Systèmes à microprocesseur

L'utilisation de systèmes à microprocesseurs dans presque tous les appareils électriques est la caractéristique la plus importante de l'infrastructure technique de la société moderne. L'électricité, l'industrie, les transports, les systèmes de communication sont fortement dépendants des systèmes de contrôle informatique. Les systèmes à microprocesseur sont intégrés dans les instruments de mesure, les appareils électriques, les installations d'éclairage, etc.

Tout cela oblige l'ingénieur électricien à connaître au moins les bases de la technologie des microprocesseurs.

Les systèmes à microprocesseur sont conçus pour automatiser le traitement de l'information et contrôler divers processus.

Le terme "système de microprocesseur" est très large et comprend des concepts tels que "machine informatique électronique (ECM)", "ordinateur de contrôle", "ordinateur" et autres.

Le système à microprocesseur comprend Hardware ou en anglais — hardware and software (Software) — software.

Informations numériques

Le système à microprocesseur fonctionne avec des informations numériques, qui sont une série de codes numériques.

Au cœur de tout système à microprocesseur se trouve un microprocesseur qui ne peut accepter que des nombres binaires (composés de 0 et de 1).Les nombres binaires sont écrits à l'aide du système de numération binaire. Par exemple, dans la vie de tous les jours, nous utilisons un système de numération décimale qui utilise dix caractères ou chiffres pour écrire des nombres, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. En conséquence, dans le système binaire, il n'y a que deux symboles (ou chiffres) de ce type - 0 et 1.

Il faut comprendre que le système de numération n'est que les règles d'écriture des nombres, et le choix du type de système sera déterminé par la facilité d'utilisation. Le choix d'un système binaire est dû à sa simplicité, c'est-à-dire à la fiabilité des dispositifs numériques et à la facilité de leur mise en œuvre technique.

Considérez les unités de mesure de l'information numérique :

Un bit (de l'anglais « BInary digiT » — chiffre binaire) ne prend que deux valeurs : 0 ou 1. Vous pouvez coder la valeur logique « oui » ou « non », l'état « on » ou « off », l'état « ouvert » « ou » fermé « etc.

Un groupe de huit bits est appelé un octet, par exemple 10010111. Un octet permet d'encoder 256 valeurs : 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Un bit est la plus petite unité d'information.

Octet — la plus petite unité de traitement de l'information. Octet - partie d'un mot machine, généralement composée de 8 bits et utilisée comme unité pour la quantité d'informations lors de son stockage, de sa transmission et de son traitement sur un ordinateur. Un octet sert à représenter des lettres, des syllabes et des caractères spéciaux (occupant généralement les 8 bits) ou des chiffres décimaux (chacun 2 chiffres dans 1 octet).

Deux octets contigus sont appelés un mot, 4 octets un mot double, 8 octets un mot quadruple.

Presque toutes les informations qui nous entourent sont analogiques. Par conséquent, avant que les informations n'entrent dans le processeur pour traitement, elles sont converties à l'aide d'un ADC (convertisseur analogique-numérique).De plus, les informations sont encodées dans un certain format et peuvent être numériques, logiques, textuelles (symboliques), graphiques, vidéo, etc.

Par exemple, une table de codes ASCII (de l'anglais American Standard Code for Information Interchange) est utilisée pour coder les informations textuelles. Un caractère est écrit sur un octet, qui peut prendre 256 valeurs. Les informations graphiques sont divisées en points (pixels) et la couleur et la position de chaque point sont codées horizontalement et verticalement.

En plus des systèmes binaire et décimal, MS utilise un système hexadécimal dans lequel les symboles 0 ... 9 et A ... F sont utilisés pour écrire des nombres. Son utilisation est due au fait qu'un octet est décrit par deux -numéro hexadécimal numérique, ce qui réduit considérablement l'enregistrement du code numérique et le rend plus lisible (11111111 — FF).

Tableau 1 — Écrire des nombres dans différents systèmes de numération

Pour déterminer la valeur du nombre (par exemple, la valeur du nombre 100 pour différents systèmes de numération peut être 42, 10010, 25616), à la fin du nombre, ajoutez une lettre latine indiquant le système de numération : pour les nombres binaires, la lettre b, pour les nombres hexadécimaux — h , pour les nombres décimaux — d. Un nombre sans désignation supplémentaire est considéré comme un nombre décimal.

