Introduction générale Introduction aux ordinateurs








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Introduction générale

Introduction aux ordinateurs



Un ordinateur est un ensemble d’équipements chargés de traiter des données:





  • Ces données sont transmises par le biais d’unités d’entrée à l’unité de traitement

  • L’unité de traitement effectue le traitement demandé

  • Le résultat du traitement est transmis aux unités de sortie qui permettent alors d’exploiter ces résultats.

Un ordinateur se présente généralement sous forme d’un boitier contenant l’unité centrale de traitement et quelques périphériques, d’un clavier, d’une souris, et d’un écran.


  • L’unité centrale de l’ordinateur, ou le processeur, ou encore le microprocesseur (si c’est un circuit intégré), est le circuit qui effectue toutes les opérations de traitement et est donc le cerveau de l’ordinateur.

  • Il travaille en étroite collaboration avec la mémoire centrale (la communication entre eux est rapide, ce qui fournit plus de puissance à la machine), avec laquelle il forme l’unité centrale de traitement.



  • Les autres éléments de l’ordinateur clavier, souris, écran, imprimante, modem, mémoire auxilliaire (lecteur de disquettes, disque dur, CD ROM , flash disk…), table traçante, … sont appelés périphériques, ou unités d’entrée sortie (E/S).

La partie de l’ordinateur qui nous intéresse particulièrement est le processeur, puisque le but de la première partie

de ce cours est la conception d’un processeur de base.

La technologie de base utilisée pour la réalisation de processeurs numériques, est l’électronique digitale.

Tout processeur est constitué de circuits digitaux combinatoires (portes logiques, multiplexeurs, décodeurs, additionneurs,…), et séquentiels (bascules, registres, compteurs, mémoires, …), qui traitent, transfèrent, et mémorisent des informations, selon des règles définies en fonction de l’organisation et de la structure de ces différents éléments. Le cours est donc organisé de manière à rappeler des notions d’electronique digitale vues en troisième année, et nécessaires à la conception du processeur de base, et à définir une méthode de conception modulaire d’un processeur, actuelle, et valable pour concevoir du plus simple au plus sophistiqué et complexe des processeurs.

Dans le premier chapitre nous rapellerons les principaux circuits combinatoires et séquentiels succeptibles d’être utilisés dans un processeur.

Dans le chapitre 2 nous introduirons le langage de transfert inter registre (LTR), qui est un langage de programmation de circuit (la partie hard, et non la partie soft), et qui permet de décrire toute opération logique se déroulant dans un processeur à chaque impulsion d’horloge.

Le chapitre 3 décrira différentes organisations de processeurs généraux classiques.

Les informations de ces trois premiers chapitres seront utilisées dans le chapitre 4 pour effectuer les choix et hypotèses, et concevoir un processeur de base possédant un configuration minimale, mais complète et fonctionnelle.

Le chapitre 5 conçoit une version micro programmée (unité de contrôle programmée et non câblée) du processeur de base.

Chapitre I

Rappels





  1. Introduction :

La conception du processeur de base nécessite le rappel de notions d’Electronique digitale vues en troisième année.

Sachant qu’un processeur est un ensemble de registres contenant des données sur lesquelles des opérations logiques sont exécutées, selon les ordres reçus par des programmes, et transmis à un circuit de contrôle qui activent ces opérations, on déduit qu‘un processeur, ou unité centrale, est constitué d’une unité de contrôle et d’une unité de traitement.



Durant ce cours nous comprendrons comment tout cela fonctionne impulsion d’horloge par impulsion d’horloge. Dans ce premier chapitre , nous commencerons par décrire les circuits combinatoires et séquentiels de base utilisés dans un processeur.

Il est important de noter que leur étude concernera surtout leurs aspects fonctionnels, leurs rôles, et leurs utilisations ; on supposera généralement que le circuit intégré correspondant existe sans chercher à le construire (comme c’était le cas en troisième année).


  1. Les circuits combinatoires de base :

Un processeur exécute des opérations logiques et des opérations arithmétiques sur les données qui lui sont fournies.

  • La préparation et le transport des données pour le traitement : est le premier problème à résoudre dans la conception d’un processeur. Le routage des informations, leur transfert vers une source sélectionnée parmi plusieurs possibles, vers une destination sélectionnée elle aussi parmi plusieurs possibles, nécessite l’utilisation de circuits logiques spécifiques tels que les multiplexeurs et les décodeurs..

  • En ce qui concerne les opérations logiques :L’algèbre de Boole spécifie que toutes les opérations logiques peuvent être exécutées comme une combinaison de ‘AND’ et ‘NOT’, ou ‘OR’ et ‘NOT’ . Ce sont donc des portes logiques de base qui sont utilisées.

