Systèmes à microprocesseurs
Architecture des systèmes à microprocesseurs
Maryam Siadat & Camille Diou
I – Introduction
L’architecture d’un ordinateur constitue l’ensemble des sous-systèmes réalisant différentes fonctionnalités, la manière de les relier et de les faire communiquer. Au premier sens du terme, une architecture informatique est dé?nie par des paramètres tels que les instructions du microprocesseur, lesjeux de registres, la méthodologie de gestion de la mémoire, et d’autres fonctions …
I.1
L’architecture d’un ordinateur simple
Un simple ordinateur est composé de : – mémoire (RAM/ROM) ; – un CPU ; – quelques circuits d’entrée/sortie.
Les trois parties sont connectées par les trois bus (adresse, données, contrôle) créés par le CPU. Le CPU est le maître unique dans les ordinateurssimples, et c’est lui qui contrôle tout le système. La séquence des instructions (ou programme) est stockée en mémoire à des emplacements successifs et en code binaire. Le rôle du CPU se décompose en quatre étapes : 1. aller chercher l’instruction suivante en mémoire ? cycle de chargement ; 2. la décoder pour déterminer l’action qu’il doit effectuer ; 3. l’exécuter ? cycle d’exécution ; 4. revenir àl’étape 1.
Mémoire RAM ROM
CPU
Unité de commande UAL, registres
Circuits d’E/S PIO, PIA, PPI ACIA, UART, USART, SIO timer, CNA, CAN
F IG . I.1: Schéma synoptique d’un ordinateur simple
1)
L’unité centrale : (UC, CPU, MP)
Elle se compose essentiellement de l’unit de commande, de l’UAL et d’un ensemble de registres. L’UC est organisée le long d’un bus (bus interne dumicroprocesseur, cf ?gure I.2). Remarque : les registres de l’UC n’ont pas tous la même taille.
c M. Siadat & C. Diou
Architecture des systèmes à microprocesseurs
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I.1. L’architecture d’un ordinateur simple
Bus interne de l’UC
UAL
Registres généraux
Pointeur de programme
Registre d’instruction
^ Controle du temps
Registre d’adresse
Registre tampon
F IG . I.2: Schémasynoptique d’une unité centrale
1.a)
L’UAL
Elle permet d’effectuer les additions et soustractions binaires, OR, AND, XOR… Exemple de circuit : 74LS181, UAL 4 bits (cf ?gure I.3).
A0 A1 A2 A3 B0 B1 B2 B3 CN M F0 F1 F2 F3 P CN A=B
S3 S2 S1 S0
F IG . I.3: Schéma d’un 74LS181
Ce circuit réalise des fonctions arithmétiques et logiques sur A et B, avec le résultat dans F. L’opération estdéterminée par M et par les entrées de sélection S0, S1, S2, et S3 : – M=1 ? 16 fonctions logiques ; – m=0 ? 16 fonctions arithmétiques. L’intérêt d’une UAL c’est qu’elle peut être programmée avec des instructions binaires : c’est un circuit programmable. L’UAL est la partie la plus importante d’un processeur, donc d’un ordinateur. Réalisation d’une UAL : – elles sont souvent réalisées à l’aidedes réseaux logiques programmables (PLA) ; – avec l’arrivée des circuits LSI et VLSI, des réalisations très structurées ont été possibles à l’aide de MUX (sélecteurs de données). Exemple : additionneur complet de 1 bit à l’aide de 2 MUX à 3 entrées de sélection (cf ?gure I.4). Remarques : 1. pour réaliser une UAL traitant des mots de n bits, il suf?t de brancher en cascade n paires de sélecteurs dedonnées (exemple additionneur à 4 bits) ; 2. pour réaliser une autre opération, il suf?t de changer les entrées des MUX.
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c M. Siadat & C. Diou
0 1 1 0 1 0 0 1
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
S
a0 a1 a2
0 0 0 1 0 1 1 1
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
Rout
a2 a1 a0
A
B
Rin
F IG . I.4: Additionneur complet
1.b) L’unitéde commande Son rôle est : – d’envoyer des signaux de contrôle pour connecter les registres au bus ; – de superviser le fonctionnement de l’UAL ; – de donner des signaux d’horloge à l’ensemble de l’ordinateur. Toutes les actions de l’unité de commande concernent les cycles de chargement et d’exécution des instructions. Par exemple, il y a besoin de signaux de contrôle pour relier les registres…