Les Débuts du Microprocesseur et Configurations d'un Système à Microprocesseurs :

Nous allons commencer à apprendre les débuts du Microprocesseur.

NOTA : Le microprocesseur est un composant électronique très complexe réalisé sur une pastille de silicium de quelques millimètres carrés.

Sur cette pastille se trouvent des fonctions logiques intégrées, qui nécessitaient un ordinateur de 2 mètres cubes, en 1965. Néanmoins, le microprocesseur n'est pas un micro-ordinateur à lui seul.

Ce dernier est un ordinateur complet, dont le microprocesseur n'est que la partie centrale.

Dans les théories précédentes, nous avons déjà vu la structure d'un système à microprocesseur.

 

1. - LES DÉBUTS DU MICROPROCESSEUR

Le microprocesseur n'est pas né à la suite d'une recherche planifiée mais, il est le produit de la technologie micro-électronique et est apparu dans des circonstances fortuites.

C'est en 1971 que sont apparus les premiers circuits intégrés à grande échelle, appelée LSI Large Scale Integration) et qui contiennent jusqu'à 10 000 transistors. A la fin de la même année, apparut également le premier microprocesseur : le 4004 de INTEL.

La révolution électronique de cette époque se rattache aux développements des programmes spatiaux de la NASA. Ultérieurement, les commandes gouvernementales ont été réduites, ce qui a contraint les constructeurs à rechercher de nouveaux débouchés, en particulier dans les ordinateurs et dans l'automatisation industrielle.

Au début des années 70, les ordinateurs déjà présents dans les économies de différents pays étaient construits avec des circuits intégrés SSI et avec des transistors. Certains langages de programmation avaient pris une certaine extension : le FORTRAN, le COBOL, le BASIC. 

La notion d'ordinateur pénétrait également la sphère culturelle, ce qui préparait le terrain pour le développement ultérieur des microprocesseurs.

Le 4004, prototype de la nouvelle génération des circuits complexes, donnait satisfaction mais était assez différent des microprocesseurs actuels. Il était surtout adapté à des calculs mathématiques et ne se prétait guère à une utilisation générale.

Le vrai microprocesseur d'utilisation générale naquit l'année suivante ; c'était le 8008 de INTEL qui était un microprocesseur à 8 bits.

Le 8008 est un grand succès : pour la première fois, les concepteurs avaient à leur disposition un composant programmable, qui offrait donc une grande souplesse dans son utilisation.

Jusqu'à ce moment-là, les circuits électroniques étaient réalisés avec les composants standards disponibles sur le marché.

Un constructeur pouvait développer un circuit intégré complexe seulement dans un cas de grande production et sur demande d'un client.

Avec l'arrivée du microprocesseur sur le marché, il devint possible d'utiliser le même composant pour résoudre des problèmes fort différents.

C'est donc ce facteur qui permit alors la commercialisation à grande échelle du microprocesseur.

Voyons, par exemple, comment le microprocesseur remplace les circuits logiques câblés traditionnels.

Rappelons que, dans un circuit combinatoire, l'état des sorties est déterminé uniquement par celui des entrées. La relation entrées / sorties constitue la fonction logique du circuit (figure 1).

Par contre, dans un circuit séquentiel, l'état des sorties est fonction à la fois de l'état des entrées à l'instant considéré et de l'état des entrées à l'instant antérieur.

Généralement, un circuit séquentiel est commandé par une horloge (figure 2).

 

Le microprocesseur peut remplacer n'importe quel circuit, combinatoire ou séquentiel (figure 3).

Les fonctions logiques exécutées par un système à microprocesseur dépendent des instructions stockées dans la mémoire. Plus le programme est long et plus les fonctions logiques sont complexes. Or, l'exécution d'une instruction demande un certain temps, donc dans certains cas, le microprocesseur ne sera pas assez rapide pour effectuer le travail demandé.

Cette limitation de vitesse est la raison pour laquelle les microprocesseurs ne se sont pas encore substitués à l'ensemble des circuits traditionnels.

La logique traditionnelle est toujours utilisée pour l'exécution des tâches simples (figure 4).

La figure 4 ci-dessus, sur cette carte, plus de 90% des fonctions sont effectuées par 5% des composants ; 95% des circuits effectuent seulement les tâches marginales.