  • En ce qui concerne les opérations arithmétiques : elles ont nombreuses, et les plus connues sont l’addition, la soustraction, la multiplication, la division, l’exponentiation … Toutes les autres pouvant être représentées comme une somme de produits et de quotients grâce aux développements limités. La soustraction, la multiplication, et la division, peuvent être exécutées autour de l’opération d’addition :

La soustraction peut en effet être remplacée par la somme du complément à 2, et la multiplication et la division par une succession d’additions et de décalages.

Dans un circuit d’exécution d’opérations arithmétiques, l’additionneur apparaît comme étant un circuit de base.

  • Les opérations arithmétiques et logiques sont généralement exécutées dans un circuit, qui est le cœur de l’unité de traitement dans un processeur, appelé l’unité arithmétique et logique ou UAL.

  1. L’additionneur :

  • le demi-additionneur :

C’est un circuit réalisant une opération arithmétique entre deux bits.

Les deux entrées du circuit représentent les bits x, et y à additionner, et les sorties, le bit somme S et le bit retenue C.


x

y

s

c

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1


a- Table de vérité



s = x  y

c = xy

b- circuit logique

- l’additionneur complet :

L’additionneur complet réalise l’addition de trois bits, deux bits significatifs, x et y, et la retenue z d’une addition précédente. Les sorties s et c sont leur somme et leur retenue respectivement.
s = x  y  z

c

x

y

z

s

c

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1


a- Table de vérité
= xy + z(x  y)






b- circuit logique

  1. Le soustracteur complet :

Ce circuit combinatoire réalise la soustraction de deux bits x, et y en considérant la retenue de la soustraction de deux bits de la position inférieure. L’opération de soustraction, est cependant souvent remplacée par l’addition du complément à deux.

Les résultats du soustracteur diffèrent de ceux de l’additionneur par la valeur de la retenue (la somme étant égale à la différence).

s = x  y  z

c = xy + z(x  y)


x

y

z

s

c

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1


a- Table de vérité



s

c

b- circuit logique

  1. Les décodeurs :

D’une manière générale, un décodeur est le circuit d’une fonction digitale qui traduit l’information binaire d’un code en entrée vers un autre code en sortie.

Notre étude concernera principalement le décodeur nx2n , dont une seule des 2n sorties est activée à la fois, pour chacune des combinaisons des n entrées. Le décodeur 2x4 ci dessous , montre le principe de fonctionnement du décodeur :

  • Le décodeur 2x4


Cette description du décodeur permet de déduire qu’il sera utilisé pour activer une et une seule, parmi plusieurs destinations , comme nous le verrons dans le chapitre 2 lors de la construction de bus ou dans de nombreuses autres applications.

  • Les décodeurs avec ligne d’activation :



Si la ligne d’activation est égale à 1, le décodeur fonctionne normalement.

Si la ligne d’activation est égale à zéro, toutes les sorties du décodeur sont nulles.


  • Application

Construction d’un décodeur 3x8 à partir de deux décodeurs 2x4 avec ligne d’activation.





  • Les 8 sorties du décodeur 3x8 sont prises au niveau des sorties des 2 décodeurs 2x4.

  • Puisqu’une seule sortie du décodeur 3x8 doit être activée à la fois, à chaque fois qu’un des 2 décodeurs 2x4 est activé, l’autre doit être désactivé. Les deux entrées d’activation doivent donc être inversées, et elles correspondent à l’entrée a du décodeur 3x8

  • Les zones grises de la table de vérité montrent le fonctionnement d’un décodeur 2x4 sans ligne d’activation ; pour a=0, c’est le premier décodeur qui est activé, et pour a=1c’est le deuxième. Les variables b, et c sont donc directement reliées aux entrées x et y des deux décodeurs 2x4.




  1. Les démultiplexeurs :

Un démultiplexeur est un circuit qui a une entrée de données, n entrées de sélection, et 2n sorties. L’entrée de donnée E est transmise sur la sortie sélectionnée par une combinaison des n lignes de sélection.


On remarque que le démultiplexeur possède un circuit identique à celui d’un décodeur avec ligne d’activation, de même dimension. (E est la ligne d’activation, et les entrées de sélection sont les entrées du décodeur).

La différence réside uniquement dans la fonction des circuits :

  • Le décodeur est utilisé pour contrôler d’autres circuits (activer, désactiver, sélectionner une destination …)

  • Le démultiplexeur est utilisé pour transporter une information, une donnée, dont la valeur 0 ou 1 n’a pas d’influence sur son fonctionnement.




  1. Les multiplexeurs :

Un multiplexeur possède 2n entrées de données, n lignes de sélection et une seule sortie. Chaque combinaison des n lignes de sélection choisit une seule entrée à transmettre en sortie.

