Électronique numérique : Cours exercices corr circuits seqauentielles
Télécharger PDFConcevoir son microprocesseur : structure des systèmes logiques
Auteur : Jean-Christophe Buisson
Collection : Technosup
Éditeur : Ellipses
Avant-propos
Ce livre s’adresse aux étudiants en informatique de licence et maîtrise, aux élèves ingénieurs, ainsi qu’aux professionnels de l’informatique – programmeurs ou autres – soucieux de comprendre le fonctionnement des systèmes logiques présents dans les dispositifs électroniques qui nous entourent, et en particulier les microprocesseurs et les microcontrôleurs.
Chapitre I : Principes généraux
1. Organisation générale d’un ordinateur
La plupart des ordinateurs suivent l’organisation générale du modèle de Von Neumann, inspiré de la machine conçue par John Von Neumann sur la machine IAS peu après la deuxième guerre mondiale.
1.1. Le modèle de Von Neumann
Dans ce modèle, la mémoire centrale est un composant central. Elle contient le programme à exécuter et les données initiales, et stocke les résultats intermédiaires ou finaux.
La mémoire centrale est un tableau de mots binaires de taille fixe, chaque mot étant repéré par une adresse. Les programmes accèdent aux données et instructions en mémoire via leurs adresses.
Le programme exécuté par un ordinateur se trouve en mémoire centrale, et non sur un disque dur ou un CD-ROM. Une copie du programme peut être stockée sur un support externe, mais c’est uniquement après son chargement en mémoire centrale que son exécution commence.
Un programme est composé d’instructions codées sous forme de mots mémoire. Le langage utilisé pour coder ces instructions est le langage machine, que seul le processeur comprend. La taille des instructions varie selon les processeurs : certaines ont une taille fixe, égale à un ou plusieurs mots mémoire, tandis que d’autres ont des tailles variables en fonction de leur complexité.
Le processeur contrôle l’exécution des programmes en organisant le chargement des instructions et en détaillant leur exécution. Il effectue également tous les calculs, notamment sur les nombres entiers, car le contrôle de l’exécution nécessite souvent des opérations arithmétiques.
Pour garder la trace des informations nécessaires pendant l’exécution des instructions, le processeur utilise des registres. Ce sont des mots mémoire fixes, à accès très rapide, stockant par exemple l’adresse de l’instruction en cours ou le résultat de la dernière opération arithmétique.
Le processeur ne dialogue pas directement avec les périphériques. Il interagit avec des contrôleurs de périphériques, qui gèrent les échanges d’entrées/sorties. Par exemple, un processeur n’a aucune conscience de l’existence d’un disque dur, mais communique avec un contrôleur de disque via des instructions génériques d’entrées/sorties.
1.2. Organisation en bus
Les données circulent entre les différents sous-systèmes d’un ordinateur via des bus, comparables à des autoroutes. Des circuits spécialisés jouent le rôle d’échangeurs aux carrefours de ces bus, permettant des transferts simultanés dans certaines conditions.
Dans un ordinateur compatible PC, un circuit appelé north-bridge gère les échanges à très haute vitesse, notamment entre le processeur et la mémoire centrale. Il exploite le bus FSB (Front Side Bus), également appelé bus système, dont la vitesse est corrélée à la puissance globale du système.
Un second circuit, le south-bridge, gère les échanges moins rapides avec des périphériques comme les disques SATA, le réseau, etc.
La mémoire et le north-bridge sont placés près du processeur, car ils utilisent les bus les plus rapides. Le north-bridge est souvent équipé d’un radiateur en raison de l’intensité des transferts qu’il effectue.
2. Bits et signaux électriques
L’information est stockée et transmise dans un ordinateur sous forme de bits (binary digit) et de signaux électriques.
La logique binaire utilise deux états stables, notés ’0’ et ’1’, correspondant généralement aux tensions électriques 0V et +5V (technologie TTL) ou une valeur comprise entre 2V et 15V (technologie CMOS).
Pour tenir compte des déformations des signaux électriques lors des transmissions, des plages de valeurs plus larges sont définies. Par exemple, en technologie TTL, une tension comprise entre 0V et 0.8V est considérée comme ’0’ logique, et une tension comprise entre 2.4V et +5V est considérée comme ’1’ logique.
Les circuits logiques remettent en forme les signaux déformés par le bruit. Par exemple, une porte ’non’ inverse le bit d’entrée tout en produisant un signal de sortie de meilleure qualité.
Les signaux peuvent traverser plusieurs étages de circuits logiques sans amplification des déformations initiales. Cependant, les temps de propagation des circuits (durée nécessaire pour calculer la sortie après modification des entrées) limitent la vitesse maximale d’un système.
3. Technologies de fabrication des circuits intégrés
Les premiers ordinateurs utilisaient des tubes cathodiques (lampes) comme dispositifs de commutation. En 1947, les laboratoires Bell inventent le transistor, qui supplante rapidement la lampe et réduit considérablement la taille des systèmes.
L’invention des circuits intégrés VLSI dans les années 1970 marque une véritable révolution, permettant la création des premiers microprocesseurs.
Plusieurs technologies de fabrication de circuits intégrés existent, différant par leurs performances en termes de vitesse, densité d’intégration, consommation et dissipation thermique.
Technologie TTL
La technologie TTL était la technologie standard utilisée à partir des années 1960 pour la réalisation des ordinateurs. Elle fonctionne avec une alimentation typique de +5V, a une consommation modérée, est robuste et possède des règles d’interface simples.
La famille de circuits 7400, disponible sous forme de boîtiers DIL, fournit des modules prêts à l’emploi : portes logiques, bascules, compteurs, etc. Cependant, les circuits TTL ont une faible densité d’intégration, limitant leur utilisation à quelques milliers de portes par puce.
Cette technologie est encore utilisée aujourd’hui pour des petites réalisations, notamment dans l’interfaçage avec d’autres circuits.
Technologie ECL
La technologie ECL se caractérise par une très grande rapidité, mais aussi par une consommation de courant élevée et une alimentation nécessitant des tensions négatives.
Elle est employée dans des applications où la vitesse est critique, mais son utilisation est limitée en raison de sa complexité.
FAQ
Qu’est-ce que le modèle de Von Neumann ?
Le modèle de Von Neumann est une architecture d’ordinateur où la mémoire centrale stocke à la fois le programme et les données, et où le processeur accède à ces informations via des adresses.
À quoi servent les bus dans un ordinateur ?
Les bus sont des circuits spécialisés qui permettent le transfert de données entre les différents sous-systèmes d’un ordinateur, comme le processeur, la mémoire ou les périphériques.
Quelles sont les principales différences entre les technologies TTL et CMOS ?
La technologie TTL utilise une alimentation de +5V et a une consommation modérée, tandis que la technologie CMOS fonctionne avec des tensions plus basses (entre 2V et 15V) et offre une densité d’intégration plus élevée et une consommation réduite.