La conversion de nombres d'un système à un autre et les opérations arithmétiques et logiques de base avec des nombres vous permettent de créer une calculatrice d'ingénierie (application standard du système d'exploitation Windows).

Structure d'un système à microprocesseur

Le système à microprocesseur est basé sur un microprocesseur (processeur) qui exécute des fonctions de traitement et de contrôle des informations. Le reste des dispositifs qui composent le système de microprocesseur servent le processeur en l'aidant à fonctionner.

Les dispositifs obligatoires pour créer un système à microprocesseur sont les ports d'entrée / sortie et en partie la mémoire... Les ports d'entrée - sortie connectent le processeur au monde extérieur en fournissant des informations pour le traitement et la sortie des résultats des actions de traitement ou de contrôle. Boutons (clavier), divers capteurs sont connectés aux ports d'entrée ; aux ports de sortie — dispositifs qui permettent le contrôle électrique : indicateurs, affichages, contacteurs, électrovannes, moteurs électriques, etc.

La mémoire est principalement nécessaire pour stocker un programme (ou un ensemble de programmes) nécessaire au fonctionnement du processeur. Un programme est une séquence de commandes que le processeur comprend, écrites par un humain (généralement un programmeur).

La structure d'un système à microprocesseur est illustrée à la figure 1. Sous une forme simplifiée, le processeur se compose d'une unité arithmétique et logique (ALU) qui traite les informations numériques et d'une unité de commande (CU).

La mémoire comprend généralement une mémoire morte (ROM), qui est non volatile et destinée au stockage à long terme d'informations (par exemple, des programmes), et une mémoire vive (RAM), destinée au stockage temporaire de données.

Figure 1 — Structure du système à microprocesseur

Le processeur, les ports et la mémoire communiquent entre eux via des bus. Un bus est un ensemble de fils fonctionnellement unis. Un ensemble unique de bus système est appelé bus intrasystème, dans lequel se trouvent :

• Bus de données DB (Data Bus), à travers lequel les données sont échangées entre le processeur, la mémoire et les ports ;

• le bus d'adresse AB (Address Bus), utilisé pour adresser les cellules mémoire et les ports du processeur ;

• bus de contrôle CB (Control Bus), un ensemble de lignes qui transmettent divers signaux de contrôle du processeur aux périphériques externes et vice versa.

Microprocesseurs

Microprocesseur - un dispositif contrôlé par logiciel conçu pour traiter les informations numériques et contrôler le processus de ce traitement, réalisé sous la forme d'un (ou plusieurs) circuits intégrés avec un degré élevé d'intégration d'éléments électroniques.

Un microprocesseur se caractérise par un grand nombre de paramètres, car il s'agit à la fois d'un dispositif complexe commandé par logiciel et d'un dispositif électronique (microcircuit). Donc, pour un microprocesseur, à la fois le type de boîtier et le jeu d'instructions pour le processeur… Les capacités d'un microprocesseur sont définies par le concept d'architecture de microprocesseur.

Le préfixe « micro » dans le nom du processeur signifie qu'il est implémenté à l'aide de la technologie micron.

Figure 2 — Vue externe du microprocesseur Intel Pentium 4

Pendant le fonctionnement, le microprocesseur lit les commandes de programme à partir de la mémoire ou d'un port d'entrée et les exécute. La signification de chaque commande est déterminée par le jeu d'instructions du processeur. Le jeu d'instructions est intégré à l'architecture du microprocesseur et l'exécution du code de commande se traduit par l'exécution de certaines micro-opérations par les éléments internes du processeur.

Architecture du microprocesseur — c'est son organisation logique ; il définit les capacités du microprocesseur en termes d'implémentation matérielle et logicielle des fonctions requises pour construire un système à microprocesseur.

Principales caractéristiques des microprocesseurs :

1) Fréquence d'horloge (unité de mesure MHz ou GHz) — le nombre d'impulsions d'horloge en 1 seconde.Les impulsions d'horloge sont générées par un générateur d'horloge, qui est généralement situé à l'intérieur du processeur. Étant donné que toutes les opérations (instructions) sont effectuées en cycles d'horloge, la performance du travail (le nombre d'opérations effectuées par unité de temps) dépend de la fréquence d'horloge. La fréquence du processeur peut varier dans certaines limites.

