Informatique Industrielle

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 I LES CALCULATEURS NUMERIQUES

1° Généralités

Grosso modo, un calculateur numérique est un système ou un ensemble de blocs composés
d’éléments et de circuits numériques qui se concertent pour exécuter un programme bien défini. Ce
dernier est composé d’instructions codées et conservées dans une mémoire avec des données sur
lesquelles ce programme travaille. Quand le calculateur reçoit l’ordre d’exécution d’un programme
quelconque, il suit et respecte un certain ordre jusqu’à ce que le programme prenne fin.

D’autre part, nous pouvons dire qu’un calculateur numérique n’est rien d’autre qu’une machine
ultra rapide qui traite les données, résout des problèmes, prend des décisions, tout cela sous la
gouverne d’un programme. Un calculateur numérique peut être un Automate Programmable
Industriel (voir le cours de la première année sur les Automatismes et l’Automatisation), un micro
ordinateur ou tout autre système à base d’un ou de plusieurs microprocesseurs.

 

2° Eléments de base d’un calculateur numérique

La figure suivante représente schématiquement la structure d’un calculateur numérique, où l’on
peut voir ses différents éléments de base :

 

→ Le microprocesseur, appelé souvent Unité Centrale « UC ». C’est le cerveau du calculateur

numérique, il sera étudié en détail par la suite.

→ L’unité de mémoire, comprenant aussi bien de la mémoire vive « RAM » que de la mémoire
morte « ROM, EPROM, ... ». La section de la mémoire vive contient une ou plusieurs puces
« LSI : Large Scale Integration » montées de manière à réaliser la capacité de la mémoire
prévue. Cette section reçoit le programme et les données, ces derniers étant modifiés au fur et à

mesure que se déroule le traitement. Cette section sert également à la mémorisation des valeurs

intermédiaires et des valeurs finales des calculs réalisés pendant l’exécution du programme.

La section de la mémoire morte comprend aussi une ou plusieurs puces « LSI » qui contiennent
les instructions et les données inaltérables, par exemple les instructions du programme qui
explore sans arrêt le clavier ou les données d’une table « ASCII » nécessaire pour sortir les
informations sur un écran ou sur une imprimante.

→ L’interfaçage Entrée/Sortie est constitué de deux modules : module entrée et module sortie.

Le module d’entrée contient tous les dispositifs servant à prélever des informations et des
données de l’extérieur du calculateur et à les transférer dans sa mémoire : c’est par cette unité
que l’on introduit les programmes, les données avec un dispositif extérieur comme le clavier,
les interrupteurs, les unités de disquettes ou de disques durs, des Convertisseurs Analogiques
Numériques « CAN », etc.

Le module de sortie, regroupe tous les éléments que l’on a prévu pour transférer des données

et des informations du calculateur vers le monde extérieur. Ces dispositifs de sortie reçoivent
leurs ordres de l’unité de commande pour envoyer des données gardées en mémoire ou des
résultats calculés par l’Unité Arithmétique et Logique « UAL » vers l’extérieur. Parmi les
exemples d’éléments de sortie, nous pouvons citer les différents afficheurs, les différents
voyants, les écrans de visualisation, les imprimantes, les unités de disquettes ou de disques
durs, des Convertisseurs Numériques Analogiques « CNA », etc.

→ Un bus de données, permettant les transferts d’informations sur un faisceau de plusieurs conduc-
teurs parallèles. Le nombre de fil est l’une des caractéristiques essentielles de l’UC. En
principe, la largeur du bus de données est égale à la taille des mots manipulés par le
microprocesseur (8 bits, 16 bits, ...). Le bus est unidirectionnel pour les trois liaisons suivantes :

Mémoire Morte →
Microprocesseur →
Unité d’Entrée
→

et bidirectionnel pour la communication du microprocesseur avec la mémoire vive.

→ Un bus d’adresses, est aussi un ensemble de conduits parallèles unidirectionnel permettant de
pointer toutes les cases mémoires adressables par le calculateur numérique. Le nombre de
lignes de ce bus détermine la taille maximale de la mémoire. Si par exemple ce nombre est de
16, le champ mémoire qu’on peut adresser est de 64 Kilo Octets.

→ Un bus de commande et de contrôle bidirectionnel, comportant :

• Des lignes qui permettent à l’UC de spécifier à la RAM ou aux ports d’entrée et de sortie si
elle veut faire une écriture ou une lecture.
• Des lignes utilisées par l’UC pour répondre aux périphériques, par exemple : acceptation
d’une demande d’interruption ou d’un accès direct mémoire, ...

