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Université du Québec

École de technologie supérieure GPA770: Microélectronique appliquée 1

Microélectronique appliquée

GPA770

Été 2014



Sommaire du cours # 1

Organisation du cours GPA770:

1) Présentation personnelle2) Plan détaillé du cours3) Organisation des laboratoires4) Introduction aux contrôleurs embarqués

(origines, définitions et applications industrielles)

A.1 Survol de l’électronique numérique:

1) Systèmes de numérotation2) Opérations arithmétiques binaires



(2) Plan détaillé du cours

Encadrement:

Éric Granger (enseignant et responsable)local: 3720téléphone: (514) 396-8650courriel: [email protected]é: sur rendez-vous

Maurice Tremblay (chargé de cours)local: A-3580courriel: [email protected]: [email protected]: tremblma




Orientation du cours vers:L’étude de systèmes microélectroniques de pointel’intégration de diverses technologies électroniques et informatiques

Objectifs spécifiques d’apprentissage:A. caractéristiques et applications des microcontrôleurs B. logiciel: méthodes de programmation en assembleurC. matériel: composants et interfaces d’un

microcontrôleurD. laboratoire: conception et synthèse en laboratoire avec

les outils de développement




Stratégies pédagogiques:adopter un microcontrôleur commun et versatile

famille 68HCS12 de Motorola Inc.

Partage du travail: (11hrs/semaine)cours magistraux: (3hrs/semaine)

Concepts théoriques, exemples d’applications et réalisations concrètesSuggestion d’exercices personnels

laboratoires: (3hrs/semaine)développement des systèmes embarqués pour la navigation d’un robot mobile

travail personnel: (5hrs/semaine)




Contenu du cours:

A. MISE EN CONTEXTE

B. CONCEPTS LOGICIELS

(PROGRAMMATION EN ASSEMBLEUR ET

EN C)

C. CONCEPTS MATÉRIELS

(COMPOSANTS D’UN MICROCONTRÔLEUR)




A. Mise en contexte:

A.1 Survol de l’électronique numérique systèmes de numérotationopérations arithmétiques binairescircuits électroniques de base: portes, registres, etc.systèmes électroniques universels

A.2 Architecture et programmation du 68HCS12:architecture, sous-systèmes et mémoiresmodèle du programmeur et exécution d’instructions




B. Concepts logiciels:B.1 Langage assembleur et programmation structurée:

modes d’adressage et jeu d’instructionsboucles, pile et sous-routinesprogrammation structurée

B.2 Microcontrôleurs à logique floue: systèmes de contrôle à logique floueinstructions spécialisées du 68HCS12




C. Concepts matériels:

C.1 Configurations matériels du 68HCS12: architecture système, modes d’opération, et ports d’e/sprincipaux sous-systèmes et expansion d’un microcontrôleur

C.2 Gestion d’exceptions:exceptions et réponses aux interruptionsvecteur et priorité d’exceptionsroutines de service d’interruption

C.3 Module de temporisation: module de temporisation standardsaisie des entrées, comparaison de sorties et accumulation d’impulsions




C. Concepts matériels: (suite)

C.4 Convertisseurs analogique-numérique:concepts fondamentauxsystème de conversion du 68HCS12

C.5 Interfaces sériels de communications:communications sérielles avec un microcontrôleurinterface de communications sérielle (SCI)interface de périphérique sérielle (SPI)

B.3 Programmation à haut niveau:survol du langage C comparaisons assembleur vs Cpassages de paramètresbibliothèques et compilation mixte




Évaluation:

ACTIVITÉS %

Laboratoires: 35

1. Programmation assembleur du 68HCS12 10

2. Exploitation en temps réel du matériel et des ports d’entrées/sorties 15

3. Navigation en temps réel du robot mobile 10

Examens: 65

intra (dans la 7ième semaine) lundi 9 juin 13h30 – 16h30 30

final (période d’examens) 35




Documentation obligatoire:

1. Pack, D. J. et Barrett, S. F., Microcontroller Theory and Applications HC12 & S12, Second Edition, Prentice-Hall, 2008, ISBN 0-13-615205-8.




Documentation PDF obligatoire: (suite)2. Motorola, S12CPUV2 Reference Manual, HCS12

Microcontrollers, Rev. 4.0, Freescale semiconductor, mars 2006.