  • Exemple: Multiplexeur 4x1



Les multiplexeurs sont souvent utilisés pour la sélection de source de données, alors que les décodeurs le sont pour la sélection de destination. Dans les chapitres suivants, nous considérerons que ces circuits existent sous forme intégrée, et que nous n’aurons pas à les construire.

  1. Les buffers à 3 états :

Un buffer à trois états possède une entrée, une sortie, et une ligne d’activation.

  • Si la ligne d’activation est égale à 1, la sortie prend l’état de l’entrée , 0 ou 1.

  • Sinon, le buffer fonctionne en circuit ouvert ( non connecté).




Un buffer à 3 états est équivalent à un interrupteur qui peut être soit ouvert, soit fermé.


  • Equivalence multiplexeurs <-> buffers à 3 états.

Un multiplexeur à n entrées peut être remplacé par n buffers à 3 états , et un décodeurs à k entrées telles que 2k= n



Le décodeur 2x4 assure qu’un seul buffer à 3 états peut être activé à la fois (donc pas de conflits à la sortie des buffers).

Pour chacune des combinaisons des deux lignes de sélection, un seul buffer est activé, son entrée est transmise vers la sortie S, et les autres buffers fonctionnent en circuit ouvert.


  1. Les circuits séquentiels de base

Dans un circuit séquentiel la valeur en sortie et l’état présent du circuit, dépendent, non seulement des valeurs présentes en entrées, mais également de l’état précédent, ou passé du circuit. Ceci nécessite le stockage d’informations sur les états passés, et donc l’utilisation de circuits de mémoire, dont les éléments de base sont les bascules.

  1. Les bascules :

  • La bascule RS





  • La bascule JK



  • La bascule D



  • La bascule T



Les bascules sont utilisées à la base de tous les circuits séquentiels classiques, constitués de bascules (dont le nombre, k, dépend du nombre d’états, < à 2k , du système), et d’un circuit combinatoire qui contrôle les entrées des bascules (donc leurs changements d’états), et fournit les sorties du système.





  1. Les bascules maître esclave

Une bascule maître esclave est constituée d’une bascule maître, d’une bascule esclave, et d’un inverseur connectés comme suit:



Quand l’horloge H est égale à 1: les valeurs en entrée de S et R sont transmises à la bascule maître.

Quand l’horloge H est égale à 0: la bascule maître est désactivée. La bascule esclave est activée, et elle copie la valeur Y (l’état de la bascule maître) .

La bascule maître esclave ne change d’état qu’au front descendant de l’horloge. Cette propriété importante permet les échanges inter registres, et les transferts simultannés, qui peuvent être effectués en une impulsion d’horloge; sans les bascules maître esclaves, ces transferts nécessiteraient des registres intermédiaires, et 3 impulsions d’horloge.

  • Note importante:

Nous formulons ici deux hypothèses importantes que nous utiliserons tout au long du cours TEC 586;

  • 1ère hypothèse: Tous les circuits séquentiels sont à base de bascules maître-esclaves.

  • 2ème hypothèse: Tous les circuits séquentiels sont synchrones (excités par une même horloge).

  1. Les registres:

Un registre est un ensemble de bascules , et portes logiques. Le nombre de bascules spécifie le nombre de bits stockés dans le registre. Il possède des entrées de données, série, ou parallèles, et des entrées de contrôle, qui commandent son fonctionnement.

Les registres possédant la fonction de chargement parallèle sont les plus souvent utilisés dans les ordinateurs.

Les registres à décalage à gauche ou à droite avec entrée série, sont nécessaires aux opérations série, et de décalage.

  1. Les compteurs binaires:

Les compteurs binaires avec chargement parallèle, remise à zéro, et autres fonctions existent.

Les compteurs à séquence binaire, et progressifs-regressifs (up and down) sont indispensables à diverses fonctions de comptage, et de pointage dans une unité centrale.

  1. Les mémoires:

Nous considérons ici les éléments de la mémoire centrale constituée d’une partie RAM (mémoire vive), et d’une mémoire ROM (read only memory ou mémoire morte). Les autres méoires, disques, CD ROM, flash disk, bande magnétique, … sont appelées mémoires auxiliaires et font partie des périphériques.


  • Les mémoires RAM:

Dans une RAM (Random Access Memory), l’accès en lecture ou en écriture, aux registres de stockage qui la constituent, se fait, selon les besoins, de manière séquentielle, ou aléatoire, contrairement à l’accès aux données stockées sur bandes magnétiques par exemple (qui doit se faire séquentiellement).

