants : 

Constitution dConstitution d ’un µProcesseur (CPU)’un µProcesseur (CPU)

L'unité d'instruction est constituéedes éléments suivants : L'unité d'instruction est constituéedes éléments suivants : L'unité d’exécution est constituéedes éléments suivants : L'unité d’exécution est constituéedes éléments suivants : L'unité d’exécution est constituéedes éléments suivants : L'unité d’exécution est constituéedes éléments suivants : L'unité de gestion de bus(ou unité d'entrées‐sorties),gère les flux d'informationsElle lit les données arrivant,les décode puis les envoie àl'unité d'exécution.(C’est elle qui assure la gestion del’ensemble au rythme de l’horloge)

1 ‐ Le séquenceur (ou bloc logiquede commande) chargé deSynchroniser l'exécution desinstructions au rythme de horloge.Il est ainsi chargé de l'envoi dessignaux de commande ; 

Prof Zakaria InfoMaths 26

2.Compteur Ordinal  (ou compteurDe programme PC) :Il contient l'adresse deLa prochaine instruction à exécuter ;C’est un compteur de m bits (m=16 pour un pic) qui est incrémentéautomatiquement à chaquenouvelle instruction.

3. Registre d’instructioncontient l’instruction à exécuter 1. Unité Arithmétique et Logique(notée UAL ou en anglais ALU)L’ALU assure les fonctions basiquesde calcul arithmétique et lesopérations logiques(ET, OU, Ou exclusif, etc.) ; 

2. Unité a Virgule Flotante(notée FPU, pourFloating Point Unit) :Elle  accomplit les calculscomplexes non entiers que ne peutréaliser l'unité arithmétique etlogique.

3. Le Registre d’étatIl contient des informations surl’opération exécutée :Exemple : Résultat null, Retenue

etc…

4. Le Registre Accumulateur(W chez microchip, A et B chezMotorola)C’est un registre privilégié associé àL’UAL. Toutes les données traitéespar le µP passent par lui.

entrant et sortant,en interface avec la mémoire vivedu système ou desautres périphériques; 

4. Les langages de programmation

Prof Zakaria InfoMaths 27

Exemple de langage évolué

«L'époque des PC est terminée..»

Lou Gerstner, Directeur d'IBM, 1998.

•• Un µP ne sait exécuterUn µP ne sait exécuter que des opérations que des opérations arithmétiques et logiques élémentaires arithmétiques et logiques élémentaires définies par son jeux d’instruction.définies par son jeux d’instruction.

•• Le rôle du programmeur est donc d’analyser la Le rôle du programmeur est donc d’analyser la tâche à accomplir pour la décomposer en une tâche à accomplir pour la décomposer en une suite d’instruction à exécuter dans  un ordre suite d’instruction à exécuter dans  un ordre ordonnéordonné. . Cet Cet ensemble d’instructions constitue le ensemble d’instructions constitue le programme.programme.

Prof Zakaria InfoMaths 28

21/12/2012

8

•• Il existe plusieurs niveau de langage.Il existe plusieurs niveau de langage.Niveau 1 : Le langage machine : Langage de plus bas niveau. C’est le seul 

langage que comprend la machine car toutes les instructions et données sont codées en binaire. C’est le rôle des compilateurs de générer ce code. C’est ce 

code là qui est transférer dans la machine.

Prof Zakaria InfoMaths 29

Niveau  2 : Langage assembleur : Les instructions ne sont pas représentés par des nombres mais par des mnémoniques. Un mnémonique est une abréviation 

du langage parlé afin de décrire une exécution exécutable par le µP(ex : movlw 7   veut dire mettre la valeur litéralle « 7 » dans le registre W)  

Ce langage est propre à chaque µProcesseur.

Niveau  3 : Langage évolué : Afin de facilité la programmation on a mis au point des langages de haut niveau proche de celui de l’homme : FORTRAN, PASCAL, C, 

BASIC, COBOL dont la principale caractéristique est d’être indépendant du microprocesseur utilisé.