Architecture et programmation des Microcontrôleurs

Les PICs sont des microcontrôleurs à architecture RISC (Reduced Instructions Set Computer), ou encore composant à jeu d’instructions réduit. L’avantage est que plus on réduit le nombre d’instructions,  plus leur décodage sera rapide ce qui augmente la vitesse de fonctionnement du microcontrôleur.

Les PICs sont subdivisés en 3 grandes familles :

•  La famille Base-Line, qui utilise des mots d’instructions de 12 bits,
• La famille Mid-Range, qui utilise des mots de 14 bits (et dont font partie les 16F8xx),
• La famille High-End, qui utilise des mots de 16 bits (les PIC 18Fxxx).

On trouve aussi des familles de dsPIC pour le traitement du signal et d’autres microcontrôleurs spécialisés.

Les éléments essentiels du PIC 16F877 sont :

• Une mémoire programme de type EEPROM flash de 8K mots de 14 bits,
• Une RAM donnée de 368 octets,
• Une mémoire EEPROM de 256 octets,
• 5 ports d’entrée sortie, A (6 bits), B (8 bits), C (8 bits), D (8 bits) et E (3 bits)
• Convertisseur Analogique numérique 10 bits à 8 entrées sélectionnables,
• USART, Port série universel, mode asynchrone (RS232) et mode synchrone
• SSP, Port série synchrone supportant I2C
• 3 TIMERS avec leurs Prescalers, TMR0, TMR1, TMR2
• 2 modules de comparaison et Capture CCP1 et CCP2
• 15 sources d’interruption,

Les différents constituants d’un microprocesseur peuvent être regroupés dans deux blocs principaux, l’unité de calcul et l’unité de contrôle.

1- L’unité de calcul

Elle est constituée de l’unité Arithmétique et logique UAL et d’un certain nombre de registres

• ALU : Unité arithmétique et logique
• Les registres : Ce sont des mémoires élémentaires pouvant contenir chacun un opérande. Les registres peuvent être de 8, 16 ou 32 bits.

2-  L’unité de contrôle

C’est l’unité de contrôle qui supervise le déroulement de toutes les opérations au sein du microprocesseur. Elle est constituée principalement de :

• Horloge : C’est l’horloge qui génère les signaux qui permettent le cadencement et la synchronisation de toutes les opérations.
• Le compteur programme PC : (Program Counter) contient l’adresse de la case mémoire où est stockée la prochaine instruction à charger. Au début de l’exécution d’un programme, le PC est initialisé à l’adresse mémoire où est stockée la première instruction du programme. Le compteur programme est incrémenté chaque fois qu’une instruction est chargée dans le microprocesseur.
•  Le registre d’instruction RI : C’est là où le microprocesseur stocke l’instruction en cours d’exécution.
• Le décodeur : C’est lui qui va “décoder” l’instruction contenue dans RI et générer les signaux logiques correspondants et les communiquer au séquenceur.
• Le séquenceur : Il gère le séquencement des opérations et génère :
  • les signaux du bus de commande (RD, WR, etc.),
  • les signaux internes aux microprocesseurs (gestion des registres, de l’A.L.U., aiguillages des bus internes, etc.).

Le séquenceur est réalisé avec une structure qui comprend une mémoire ROM intégrée. Celle-ci contient des micro-instructions (à ne pas confondre avec les instructions contenues dans la mémoire programme). La mémoire des micro-instructions n’est pas accessible à l’utilisateur. Chacune des instructions du microprocesseur nécessite plusieurs micro-instructions et donc plusieurs cycles horloge.

• Le registre d’état : Le registre d’état est formé de plusieurs bits appelés drapeaux ou indicateurs (Flags) qui sont positionnés par l’ALU après chaque opération. On dispose d’un jeu d’instructions conditionnées par l’état de différents drapeaux. Par exemple l’indicateur Z indique, quand il est positionné, que le résultat de l’opération est égal à Zéro. L’indicateur C indique que l’opération a généré une retenue. Le bit N indique que le résultat est négatif …

Type d’architecture d’un microprocesseur

1- Architecture CISC (Complex Instruction Set Computer)

C’est une architecture avec un grand nombre d’instructions. Le processeur doit exécuter des taches complexes par instruction unique. Donc, pour une tache donnée, une machine CISC exécute un petit nombre d’instructions mais chacun nécessite un plus grand nombre de cycles horloge (Intel 8086, Pentium…, Motorola 68000, PowerPC). Actuellement les deux technologies convergent : les processeurs CISC (Pentium par exemple) utilisent des instructions de plus en plus simples et exécutent parfois plusieurs instructions en un cycle horloge.

2- Architecture RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Architecture dans laquelle les instructions sont en nombre réduit (chargement, branchement, appel sous-programme) et elles sont fréquemment utilisées. Le but est d’éliminer les instructions rarement employées et de consacrer les ressources matérielles à exécuter les instructions relativement simples en un cycle d‘horloge et à émuler les autres instructions à l’aide de séquences basées sur les instructions élémentaires. On trouve donc une meilleure performance à une vitesse donnée (le gain en performance envisageable est important mais dépend de la qualité du compilateur). Processeurs RISC : PowerRISC (IBM/Motorola), SPARC (SUN), PA-RISC (HP).