Propriété d’une mémoire RAM:

  • Un mot est stocké dans un registre de la mémoire

  • Un mot de 8 bits est appelé octet (byte); un mot de 16 bits est appelé mot (word).

  • Un mot est localisé par son adresse (unique)

  • Un mot de n bits est constitué de n cellules de bases

  • La totalité des n bits formant un mot, est lue ou écrite à chaque accès à la mémoire.

Ceci nous permet de déterminer les entrées et sorties de la RAM comme suit:



  • Les mémoires ROM:

Le contenu d’une mémoire ROM est fixé durant sa fabrication, et ne peut être altéré. On y accède uniquement pour lire le contenu d’un mot spécifié par une adresse.

Elle peut être livrée sous forme de :

  • PROM  ( programmable ROM) : initialisée à 0 et programmable une seule fois.

  • EPROM (erasable PROM) : effaçable par UV, et reprogrammable plusieurs fois.

  • EEPROM (electrically erasable PROM) : effaçable par électricité, et reprogrammable plusieurs fois.

La fonction de la ROM permet de déduire son schéma bloc comme suit :



  • Application1: construction d’une RAM 8x3 :

Une RAM 8x3 est une RAM de 8 mots de 3 bits chacun.

Chaque bit est stocké dans une cellule de base (CB). En se basant sur le fonctionnement de la RAM , on peut déduire les propriétés suivantes pour une CB:


  • Une RAM 8x3 contient 8x3=24 CB puisque chaque mot en contient 3.

  • D’après les propriétés d’une RAM , un mot est utilisé en entier (tous ses bits) en lecture ou en écriture. Les CB d’un même mot sont donc sélectionnées en même temps, en lecture, ou en écriture.

  • Une RAM 8x3 est de 8 mots donc k lignes d’adresse telles que: 2k=8; donc k=3. A0, A1, A2

  • Un mot doit être activé à la fois, et par une adresse unique; on utilise donc un décodeur 3x8 pour activer un seul mot en décodant son adresse.

  • Chaque mot possède 3 bits , la Ram a donc 3 lignes de données en entrée: D0, D1, D2

  • Et 3 lignes de données en sortie S0, S1, S2.

  • Quand un mot est sélectionné en écriture sa cellule CB0 reçoit l’entée D0, CB1 reçoit, D1, et CB2 reçoit D2

  • Quand un mot est sélectionné en lecture, chaque Si reçoit un parmis 8 Cbi sélectionné par un MUX 8x1, contrôlé par les Ai




  • Application2 : Construction d’une ROM 8x4

Soit à construire une ROM 8x5 dont le contenu est donné dans la table ci-dessous :


Adresse




Contenu

A0

A1

A2

mot

S0

S1

S2

S3

S4

0

0

0

m1

0

0

1

0

0

0

0

1

m2

0

1

0

1

1

0

1

0

m3

1

1

1

1

1

0

1

1

m4

0

0

1

0

0

1

0

0

m5

0

0

0

0

0

1

0

1

m6

1

0

0

1

0

1

1

0

m7

0

1

1

1

1

1

1

1

m8

1

0

0

1

0


Contenu de la ROM 8x5



La ROM est une mémoire en lecture seule dans laquelle on ne peut pas écrire. Une même adresse (entrée a0a1a2), fournit toujours la même sortie. Le tableau ci dessus devient la table de vérité d’un circuit combinatoire, exprimant les sorties Si, en fonction des entrées, Ai. La ROM , à l’inverse d’une RAM peut donc être réalisée à l’aide d’un circuit combinatoire et non de bascules.

Il est possible d’extraire l’expression logique de chaque Si, en fonction des Ai, puis de construire les circuits logiques.

Ce procédé est cependant coûteux puisqu’il s’agit de construire une ROM complètement personnalisée pour chaque concepteur ou utilisateur de ROM.

Un système de fusibles est envisagé et permet la standardisation de la construction des ROM jusqu’à l’avant dernière étape de la construction micro électronique. La dernière, celle du dernier masque est personnalisée, et fournit le contenu final de la ROM.

  • Les adresses Ak sont décodées et fournissent les mj.

  • Chaque sortie Si est une porte OU, dont les entrées sont tous les mj.

  • Si pour le mot mj, Si est 1, alors un fusible est fondu à l’entrée mj de la porte OU.

  • Si mj est activée, sa sortie correspondante Si sera alors égale à 1









Contenu

mot

S0

S1

S2

S3

S4

m1

0

0

1

0

0

m2

0

1

0

1

1

m3

1

1

1

1

1

m4

0

0

1

0

0

m5

0

0

0

0

0

m6

1

0

0

1

0

m7

0

1

1

1

1

m8

1

0

0

1

0


Contenu de la ROM 8x5


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