Schéma Synoptique d'un Micro-ordinateur et Essai du Circuit d'Horloge du Microprocesseur :
Lorsqu'au milieu des années
soixante, l'industrie électronique commença à produire des circuits intégrés
à usage civil, la technique de fabrication des microcircuits était encore rudimentaire.
En quelques années, le nombre des
composants (transistors, diodes, résistances, microcondensateurs ...)
inclus dans un même boîtier passa de quelques unités à quelques dizaines
puis plusieurs milliers. Mais c'est
l'apparition du microprocesseur en 1971 qui révolutionna véritablement la technologie.
Dans cette pratique et les
suivantes, nous allons pas traiter tous les microprocesseurs les uns à la suite
des autres, ils sont relativement nombreux, Pentium I à Pentium IV, AMD, etc... Par conséquent, nous avons choisi le microprocesseur Z80 ou son équivalent, ce
dernier est fort bien pour comprendre son fonctionnement, sachez bien que tous les microprocesseurs fonctionnent de la même façon et que l'architecture est
plus ou moins complexe selon les types des microprocesseurs.
1. - MICROPROCESSEURS ET MICRO-ORDINATEURS
Le microprocesseur n'est en effet,
plus limité à la réalisation d'une tâche unique mais peut exécuter un
programme composé
selon les besoins de
l'utilisateur.
En d'autres termes, les opérations effectuées par le microprocesseur sont exécutées
d'après une suite d'instructions élémentaires qui définissent, instant après
instant, la tâche du microprocesseur.
Des programmes différents
permettent à un même microprocesseur d'exécuter des fonctions arithmétiques
ou logiques différentes, selon les nécessités de chacun d'entre vous. Pour
cette raison, le microprocesseur est utilisé comme
unité centrale
(en anglais :Central
Processing
Unit,CPU) dans les systèmes gérés par
micro-ordinateur.
La figure 1 représente le schéma
synoptique d'un système typique contrôlé par micro-ordinateur ; l'unité
centrale (CPU) à microprocesseur constitue
le cœur du système ; un oscillateur à quartz permet la synchronisation
nécessaire au déroulement successif des instructions.
Les programmes et les données
utilisées sont stockées dans la mémoire qui se décompose en deux parties.
Une partie composée d'une
mémoire ROM
contient les
données permanentes
du système qui servent au fonctionnement du microprocesseur et qui ne doivent
pas être perdues lorsqu'on coupe l'alimentation, l'autre partie est constituée
par une mémoire RAM
et contient les données
et les programmes utilisés temporairement.
L'interface
I / O (Input / Output) appelée interface d'entrée / sortie en français,
ou E / S, permet le dialogue bidirectionnel
entre l'unité centrale et d'autres dispositifs appelés périphériques, tels
que clavier ou écrans.
Trois ensembles de liaisons, appelés
BUS, transportent les signaux de contrôle,
les données, les adresses de mémoires, permettant ainsi le dialogue entre chaque sous-ensemble.
Étant programmable, un système à
micro-ordinateur permet une grande souplesse d'utilisation et peut donc être relié à des
terminaux
de nature très diverses.
Lorsque l'ordinateur est utilisé
pour résoudre des problèmes de gestion ou de calcul, certains périphériques,
tel le clavier, permettent le dialogue entre l'homme et la machine.
Les périphériques
de sortie les plus utilisés par le micro-ordinateur sont
l'écran
et
l'imprimante.
Toutefois, il est souvent
utile de conserver les données et les programmes que la mémoire du micro-ordinateur ne peut conserver faute de place ; dans ce cas, le
stockage se fait au moyen de bandes magnétiques
ou de
disques magnétiques
que l'on appelle
mémoire
de masse.
Lorsque l'on désire envoyer ou
recevoir des informations à distance, on utilise les lignes téléphoniques ;
il est alors nécessaire de mettre en œuvre des interfaces spéciales appelées
MODEM.