Cours sur l’Architecture et programmation des Microcontrôleurs

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Programmation des microcontrôleurs PIC en C

Les microcontrôleurs PIC sont des microcontrôleurs fabriqués par la société Microchip qui fournit par ailleurs gratuitement la plate-forme logiciel de développement MPLAB IDE. L’intérêt est pour un faible coût, de disposer d’un composant programmable de nombreuses fois, pouvant être utilisé de façon autonome : plus besoins d’ordinateur une fois le composant programmé.

L’utilisation d’un microcontrôleur dans une application simplifie notamment les montages électroniques entraînant par la même occasion un gain de temps et de coût. Les domaines d’utilisation principaux sont la robotique, la domotique et l’industrie.

L’éditeur de programme est un logiciel permettant d’écrire le programme dans un langage de programmation. Nous utiliserons le logiciel MPLAB IDE. Le fabricant Microchip fournit gratuitement ce logiciel.

Le compilateur est un logiciel traduisant un programme écrit dans un langage donné (C, basic, assembleur) en langage machine. Ce logiciel peut aussi comporter un «debugger» permettant la mise au point du programme, et un simulateur permettant de vérifier son fonctionnement. On utilisera le compilateur CC5X dans sa version gratuite. Cette version gratuite permet d’écrire environ 1ko de programme. On peut alors intégrer CC5X dans l’environnement MPLAB. Ainsi CC5X devient un outil de MPLAB dans lequel l’écriture, la simulation et le debugging du programme en C devient alors possible.

Le programmateur permet de transférer le programme compilé (langage machine) dans la mémoire du microcontrôleur. Il est constitué d’un circuit branché sur le port COM ou USB du PC, sur lequel on implante le PIC, et d’un logiciel permettant d’assurer le transfert. Il existe différents logiciels, nous utiliserons Icprog ou WinPic800. De nos jours, il existe des PIC programmable sur site.

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Microcontrôleur est un circuit intégré qui contient en interne, c’est-à-dire dans un seul et même boîtier, l’équivalent de la structure complète d’un micro-ordinateur

Les microcontrôleurs sont apparus quand :

• Quand on a sut les fabriquer, cad quand les technologies d’intégrations ont suffisamment progressées
• Quand dans les applications domestiques ou industrielles ont avait besoin de systèmes « intelligents » ou tout au moins programmables.

Les avantages des microcontrôleurs

– Diminution de l’encombrement du matériel et du circuit imprimé

– Simplification du tracé du circuit imprimé p (lus besoin de tracer de bus !)

– Augmentation de la fiabilité du système

– Intégration en technologie MOS, CMOS, ou HCMOS diminution de la consommation

– Le microcontrôleur contribue à réduire les coûts à plusieurs niveaux : moins cher que les composants qu’il remplace. Diminution des coûts de main d’œuvre (conception et montage)

– Environnement de programmation et de simulation évolués

Les défauts des microcontrôleurs

– le microcontrôleur est souvent surdimensionné devant les besoins de l’application

– Investissement dans les outils de développement

– Écrire les programmes, les tester et tester leur mise en place sur le matériel qui entoure le microcontrôleur

– Incompatibilité possible des outils de développement pour des microcontrôleurs de même marque.

– Les microcontrôleurs les plus intégrés et les moins coûteux sont ceux disposant de ROM programmables par masque. Fabrication uniquement en grande série >1000

– Défaut relatif car il existe maintenant systématique des versions OTPROM un peu plus chère.

Plan du cours Microcontrôleur

I. MICROPROCESSEUR

1.1. Système informatique minimal

1.2. Exécution de programme

1.3. Les Interruptions

II. MICROCONTROLEUR

2.1. Architecture d’un Microcontrôleur

2.2. Etude du microcontrôleur 8 bits ST7

a) Les registres internes

b) L’organisation mémoire (memory map)

c) Le jeux d’instruction

2.3. Les Périphériques du ST7

2.3.1. Programmation et configuration des périphériques

2.3.2 Les Timers

2.3.3. Le Convertisseur analogique/numérique (CAN)

2.3.4. Les ports d’entrées/sorties parallèles

2.4. Les interruptions

III. UTILISATION DU LANGAGE C

3.1. Organisation mémoire du ST7 et options de compilation

3.2. Allocation des variables

3.2.1. La zone DEFAULT_RAM

3.2.2. Les variables en page zéro

3.2.3. Les constantes

3.2.4. Stockage en mémoire EEPROM

3.2.5. Allocation de bouts de code

3.2.6. Accés à la mémoire via des pointeurs

3.3. Les registres des Périphériques

3.3.1. Déclaration des registres

3.3.2. Lecture, écriture et test d’un bit dans un registre

3.3.3. Configuration des registres lors d’initialisation de périphériques

3.3.4. Utilisation de macros pour les opérations sur les bit

3.4. Programmation des Interruptions

3.5. Langage C optimisé pour microcontrôleurs

IV. LA MISE EN ŒUVRE

4.1. Mise en œuvre matérielle

4.2. Mise en œuvre logicielle

4.3. La chaîne de développement ST7

4.4. Exemple de projet

4.4.1. Programme principal “main.c”

4.4.2. fichier de link “enviro.prm”

4.4.3. fichier d’environnement “defaut.env ‘’

4.4.4. fichier make “enviro.mak”

I-Télécharger le cours N°1 de Microcontrôleur

II-Télécharger le cours N°2 de Microcontrôleur

III-Télécharger le cours N°3 de Microcontrôleur

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