2) Processeur de bits (8, 16, 32, 64 bits, etc.) — spécifie le nombre d'octets de données traitées dans un cycle d'horloge. La largeur en bits d'un processeur est déterminée par la largeur en bits de ses registres internes. Un processeur peut être 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, etc. les données sont traitées par blocs de 1, 2, 4, 8 octets. Il est clair que plus la profondeur de bit est grande, plus la productivité du travail est élevée.

Architecture interne du microprocesseur

Une architecture interne simplifiée d'un microprocesseur 8 bits typique est illustrée à la figure 3. La structure du microprocesseur peut être divisée en trois parties principales :

1) Registres pour le stockage temporaire des commandes, des données et des adresses ;

2) Unité logique arithmétique (ALU) qui effectue des opérations arithmétiques et logiques ;

3) Circuit de contrôle et de synchronisation - fournit la sélection des commandes, organise le fonctionnement de l'ALU, donne accès à tous les registres du microprocesseur, perçoit et génère des signaux de contrôle externes.

Figure 3 — Architecture interne simplifiée d'un microprocesseur 8 bits

Comme vous pouvez le voir sur le diagramme, le processeur est basé sur des registres, qui sont divisés en registres spéciaux (avec un objectif spécifique) et à usage général.

Compteur de programme (ordinateur) - un registre contenant l'adresse de l'octet de commande suivant. Le processeur doit savoir quelle commande sera exécutée ensuite.

Batterie - un registre utilisé dans la majorité des instructions pour le traitement logique et arithmétique; c'est à la fois la source d'un des octets de données nécessaires à l'opération ALU et l'endroit où est placé le résultat de l'opération ALU.

Un registre de fonction (ou registre d'indicateur) contient des informations sur l'état interne du microprocesseur, en particulier le résultat de la dernière opération ALU. Un registre d'indicateurs n'est pas un registre au sens habituel, mais simplement un ensemble de bascules (indicateur vers le haut ou vers le bas. Il existe généralement des indicateurs de zéro, de débordement, de négatif et de retenue).

Stack Pointer (SP) - garde une trace de la position de la pile, c'est-à-dire qu'il contient l'adresse de sa dernière cellule utilisée. Stack - un moyen d'organiser le stockage des données.

Un registre de commande contient l'octet de commande actuel décodé par le décodeur de commande.

Les lignes de bus externes sont isolées des lignes de bus internes par des tampons, et les principaux éléments internes sont connectés par un bus de données interne à haut débit.

Pour améliorer les performances d'un système multiprocesseur, les fonctions du processeur central peuvent être réparties entre plusieurs processeurs. Pour aider le processeur central, l'ordinateur introduit souvent des co-processeurs, axés sur l'exécution efficace de toutes les fonctions spécifiques. Co-processeurs mathématiques et graphiques répandus, entrée et sortie déchargeant le processeur central d'opérations simples mais nombreuses d'interaction avec des périphériques externes.

Au stade actuel, la principale direction de l'augmentation de la productivité est le développement de processeurs multicœurs, c'est-à-dire. combinant deux ou plusieurs processeurs dans un même boîtier pour effectuer plusieurs opérations en parallèle (simultanément).

Intel et AMD sont les principales sociétés de conception et de fabrication de processeurs.

Algorithme du système à microprocesseur

Algorithme - une prescription précise qui définit de manière unique le processus de transformation des informations initiales en une séquence d'opérations permettant de résoudre un ensemble de tâches d'une certaine classe et d'obtenir le résultat souhaité.

L'élément de contrôle principal de l'ensemble du système à microprocesseur est un processeur... Il, à l'exception de quelques cas particuliers, contrôle tous les autres appareils. Les périphériques restants, tels que la RAM, la ROM et les ports d'E / S, sont subordonnés.

Dès sa mise sous tension, le processeur commence à lire les codes numériques de la zone mémoire réservée au stockage des programmes. La lecture se fait séquentiellement cellule par cellule, en commençant par la toute première. Une cellule contient des données, des adresses et des commandes. Une instruction est l'une des actions élémentaires que peut effectuer un microprocesseur. Tout le travail du microprocesseur est réduit à la lecture séquentielle et à l'exécution des commandes.

