 La Signature Analysis |
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Essai de Fonctionnement du Microprocesseur Z80 par la Méthode Signature :
4. - TROISIÈME EXPÉRIENCE : ESSAI DE FONCTIONNEMENT DU MICROPROCESSEUR Z80 PAR LA MÉTHODE DE L'ANALYSE DE LA SIGNATURE OU "SIGNATURE ANALYSIS"
Dans cette expérience, vous allez commencer par tester le microprocesseur Z80 ; dans ce but, vous utiliserez une méthode très intéressante appelée "analyse de la signature".
Cette méthode est généralement appliquée pour tester des équipements numériques complexes ; elle se base sur le fait que certains signaux sont périodiques, c'est-à-dire se répètent de façon cyclique et ont donc une "signature" typique. Au cours de l'expérience, vous comprendrez mieux la signification de "signature".
Les appareils pour la "signature analysis" sont assez compliqués et coûteux. Dans cette expérience, on adoptera un circuit de contrôle simplifié mais efficace.
LE MICROPROCESSEUR Z80
Le microprocesseur Z80 se présente sous la forme d'un circuit intégré à 40 broches, à l'intérieur duquel se trouvent presque tous les éléments indispensables à un micro-ordinateur, excepté la mémoire qui doit être externe.
A ceci, il faut ajouter des circuits auxiliaires dont certains on déjà été examinés comme le générateur d'horloge, le circuit de remise à zéro, etc...
Pour l'instant, nous n'aborderons pas la constitution interne du Z80, elle sera abordée dans les leçons théoriques sous la forme d'un schéma synoptique, mais nous contrôlerons si l'exemplaire fonctionne régulièrement.
Examinons d'abord le brochage et passons en revue certains signaux d'entrée et de sortie.
En observant la figure 14, vous remarquez que, sur le côté droit, sont regroupées toutes les broches correspondantes aux sorties.
Les broches repérées par D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6 et D7 sont des cas particuliers car elles peuvent être des entrées ou des sorties.
En effet, on peut trouver sur ces broches soit les données que le microprocesseur peut recevoir de l'extérieur (par exemple des mémoires), soit celles qu'il émet.
Dans cette expérience, on utilisera de nombreuses entrées et sorties dont celles notées de A0 à A15.
Ces sorties servent à fournir les signaux d'adresse grâce auxquels le microprocesseur indique la position de la case mémoire dans laquelle il désire lire ou écrire une information. Celle-ci, constituée de 8 bits, transite sur les lignes de D0 à D7.
La broche 6, repérée par le symbole f, est l'entrée sur laquelle doit être appliquée le signal d'horloge.
Parmi les autres entrées, vous
connaissez déjà l'entrée 
(broche 24) qui doit être reliée au circuit WAIT
(attente) et l'entrée 
(remise à zéro, broche 26) qui doit, de même, être reliée au circuit RESET.
Les entrées et sorties restantes ont des fonctions particulières qui seront examinées par la suite et qui concernent, en outre, la gestion des mémoires.
L'INSTRUCTION NOP
Pour bien comprendre le mécanisme de l'expérience, il est nécessaire de connaître certaines particularités du fonctionnement du Z80.
Tout d'abord, il faut préciser qu'en plus des données à traiter, il parvient sur les entrées D0 à D7 les instructions indiquant au microprocesseur ce qu'il doit faire.
Parmi les nombreuses instructions du Z80, il en existe une, appelée NOP, qui lui impose de ne faire aucune opération et de passer à l'instruction suivante ; en effet, le sigle NOP est l'abréviation de no operation (pas d'opération).
Le Z80 reconnaît l'instruction NOP si toutes les entrées D0 à D7 sont au niveau bas.
Voyons maintenant quelle est la façon d'opérer du microprocesseur.
Le départ des opérations est donné par une commande de remise à zéro. Tout de suite après, le Z80 présente sur les sorties de A0 à A15 l'adresse 00 ... 00 (binaire), c'est-à-dire 0000 (en code hexadécimal) et en même temps il présente, sur les entrées de données, l'instruction stockée en mémoire à l'adresse 0000 (hexadécimal).
Cette instruction est exécutée par le microprocesseur qui incrémente ensuite l'adresse qui passe donc à 0001 ; l'instruction contenue à cette adresse est lue puis exécutée.
Le microprocesseur passe ensuite à l'instruction suivante qui se trouve à l'adresse 0002 et il l'exécute. Les instructions sont donc lues et exécutées les unes après les autres.
La séquence des instructions constitue le programme.
Pratiquement, le procédé est un peu plus complexe puisque les instructions peuvent occuper plus d'une adresse de mémoire et le microprocesseur peut sauter d'une partie à l'autre de la mémoire selon les instructions qu'il reçoit.
