1 Syst¨mes num©riques Du microprocesseur aux circuits logiques

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  • 1 Systmes numriques Du microprocesseur aux circuits logiques
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  • 2 Architecture des Ordinateurs 1- Processeurs 2- Mmoire 3- Entres-Sorties Control Unit Arith. Logic. Unit mmoireE/S bus Processeur
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  • 3 Organisation de la m moire E/S bus Processeur Mmoire Instructions + oprandes Ex: addition du contenu du registre R1 avec la valeur numrique 7 ADD R1,#7 B1 07 1011 0001 0000 0111 1011 0001 0000 0111 @: adresse data
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  • 4 Organisation de la m moire 1011 0001 0000 0111 processeur @ CD04 bus d adresse CD04 @ 1 R/W CS 1011 0001 CD05 1 0000 0111 1: positionnement de @ 2: bit R/W en lecture 3: chip select actif 4: donnes sur le bus D reg. dadresse CD04 H CD05 H
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  • 5 Organisation de la m moire processeur D bus @ bus R/W Dcodage d adresse CS1CS2CS3 M D0 CS D1 CS ES 110110 10X10X 10Z10Z Exemple: mmoires de 2 Mo 21 bits d adresse CS0 CS7 a23 a22 a21 dc. 3 vers 8...... a20:a0@M
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  • 6 Entr es / Sorties Une adresse est attribue au E/S (comme une position mmoire) processeur D bus @ bus R/W Dcodage d adresse CS mmoire 3-tats interface dentre interface de sortie
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  • 7 CPU La mmoire contient la suite d instructions constituant le programme ADD R1,#7 B1 07 a=a+7 langage machine assembleur langage volu assemblage compilation Trois grands types dinstructions: transfert, calcul, branchement LD R1,#4 :chargement de la valeur numrique 4 dans le registre R1 MOV R2,ad1 :chargement du contenu de la mmoire @ad1 dans R2 ADD R1,#4 :addition de la val. num. 4 au contenu de R1, rsultat dans R1 SUB R2,R3 :soustrait le contenu de R3 celui de R2, rsultat dans R2 INC R1 :incrmentation de R1 de 1 BR,ad1 :branchement inconditionnel ladresse ad1 JE,ad2 :branchement conditionnel (si le bit Z est gal 1) l adresse ad2
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  • 8 CPU Codage des instructions Ncessit de calculer ladresse de la prochaine instruction Code op.Oprande 1Oprande 2... Les instructions n ont pas toujours le mme nombre doprandes @ CD04 Code op. @ CD07 @ CD08 @ CD10 Compteur de programme
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  • 9 CPU recherche de linstr. lecture de linstruction dcodage de linstr. xcution de linstr. fetch/decode/execute Lecture de l instruction depuis la mmoire (code op. registre d instruction IR ) Incrmentation du compteur de programme (le PC pointe le premier arg. ou la prochaine instr. ) PC Dcodage de linstruction par lUC Excution lecture des arguments (inc. PC) excution M@R CD04 MDR B1 IR B1 UC B1 CD05 07 CD06 ALU A007 A7 A0A7
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  • 10 CPU PC M@RMDR B1 IR UC 07 ALU A0 Instructions de branchement Branchement inconditionnel Jp @ad1 le PC est charg avec l adresse ad1 Branchement conditionnel Jz @ad2 Appel un sous programme Saut absolu Saut relatif Registre de flag ... ZNOv =1 si le rsultat dlivr par l ALU est nul flag
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  • 11 CPU PC M@RMDR B1 IR UC 07 ALU A0 Sous Programme Appel un sous programme call @ad1 flag @15A0 call @2200 @15A1 inst. @15A2 @2200 inst. @2201 @22E1 ret Mmoriser l adresse de retour Pile (stack)
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  • 12 CPU Sous Programme Sous programmes imbriqus @15A0 call @2200 @15A1 inst. @15A2 @2200 inst. @2201 call @2900 @22E1 ret Mmoire LIFO (last in - first out) Pointeur de pile (stack pointer) @2900 inst. @29A0 ret PC M@RMDR B1 IR UC 07 ALU A0 flag SP pile
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  • 13 Unit de Controle Lecture de l instruction depuis la mmoire (code op. registre d instruction IR ) Incrmentation du compteur de programme (le PC pointe le premier arg. ou la prochaine instr. ) Excution lecture des arguments (inc. PC) excution @CD04 B1 @CD05 07 PCread M@Rwr Memoryread Memorywait M@Rread Xwr ALUcmd(incX) Zread PCwr PC M@RMDR B1 IR UC 07 ALU flag SP pile X Z PC en lecture M@R en criture requte la mmoire acquitement mmoire M@R en lecture registre X en criture commande de lALU registre Z en lecture PC en criture signal gnr par lUC Dcodage de linstruction par lUC signal dentre de lUC
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  • 14 Unit de Controle PC M@RMDR B1 IR UC 07 ALU flag SP pile X Z Pour chaque instruction, lUC doit gnrer des signaux de commande (vers l ALU, les registres, la mmoire) en fonction de ltat courant des registres et de stimuli extrieurs 2 implmentations matrielles machine cable machine microprogramme
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  • 15 Num ration Reprsentation d un entier: a n-1 : MSB, bit de poids fort a 0 : LSB, bit de poids fort 2 10 = 10241 kilo 2 20 = 10485761 Mga Code hxadcimal 1100 0101 1011 0011 12 10 =C h C5B3 h