La figure 5 montre comment la programmation d'un microprocesseur peut remplacer un circuit logique combinatoire. La fonction à résoudre est la suivante : .

Vous observez que les valeurs présentes sur les entrées A, B, C et D sont traitées en même temps dans le cas du circuit logique, tandis qu'elles sont traitées l'une après l'autre dans le cas de l'emploi d'un microprocesseur.

Le microprocesseur 8008 eut un tel succès que la société INTEL entreprit de mettre au point un microprocesseur plus performant. C'est ainsi qu'apparut le 8080 qui devint le microprocesseur le plus répandu.

Entre temps, d'autres microprocesseurs apparurent sur le marché : les modèles 6800 de Motorola, MM78 de Rockwell,  2650 de Signetics, F8 de Fairchild.

Les systèmes à microprocesseurs, par rapport aux circuits traditionnels, présentent deux avantages :

1) - Ils utilisent un nombre restreint de circuits intégrés, ce qui permet :

• une réduction en volume et un allègement des cartes,

• une diminution de la puissance consommée,

• une réduction des connexions donc une augmentation de la fiabilité,

• un bas prix.

2) - Ils sont programmables ; il suffit donc de changer le programme pour effectuer des tâches différentes. De plus, en cas d'erreurs dans le projet ou tout simplement, en cas de modifications, il suffit d'effectuer des changements au seul niveau du programme.

En général, dans le projet d'un système numérique, on peut choisir parmi quatre méthodes :

a) - Cette constituée par l'assemblage des différents circuits intégrés logiques (méthode traditionnelle). Le système ainsi réalisé est souvent appelé logique câblée ou logique discrète.

b) - Celle qui utilise un micro-ordinateur (Personal Computer) où l'on réalise la fonction logique par un programme rédigé en langage de haut niveau (langage évolué).

c) - La méthode "Custom Chip" où le projet est élaboré en étroite collaboration entre le client et le constructeur de circuits intégrés.

d) - Celle qui utilise un microprocesseur ; dans ce cas, comme pour le micro-ordinateur, c'est un programme spécifique qui réalise la fonction logique. Ce programme est rédigé directement en langage machine.

Le tableau de la figure 6 permet de comparer ces quatre méthodes évoquées.

   

2. - CONFIGURATIONS D'UN SYSTÈME A MICROPROCESSEURS

Le microprocesseur est essentiellement constitué par l'unité centrale de traitement (CPU) intégrée dans un seul boîtier (chip). Cette unité centrale peut être plus ou moins complexe en fonction de la technologie utilisée (logique bipolaire ou logique MOS).

D'autre part, les progrès technologiques permettent un niveau d'intégration de plus en plus élevé (figure 7).

Les premiers microprocesseurs à 4 bits, dérivés du 4004, étaient généralement utilisés pour remplacer des circuits logiques dans des applications industrielles.

Ceux de la génération suivante, à 8 bits, ont été et sont encore utilisés pour les calculs arithmétiques et pour les traitements logiques.

Les microprocesseurs les plus récents, à 16 bits ou à 32 bits ou encore à 64 bits, constituent une nouvelle étape dans les traitements logiques et dans les utilisations générales, en programmation (figure 8).

L'évolution des microprocesseurs se poursuit actuellement. A terme, un ralentissement est prévu dans la conception hardware du microprocesseur.

L'évolution se situera alors principalement au niveau des logiciels (software).

Sur le marché, il existe déjà plus de cent types de microprocesseurs. La plupart possèdent des caractéristiques communes qui sont les suivantes :

• architecture de Von Neumann (Programmabilité),

• données organisées en mots de 8 ou 16 bits,

• instructions constituées de 1, 2, 3 ou 4 mots,

• bus de données externes sur 8 ou 16 bits,

• bus d'adresses de 16 ou 24 bits,

• signaux de contrôle qui entrent ou sortent du microprocesseur.

La figure 9 représente le boîtier d'un microprocesseur typique à 40 broches.

L'une des limites à l'évolution technologique des microprocesseurs est le nombre de broches.

Ces dernières années, les boîtiers à 40 broches dominaient le marché. Plus récemment, sont apparus des boîtiers à 50, 64, 68 et même 80 broches. La figure 10 représente un type de boîtier à 68 broches.