Considérez la séquence d'actions du microprocesseur lors de l'exécution des commandes du programme :

1) Avant l'exécution de l'instruction suivante, le microprocesseur mémorise son adresse dans le compteur de programme de l'ordinateur.

2) Le MP accède à la mémoire à l'adresse contenue dans l'ordinateur et lit dans la mémoire le premier octet de la commande suivante dans le registre de commande.

3) Le décodeur de commande décode (déchiffre) le code de commande.

4) Conformément aux informations reçues du décodeur, l'unité de contrôle génère une séquence ordonnée dans le temps de micro-opérations qui exécutent les instructions de commande, notamment :

— récupère les opérandes des registres et de la mémoire ;

— effectue sur eux des opérations arithmétiques, logiques ou autres, comme prescrit par le code de commande ;

— en fonction de la longueur de la commande, modifie le contenu de l'ordinateur ;

— transfère le contrôle à la commande suivante dont l'adresse est à nouveau dans le compteur de programme informatique.

Le jeu d'instructions d'un microprocesseur peut être divisé en trois groupes :

1) Commandes pour déplacer des données

Le transfert a lieu entre la mémoire, le processeur, les ports d'E/S (chaque port a sa propre adresse), entre les registres du processeur.

2) Commandes de transformation de données

Toutes les données (texte, image, vidéo, etc.) sont des nombres, et seules les opérations arithmétiques et logiques peuvent être effectuées avec des nombres. Par conséquent, les commandes de ce groupe incluent l'addition, la soustraction, la comparaison, les opérations logiques, etc.

3) Transfert de commande de contrôle

Il est très rare qu'un programme se compose d'une seule instruction séquentielle. La plupart des algorithmes nécessitent un branchement de programme. Pour que le programme modifie l'algorithme de son travail, en fonction de n'importe quelle condition, des commandes de transfert de contrôle sont utilisées. Ces commandes assurent le flux d'exécution du programme le long de différents chemins et organisent des boucles.

Périphériques externes

Les périphériques externes incluent tous les périphériques externes au processeur (à l'exception de la RAM) et connectés via des ports d'E / S. Les périphériques externes peuvent être classés en trois groupes :

1) dispositifs de communication homme-ordinateur (clavier, moniteur, imprimante, etc.);

2) dispositifs de communication avec des objets de contrôle (capteurs, actionneurs, ADC et DAC);

3) périphériques de stockage externes de grande capacité (disque dur, disquettes).

Les périphériques externes sont connectés physiquement au système de microprocesseur - via des connecteurs et logiquement - via des ports (contrôleurs).

Un système d'interruption (mécanisme) sert d'interface entre le processeur et les périphériques externes.

Système d'interruption

Il s'agit d'un mécanisme spécial qui permet à tout moment, via un signal externe, de forcer le processeur à arrêter l'exécution du programme principal, à effectuer des opérations liées à l'événement qui a provoqué l'interruption, puis à revenir à l'exécution du programme principal. .

Chaque microprocesseur possède au moins une entrée de demande d'interruption INT (à partir du mot Interrupt).

Considérons un exemple de l'interaction d'un processeur d'ordinateur personnel avec un clavier (Figure 4).

Clavier - un dispositif pour entrer des informations symboliques et des commandes de contrôle. Pour connecter le clavier, l'ordinateur dispose d'un port clavier spécial (puce).

Figure 4 — Fonctionnement du CPU avec le clavier

Algorithme de travail :

1) Lorsqu'une touche est enfoncée, le contrôleur de clavier génère un code numérique. Ce signal va à la puce du port du clavier.

2) Le port clavier envoie un signal d'interruption au CPU. Chaque périphérique externe a son propre numéro d'interruption par lequel le processeur le reconnaît.

3) Après avoir reçu une interruption du clavier, le processeur interrompt l'exécution du programme (par exemple, l'éditeur Microsoft Office Word) et charge le programme de traitement des codes du clavier à partir de la mémoire. Un tel programme s'appelle un pilote.

4) Ce programme dirige le processeur vers le port du clavier et le code numérique est chargé dans le registre du processeur.

5) Le code numérique est stocké en mémoire et le processeur continue d'effectuer une autre tâche.

En raison de la vitesse de fonctionnement élevée, le processeur exécute simultanément un grand nombre de processus.