Le micro-ordinateur peut être
utilisé également pour le contrôle de processus industriels, pour commander
des robots (soudure) ou des machines-outils. Dans ces derniers cas, les organes
terminaux ou périphériques peuvent être constitués de simples interrupteurs,
de sondes de températures, de capteurs de pression, de détecteurs de fin de course ...
La complexité des circuits et des
dispositifs reliés à l'unité centrale peut varier selon le type
d'application, mais la structure du système reste fondamentalement identique.
Dans les pratiques qui vont suivre,
on a choisi le microprocesseur Z80
parmi d'autres et cela vous permettra de connaître toutes les instructions nécessaires
au bon fonctionnement de ce dernier. Sachez bien que tous les microprocesseurs fonctionnent de la même façon, il suffit de bien comprendre les codes binaires
ainsi que les codes hexadécimaux, l'assembleur ..., et le fonctionnement
des divers circuits digitaux qui entourent les microprocesseurs et ses environnements ...
Une fois l'expérience du hardware
acquise, nous aborderons progressivement l'élaboration des programmes nécessaires
à l'exploitation du micro-ordinateur.
Microprocesseur Z80 :
C'est un microprocesseur à
8 bits, capable d'exécuter
158 instructions
différentes et d'adresser 64 K octets de
mémoire.
Mémoires
:
Mémoires de type
ROM
ou
RAM
jusqu'à un maximum de
64
K octets.
CTC (Counter / Timer
Circuit ou circuit de comptage / temporisation) :
C'est un circuit qui peut être
utilisé comme compteur ou comme temporisateur pour établir la séquence des
instructions.
Générateur d'horloge :
C'est le circuit qui délivre les
impulsions d'horloge nécessaires au déroulement d'un programme. Il est composé
d'un oscillateur à quartz qui génère un signal carré de
5 MHz
et d'un diviseur permettant d'obtenir
2,5 MHz.
Circuit WAIT :
Ce circuit permet de ralentir le
microprocesseur lorsqu'on utilise des mémoires ou des périphériques lents.
Circuit d'interruption (INTERRUPT) :
Ce circuit permet d'interrompre le
travail normal de l'ordinateur pour effectuer le travail demandé par un périphérique.
Ensemble tampon d'entrée / sortie UC :
C'est un ensemble constitué de
trois buffers utilisés comme amplificateurs-séparateurs entre la carte
UC
et les dispositifs qui y sont raccordés.
Autres composants :
Sur votre clavier par exemple, se
trouvent d'autres circuits intégrés qui permettent de générer les signaux de
contrôle relatifs à l'utilisation du clavier, du
PIO,
du moniteur vidéo et de l'interface cassette, etc...
Dans cette pratique, vous examinerez
les circuits de l'unité centrale suivants :
l'horloge,
le circuit de remise à zéro,
le décodage des mémoires,
le circuit d'attente (WAIT)
Les expériences que vous allez réaliser
vous permettront de comprendre le principe de fonctionnement des circuits et de tester le bon fonctionnement des composants.
Pour réaliser les expériences prévues
dans cette pratique, il vous sera nécessaire d'utiliser les composants suivants :
A noter : Il vous faut également
un Programmateur PROM afin de programmer
cette mémoire. Vous trouverez le listing de cette programmation qui sera
donné en code
hexadécimal, c'est-à-dire
les entrées d'adresses de
mémoire, tandis
que les données seront en
code
binaire à la figure 14 (sortie de la mémoire
PROM).