Documentation obligatoire: (suite)

3. Tremblay, M., Granger, É., et Grenier, D., Cahier le laboratoires pour GPA770: Microélectronique appliquée, École de technologie supérieure, rev. avril 2013.



(3) Organisation des laboratoires

Série de trois laboratoires:

1. Programmation assembleur du 68HC12

2. Exploitation en temps réel du matériel et des ports d’entrées/sorties

3. Navigation en temps réel du robot mobile

Formation d’équipes et de groupes:

équipe: 2 étudiants max. par station de travail

groupes: 10 équipes maximum par plage groupe A: jeudi pm 13h30 à 16h30groupe B: jeudi soir18h00 à 21h00




Stations de travail:

logiciel: environnement de développement intégré CodeWarrior de FreeScale

matériel: microcontrôleur MC9S12C32 de la famille HCS12 de Motorola Inc.;carte de développement PK-HCS12C32 de SofTec Microsystems;robot mobile miniature ‘Carpet Rover Basic’ de Lynxmotion Inc.




L’environnement CodeWarrior:




Carte de développement PK-HCS12C32:




Robot mobile miniature ‘Carpet Rover’:





1) Présentation personnelle2) Plan détaillé du cours3) Organisation des laboratoires4) Introduction aux contrôleurs





(4) Intro aux microcontrôleurs

Origines des Système Ordiné (SO):

SO à utilité générale: (i.e., le PC)Machine génériqueamélioration rapide des performances -> grande capacité de traitement de donnéesaccommode une grande diversité d’applications

SO embarqué: (i.e., le microcontrôleur)machine spécialiséemoins performant, plus compact, peu coûteux optimisé pour des applications spécifiques




Un SO de base comprend 4 composants matériels:




Unité de traitement central (CPU):

fonctions: gouverne l’ordre d’exécution des instructions contrôle l’accès à la mémoire et aux périphériques d’entrée/sortie effectue les opérations arithmétiques et logiques gère les interruptions de services

comprend − ALU, registres, buses, unité de contrôle et composants de temporisation

performance − dépend de la fréquence d’horloge, de l’architecture, du format d’instructions, des temps d’accès




Mémoire:

Fonction: stocker les instructions et les données utilisées par le CPU

architectures mémoires:Harvard – instructions et données dans différentes unités de mémoiresvon Neumann – instructions et données dans la même unité de mémoire

technologies: RAM et ROM

système de mémoire hiérarchique (unités cache)réduire le temps d’accès pour grosses mémoires




Périphériques d’entrées/sorties:

fonction d’un périphérique d’entrée:permet de transférer des informations du monde externe au SO ex.: clavier, souris, etc.

fonction d’un périphérique de sortie:permet au SO de communiquer ses états et données internes au monde externe ex.: écran, imprimante, etc.




Buses:

fonction: assure les connexions physiques entre les composantes du SO

3 types de buses:adresse (ADDR): transporte les adresses mémoire correspondantes aux instructions et aux donnéesDonnées (DATA): transporte les instructions et les données entre la mémoire et les autres composantsContrôle (CTL): transfert des commandes de contrôle entre composants.




Microprocesseur: un circuit intégré qui comporte seulement un unité CPU

Micro-ordinateur: une carte qui est composé de tous les composants d’un SO, et qui utilise

le microprocesseur comme CPU

Microcontrôleur: un circuit intégré qui est composé de tous les composants d’un SO

contrôleur embarqué




Rôle important des microcontrôleurs en société moderne:

on les retrouve partout, e.g., dans tous les systèmes automatisés temps réel

on s’en sert pour automatiser à tous les niveaux

Revenues énormes de l’industrie des microcontrôleurs

Diversité énorme de microcontrôleurs pour toutes sortes d’applications




Applications industrielles:

maison: caméra, four micro-ondes, laveuse de vaisselle, laveuse et sécheuse, lecteur DVD, porte de garage, système de sécurité, système de son, etc.

bureau: calculatrice, clavier, imprimante, modem, téléphone cellulaire, etc.

automobile: système de suspension, système d’injection d’essence, sac gonflable




Exemple: Compteur pour taxis




Exemple: Compteur pour taxis (suite)

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