Les microprocesseurs (4, 8, 16, 32, 64 bits) sont montés avec d'autres circuits intégrés sur une carte qui constitue la carte CPU. Il y a quatre types différents de configuration du système selon le microprocesseur utilisé.

a) - La figure 11 représente la configuration "standard", commune à la plus grande partie des systèmes à microprocesseur.

Le microprocesseur contient les fonctions traditionnelles du CPU. Les mémoires à simple lecture (ROM) et à lecture / écriture (RAM), ainsi que le PIO, sont externes.

Le PIO (Parallel Input / Output) permet la communication entre l'ordinateur et les circuits externes.

Les circuits du système à microprocesseur sont reliés par des bus (bus externes).

Sur la figure 11, chaque bus est représenté par une seule liaison, mais en fait, il y en a plusieurs. Vous constatez qu'il y a 3 bus.

- Le bus de données, bidirectionnel qui achemine les données entre le microprocesseur et les circuits extérieurs (8 lignes pour un microprocesseur à 8 bits).

- Le bus d'adresses, unidirectionnel, permet au microprocesseur d'adresser un circuit extérieur.

- Le bus de contrôle, constitué par les lignes qui acheminent les signaux de synchronisation du système.

Dans la figure 11, le circuit d'horloge est extérieur au microprocesseur. Dans les microprocesseurs plus récents, il est par contre interne ; seul le quartz est à l'extérieur. De plus, ce type de microprocesseur contient l'ensemble des composants du système.

b) - On aboutit ainsi à un deuxième type de configuration (figure 12) dans laquelle le microprocesseur est un micro-ordinateur à lui seul.

Le microprocesseur contient le CPU, les bus, le circuit d'horloge, la ROM, la RAM, ainsi que d'autres circuits (temporisateur, convertisseur analogique / digital).

La figure 13 montre le circuit intégré d'un tel microprocesseur.

Vous pouvez observer les différentes zones (ROM, RAM, ALU ...).

Les zones mémoires (ROM et RAM) sont très régulières alors que les zones des circuits d'entrée / sortie sont irrégulières.

c) - Un troisième type de configuration est représenté à la figure 14. C'est un micro-ordinateur à mi-chemin entre la configuration standard et la configuration "single chip".

Le microprocesseur utilisé possède plus de possibilités qu'un microprocesseur standard. En particulier, il peut communiquer directement avec des dispositifs d'entrée / sortie à l'aide d'un bus.

Le deuxième circuit intégré contient la ROM, la RAM et les circuits de contrôle d'entrée / sortie.

Ces deux circuits constituent ainsi un micro-ordinateur à eux seuls.

Un microprocesseur est choisi en fonction de l'application dans laquelle, il se trouve inséré.

Les micro-ordinateurs à boîtier unique (single chip) sont utilisés pour des contrôles industriels simples ou pour des appareils électroménagers (fours, machine à laver ...). La production en grande série de ces micro-ordinateurs (plus de 100 000) permet de réduire les coûts. Les programmes sont ainsi stockés directement dans la ROM du microprocesseur.

Les micro-ordinateurs à 2 circuits sont utilisés pour des applications plus complexes, mais qui demandent une mémoire limitée.

Les microprocesseurs standards sont utilisés pour les tâches les plus complexes.

d) - Le dernier type de configuration est représenté à la figure 15.

C'est un micro-ordinateur constitué par des circuits intégrés appelés bit slice ("slice" = tranche).

Chaque "bit slice" (N° 1, N° 2, N° ...) traite un groupe de bits (généralement 4 mais aussi 8 ou 16 bits).

L'ensemble des "bit slice" constitue le processeur. Ce dernier peut ainsi traiter des mots de 8, 16, 32 ou 64 bits et même voire plus.

Un circuit spécialisé contient un micro-programme qui interprète les instructions et génère les signaux de contrôle nécessaires à l'exécution de ces instructions.

Ces processeurs à "bit slice" ont été conçus afin d'augmenter la vitesse de travail. On utilise également pour cela la technologie bipolaire Schottky à basse puissance.

L'inconvénient est que le processeur occupe plus de place que les trois configurations vues auparavant.

Nous allons étudier maintenant l'architecture interne du microprocesseur (toujours dans la même leçon, 4ème théorie).

Testez vos connaissances sur cette 4ème théorie avant de continuer les autres leçons en cliquant ici.

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