Toutefois, pour notre expérience, la description du fonctionnement que l'on vient de faire est suffisante. En effet, une instruction NOP occupe une seule adresse de mémoire et ne fait pas sortir le microprocesseur de la séquence normale de fonctionnement.
Tout au long de l'expérience, on fera en sorte que le microprocesseur exécute une séquence d'instructions NOP. De cette façon, il ne pourra que lire l'instruction et incrémenter l'adresse selon la séquence suivante :
-
RESET ou remise à zéro (doit être effectuée au début des opérations)
-
ADRESSE 0000 (fournie par les sorties de A0 à A15)
-
Le Z80 lit NOP (reçoit l'ordre de n'exécuter aucune opération et de passer à l'adresse suivante)
-
ADRESSE 0001
-
Le Z80 lit NOP
-
ADRESSE 0002
-
Le Z80 lit NOP
-
ADRESSE 0003
-
Le Z80 lit NOP
-
ADRESSE 0004
-
Le Z80 lit NOP
On continue en augmentant toujours d'une unité jusqu'à :
-
n - ADRESSE FFFF
-
n + 1 - Le Z80 lit NOP
-
n + 2 - ADRESSE 0000
-
n + 3 - Le Z80 lit NOP, et ainsi de suite.
On voit ainsi que le microprocesseur génère toutes les adresses possibles de 0000 à FFFF (en hexadécimal) pour ensuite recommencer depuis le début.
LA SIGNATURE
ANALYSIS
La signature analysis est une technique, introduite par la compagnie Hewlett Packard, qui relève les erreurs éventuelles dans une séquence de données.
Cette séquence est transformée en un nombre de plusieurs chiffres, quatre en général, mais limité à deux dans notre expérience. Ce nombre représente la signature de la séquence. Il est caractéristique de cette séquence, en un point donné du circuit. On l'enregistre, puis on vérifie le bon fonctionnement du circuit en lisant de nouveau le nombre que la signature représente : chaque différence avec celui enregistré précédemment indique une irrégularité de fonctionnement.
Un exemple va vous permettre de mieux comprendre. Supposons que l'on ait la séquence de bits 10 10 10 10 et que l'on veuille obtenir la signature par le circuit de la figure 15 constitué par un registre à décalage et une porte OU Exclusif.
Les données sont appliquées sur l'une des entrées de la porte OU Exclusif, tandis que sur l'autre entrée parviennent les bits du troisième étage du registre. On suppose que le registre est mis à zéro au départ, c'est-à-dire qu'il contient quatre zéros.
On introduit donc les données par huit impulsions d'horloge, en commençant par charger le premier bit à gauche. Au fur et à mesure que les données entrent, le contenu du registre se modifie et par conséquent, le contenu de l'étage relatif au bit 3 aussi. La donnée présente dans cet étage étant appliquée à l'une des deux entrées du OU Exclusif, influe également sur les données qui entrent dans le registre.
La séquence qui en résulte est la suivante :
A la fin de l'opération, on trouve donc dans le registre le nombre 1101 qui sera visualisé sur l'afficheur par le chiffre hexadécimal D. Ce chiffre constitue la signature de la séquence examinée.
Voyons maintenant ce qui se produit si la séquence comporte une erreur parce que le troisième bit vaut par exemple 0 au lieu de 1. Dans ce cas, le chargement du registre se fait de la manière suivante :
Cette fois-ci, le registre contient le nombre 1001 qui sera visualisé sur l'afficheur par le chiffre 9. La signature est fausse, l'erreur sur le troisième bit a été détectée.
Il est à noter que l'on pourrait obtenir le même résultat sans porte OU Exclusif en utilisant un registre à décalage de huit bits pour n'importe quel nombre de données à examiner.
Toutefois, cette solution devient peu pratique si la séquence est très longue ; en effet, elle comprend parfois des centaines de données.
Pour l'analyse de signature, par contre, un registre de dimension réduite suffit. Une erreur, même si elle se trouve au début de la séquence, ne passe pas inaperçue ; elle se transmet au fur et à mesure que les données entrent et influe sur le résultat final.
Dans l'expérience qui suit, on utilise un registre à décalage de huit bits de façon à obtenir une signature à deux chiffres.
La figure 16 représente le schéma synoptique du registre intégré utilisé, le 74LS164, tandis que la figure 17 en donne le brochage.
Il s'agit d'un registre à décalage de type série-parallèle à huit étages, chacun d'eux étant constitué par une bascule.
Les données peuvent être appliquées sur deux entrées notées A et B ; dans l'expérience, seule l'entrée A est utilisée (broche 1).
Le décalage s'effectue sur le front montant du signal d'horloge. L'entrée CLEAR qui remet à zéro le registre, est active sur un niveau bas et est asynchrone ; autrement dit, dès qu'un niveau bas est appliqué sur cette entrée, le registre est remis à zéro sans devoir attendre une impulsion d'horloge, comme le nécessiterait un fonctionnement synchrone.
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