N.B. Le nombre de lignes dépend du type de microprocesseur utilisé !

Microprocesseur,
Unité de Sortie,
Microprocesseur

3° Définition et évolution des microprocesseurs

Les microprocesseurs sont parmi nous ! Apparus vers les années 70, les microprocesseurs « µP »
ont rapidement envahi presque tous les domaines. Ils sont utilisés actuellement dans des millions de

magnétoscopes, les pompes à essence, les appareils électroménagers, ..., sans oublier les

microordinateurs et des gros systèmes informatiques.
Un µP est généralement une puce intégrée programmable renfermant tous les circuits de l’unité de
commande et de l’unité arithmétique et logique. On l’appelle souvent, le cerveau du calculateur
numérique car c’est lui qui se charge des fonctions suivantes :

→ Fournir les signaux de synchronisation et de commande à tous les éléments du calculateur.
→ Prendre en charge les instructions et les données en mémoire.

→ Transférer les données entre la mémoire et les dispositifs d’Entrée/Sortie et vice versa.

→ Décoder les instructions des programmes.

→ Effectuer les opérations arithmétiques et logiques correspondant aux instructions.

→ Réagir aux signaux de commande produits par les E/S comme le signal d’initialisation (Reset),

les signaux correspondant aux interruptions, ...

D’après le site web : http://fr.wikipedia.org/wiki/Microprocesseur, le premier micro processeur a été
inventé, en 1971, par l’ingénieur d’Intel Mr Marcian Hoff (surnommé Ted Hoff). Et le premier
microprocesseur qui a été commercialisé, le 15 novembre 1971, est l'Intel 4004 (à 4-bits). Il fut
suivi par l'Intel 8008. Ce microprocesseur a servi initialement à fabriquer des contrôleurs
graphiques en mode texte, mais jugé trop lent par le client qui en avait demandé la conception, il
devint un processeur d'usage général. Ces processeurs sont les précurseurs des Intel 8080 Zilog Z80
et de la future famille des Intel x86. Le tableau suivant décrit les principales caractéristiques des
microprocesseurs fabriqués par Intel et montre la fulgurante évolution des microprocesseurs autant
en augmentation du nombre de transistors, en miniaturisation des circuits et en augmentation de
puissance.

Date : l’année de commercialisation du microprocesseur.
Nom : le nom du microprocesseur.
Transistors : le nombre de transistors contenus dans le microprocesseur.
Finesse de gravure : le diamètre (en micromètres) du plus petit fil reliant deux composantes du microprocesseur. En
comparaison, l'épaisseur d'un cheveu humain est de 100 microns !
Fréquence de l’horloge : la fréquence de l’horloge de la carte mère qui cadence le microprocesseur. MHz = millions
de cycles par seconde. GHz = milliards 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 complétées par le microprocesseur en une seconde.

4° Etude de trois microprocesseurs de la famille Motorola

4.1 Le microprocesseur 6802

Le µP 6802 de Motorola est un processeur 8 bits conçu en technologie N-MOS. Il est tout à fait
compatible TTL et il est encore utilisé sur certains systèmes. Il est né deux ans après le 6800, ce
microprocesseur intègre sur le même circuit une mémoire RAM de 128 Octets dont les 32 premiers
Octets peuvent être sauvegardés en mode faible consommation, par pile. Tous les registres internes
(qui sont de l’ordre de six) sont analogues à ceux du 6800, ce qui implique même jeu d’instructions
(72 instructions) et même mode d’adressage.

4.2 Le microprocesseur 6809

Le µP 6809 est un processeur 8 bits de haute gamme, dont l’organisation interne est orientée 16
bits. Il est tout à fait compatible au niveau source avec les programmes écrits pour le 6800 ou le
6802 et il est conçu en technologie N-MOS. Il existe deux versions de ce processeur, le 6809 (avec
horloge interne) et le 6809E (avec horloge externe). Leur brochage diffère ainsi que leurs signaux
mais le jeu d’instruction est identique. Dans ce polycopié, nous allons étudier le 6809.

4.2.1 Description générale

Le circuit correspondant comporte 40 broches (voir la figure suivante). La signification des
différentes broches du boîtier est résumée ci-dessous :