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  • 16 Num ration Reprsentation des entiers ngatifs: Module et signe: N = 0a n-1 .a 1 a 0 -N = 1a n-1 .a 1 a 0 4 = 0100 -4 = 1100 Complment 1: N = a n-1 .a 1 a 0 -N = a n-1 a 1 a 0 4 = 0100 -4 = 1011 Complment 2: N = a n-1 .a 1 a 0 -N = a n-1 a 1 a 0 + 1 = N + 1 4 = 0100 -4 = 1100
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  • 17 Num ration Intrt du C2: Addition binaire: 9 +3 12 1001 +0011 1100 1 La soustraction est un cas particulier de l addition: 9 -3 6 1001 +1101 10110
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  • 18 Alg bre de Boole Variable logique: variable appartenant {0,1} Fonction logique: fonction de variables logiques prenant ses valeurs dans {0,1} Addition: A+B 0 10 1 0 A B 1 11 1 10 1 0 A B 00 0 Produit: A.B
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  • 19 Alg bre de Boole Quelques proprits: (A+B).C = A.C + B.C (A.B)+C = A+C. B+C ! Thormes de de Morgan: A + B = A. B A. B = A + B Gnralisation: F(A i, +,. ) = F(A i,., + )
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  • 20 Portes logiques l mentaires Matrialisation des variables logiques : Les variables logiques sont reprsentes (le plus souvent) par des tensions V H et V L Portes lmentaires: porte NAND A S V alim B A B A.B 0 10 1 0 A B 11 1
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  • 21 Portes logiques l mentaires 0 10 10 A B 1 Portes lmentaires: porte NOR A V alim B S 00 A B A+B
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  • 22 Portes logiques l mentaires Simplification d une fonction logique N 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 DCBA 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Exemple: afficheur 7-segments traduction visuelle de nombres crits en binaire sur un afficheur comportant 7 DEL le dcodeur est un circuit qui active les segments de a g en fonction du code de N a g d b ce f table de Karnaugh: 0 BA DC 111 00011110 00 01 11 10 011111xxxxxx
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  • 23 Portes logiques l mentaires Simplification d une fonction logique 0 BA DC 111 00011110 00 01 11 10 011111xxxxxx a = situation jamais atteinte simplification possible:
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  • 24 Portes logiques l mentaires Simplification d une fonction logique 0 BA DC 111 00011110 00 01 11 10 011111xxxxxx a = Adjacences dans la table de Karnaugh 11 DCBA + DCBA= DCA 11 11 DB 11 DCB 11 DCA
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  • 25 Param tres lectriques et temporels Dfinition des niveaux logiques Rappelons le circuit de l inverseur CMOS ES V alim La caractristique de transfert de l inverseur est donn par (srie HC): V alim VeVe VsVs
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  • 26 Param tres lectriques et temporels Dfinition des niveaux logiques V alim VeVe VsVs A A v e1 v s1 =v e2 v e2 v s2 A
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  • 27 Param tres lectriques et temporels Dfinition des niveaux logiques V alim VeVe VsVs A A ? v e1 v s1 =v e2 v e2 v s2 A? v s1 =v e2 variation de la tension d alimentation effet de la temprature
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  • 28 Param tres lectriques et temporels Dfinition des niveaux logiques V alim VeVe VsVs A A v e1 v e2 v s2 A V ILmax V IHmin V OLmax V OHmin V OLmax V IHmin
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  • 29 Param tres lectriques et temporels Dfinition des niveaux logiques valeur minimale de la tension d entre pour que le signal soit vu comme 1 valeur maximale de la tension d entre pour que le signal soit vu comme 0 dans les conditions du test le circuit assure cette tension
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  • 30 Param tres lectriques et temporels Courants de sortie E=0 S=1 V alim IOHIOH E=1 S=0 V alim I OL
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  • 31 Param tres lectriques et temporels Courants de sortie E S V alim I OL V alim charge E S V alim E S =0=1 1 t vsvs =1=1=0=0 0 IOHIOH t vsvs =0=0=1=1 Courant statique 0 Consommation de courant en commutation
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  • 32 Param tres lectriques et temporels Courants de sortie courant maximal dlivr par l alimentation au repos courants minimaux fournis la charge pendant les transitions
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  • 33 Param tres lectriques et temporels Paramtres temporels t pH L t pL H tftf t t E S E S t p : temps de propagation t t : temps de transition condition de charge
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  • 34 Param tres lectriques et temporels Paramtres temporels cart relatif maximal
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  • 35 Quelques fonctions combinatoires Comparaison de deux mots binaires La plupart de ces fonctions sont ncessaires la ralisation d un systme P, elles existent souvent aussi sous la forme de boitiers standards
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  • 36 Quelques fonctions combinatoires Gnrateur de parit Lors du traitement ou de la transmission d'un mot binaire, il peut arriver qu'une erreur sur un des bits intervienne ( la suite d'une variation des tensions d'alimentation ou d'une perturbation). En ajoutant l'information utile, un bit supplmentaire appel "bit de parit", il est possible de dtecter qu'une erreur s'est produite.