A titre d'exemple, voir la leçon pratique électronique digitale N° 12 à
cette adresse :http://www.electronique-et-informatique.fr/Electronique-et-Informatique/Digit/Pratique/Digit_12PS1.php
1 résistance de 100 W
- 1 / 4 W à ± 5 %
1 résistance de 27 kW
- 1 / 4 W à ± 5 %
1 résistance de 220 W
- 1 / 4 W à ± 5 %
1 résistance de 22 W
- 1 / 4 W à ± 5 %
2 résistances de 10 kW
- 1
/ 4 W à ± 5 %
8 résistances de 1 kW
- 1 / 4 W à ± 5 %
1 condensateur de 33 pF
1 condensateur de 2,2 nF
1 condensateur électrolytique
au tantale de 1 µF
1 condensateur électrolytique
au tantale de 68 µF
1 diode 1N 4148
1 transistor BC 559 ou son équivalent
1 circuit intégré 74LS00
1 circuit intégré 74L121
1 circuit intégré 74S472
(PROM) ou son équivalent
1 circuit intégré 74LS14
1 circuit intégré 74LS125
1 circuit intégré 74LS393
1 circuit intégré 74LS74
5 tresses de fil rigide isolé
(vert, rouge, noir).
3. - PREMIÈRE EXPÉRIENCE : ESSAI
DU CIRCUIT D'HORLOGE (CLOCK)
Un microprocesseur est un circuit
synchrone, c'est-à-dire qu'il est synchronisé au moyen d'un signal d'horloge.
Toutes les opérations, qu'il
effectue séquentiellement, sont rythmées par le signal d'horloge ou un signal
de fréquence différente multiple ou sous-multiple du signal d'horloge initial.
Il est donc nécessaire de disposer
d'un signal d'horloge de fréquence stable et précise, c'est pour cela qu'on
utilise des montages à
quartz.
L'oscillateur générant le signal
d'horloge fait partie des circuits implantés sur la carte UC,
il se présente sous la forme d'un boîtier métallique équipé de broches métalliques
pour le câblage. La fréquence du signal fourni est de 5
MHz.
Le circuit oscillateur qui fournit
le signal d'horloge n'est pas directement relié au microprocesseur, en effet,
la liaison s'effectue au moyen d'une bascule D
et d'un transistor PNP comme l'indique le
schéma de la figure 2.
La bascule
Dest montée en diviseur par 2
et permet de rendre symétriquement le signal carré produit par l'oscillateur.
Il peut en effet arriver que le signal produit par l'oscillateur soit asymétrique,
c'est-à-dire que le temps pendant lequel le signal de sortie est au niveau haut
soit différent de celui pendant lequel il est au niveau bas, comme représenté
à la figure 3.
Le Flip-flop "D"
bascule à chaque front montant du signal présent à l'entrée D,
c'est-à-dire au début de chaque période. Comme la période du signal d'entrée
est très précise, le signal obtenu en sortie du diviseur par deux est de période
moitié et également très stable. Ainsi, le temps pendant lequel la sortie est
haute sera égal à celui pendant lequel elle est basse d'où un rapport
cyclique de 1.
Compte tenu de la fréquence élevée
du signal, afin d'obtenir un bon fonctionnement du circuit diviseur, on utilise
un circuit de technologie TTL. Mais l'usage
d'un tel circuit implique, compte tenu que le microprocesseur Z80 est un circuit
de technologie MOS, certaines modifications seront utiles dans cette pratique.
En effet, le signal d'horloge nécessaire
au microprocesseur doit être caractérisé par un niveau bas compris entre
0 V et 0,8 V et un niveau haut
compris entre 4,4 V et 5 V.
Le niveau bas de la tension
disponible à la sortie du Flip-flop 74LS74
peut être compris entre 0 V et
0,4 V avec une valeur typique de
0,2 V,
il est donc acceptable ; par contre, le niveau haut peut être compris
entre 2,4 V et 4 V
avec une valeur typique de 3,4 V, donc non
valable pour commander le microprocesseur Z80.
La solution pour que le signal du
Flip-flop
D soit reconnu par le microprocesseur est d'interposer un circuit
d'adaptation à transistor afin d'amener le niveau haut du Flip-flop à la
valeur adéquate, comme le montrera l'expérience suivante.
3. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT
a) Assurez-vous que
l'interrupteur de mise en service du digilab est sur la position OFF et que le voyant d'alimentation soit éteint.
b) Insérez sur la plaquette
à contacts le circuit intégré 74LS74 (double
bascule D de technologie TTL Schottky),
les résistances et le condensateur tel que représenté figure 4. Ne mettez pas pour l'instant le transistor en place.
c) Effectuez les connexions indiquées à la figure 4.
3. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT
a) Mettez le digilab en
service et observez la LED L0: la
lampe sera allumée ou éteinte selon la position du Flip-flop
D à la mise sous tension.
b) Si L0
est allumée, appuyez sur la touche P0
pour l'éteindre.
c) Mesurez la tension entre
la masse et le point A, extrémité de la résistance R2: vous devez trouver entre
0
et 0,4 Volt, c'est-à-dire un niveau bas
compatible avec celui demandé par le microprocesseur.
d) Appuyez sur le bouton
P0
de façon que la LED L0
soit allumée
(simulation du signal CLOCK).
e) Mesurez la tension entre
la masse et le point A ; vous devez trouver
environ 3,4 Volts.
Vous venez donc de constater que le
niveau haut de la tension de sortie du Flip-flop est inadapté à la commande de
l'entrée d'horloge du microprocesseur.
f) Mettez le digilab hors
tension et insérez le transistor
BC 559 dans la position indiquée à la figure 4.
g) Allumez le digilab et répétez
les mesures précédentes. Vous remarquez que le niveau bas reste le même alors
que le niveau haut atteint maintenant un niveau compris entre 4,5
V et 5 Volts, donc remplissant
parfaitement les conditions voulues.
3. 3. - CONCLUSION
Dans cette expérience, vous avez vérifié
pratiquement le fonctionnement du circuit permettant d'adapter le signal issu de
l'oscillateur à quartz aux exigences du microprocesseur.
Ce circuit est constitué d'une
bascule, qui divise en deux la fréquence du signal carré issu de l'oscillateur
de façon à le rendre symétrique, et, d'un transistor permettant d'adapter les
niveaux du signal à ceux requis par le microprocesseur.
Lorsque la sortie
Q
de la bascule est au niveau haut, entre 2,4 V
et 4 Volts, la sortie est
au niveau bas, comprise entre 0 V et
0,4 Volt. Cette situation est illustrée à la figure 5.
Le transistor est conducteur
lorsque entre la base et l'émetteur, il y a une tension d'au moins 0,6
V, ce qui ne se vérifie pas dans le cas considéré. En effet, si
Q
se trouve à un niveau de tension haute de 4 V,
la tension entre la base de l'émetteur est de 0 Volt.
Par contre, dans le cas où le
niveau Q correspond seulement à une tension
de + 2,4 Volts, la valeur de la tension présente
entre base et émetteur sera de :
Dans le premier comme dans le second
cas, le transistor n'est pas polarisé, il est donc hors circuit ; c'est
comme s'il n'existait pas. Dans ces conditions, on obtient à la sortie du
circuit pour
une tension comprise entre 0 et 0,4
Volt.
Lorsque par contre
Q
est au niveau bas (entre 0 et
0,4
Volt), la tension entre base et émetteur du transistor augmente
jusqu'à 0,6 Volt.. Le transistor est donc
saturé et fonctionne comme un interrupteur fermé. De cette façon, la sortie
de la bascule est portée à + 5 Volts moins
la chute de tension dans le transistor (VCE
de saturation). Le niveau haut de tension sur
est ainsi d'environ 5 Volts, valeur adaptée
au microprocesseur.
Préparation du Matériel
Microprocesseur Z80 :
est
au niveau bas, comprise entre 0 V et
0,4 Volt. Cette situation est illustrée à la figure 5.
Cliquez ici pour la leçon suivante ou dans le sommaire prévu à cet effet.
Haut de page
Page suivante