Architecture des microcontrôleurs

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Notes : un peu de vocabulaire

Processeur, ou encore :
- Unité centrale de traitements
- Central Processing Unit (CPU), en anglais

Définition : Processeur

Organe exécutant :
- les instructions du programme stocké en mémoire ;
- en opérant sur les données stockées en mémoire.
Il opère sur des mots binaires (taille = celle du bus de données) : 4, 8, 16, 32, ou 64 bits.
Composition de l'unité centrale :
- une unité de contrôle
- une unité arithmétique et logique
- des registres internes
Pour fonctionner, elle a besoin d'éléments supplémentaires :
- une horloge pour l'animer
- de la mémoire
- de périphériques.

Quelle différence ?

Cette quantité renvoie à la taille des données manipulées par l'unité centrale, et corollairement à la taille des données qui circulent entre elle et les autres éléments internes (mémoire, ou périphériques internes).
Un microcontrôleur 8 bits peut faire des calculs sur des données de taille 32 bits, mais il lui faudra exécuter plusieurs instructions ; là où un microcontrôleur 32 bits pourrait le faire en une seule.
Jusque dans les années 2010, les microcontrôleurs 8 bits ont dominé le marché. Récemment les parts de marché ont tendance à s'équilibrer (en tout cas pour les processeurs ARM).
Les microcontrôleurs 8 bits (et même 4 bits) ont toujours un rôle important à jouer.

Von Neumann (processeurs classiques) :
- 1 seul bus de communication entre l'unité centrale et la mémoire
- double rôle : convoyer les instructions + convoyer les données
- donc, l'exécution de chaque instruction nécessite plusieurs échanges de données sur ce même bus : code de l'instruction + recherche de la donnée.
Harvard :
- 2 bus et 2 mémoires indépendantes
- exécution d'une opération en 1 seul cycle machine

RISC (Reduced Instruction Set Computer)
- jeu d'instruction réduit, mais rapidité garantie par les points suivants
- codage des instructions sur un seul mot (1 seule instruction pour aller la chercher)
- utilisation de pipelines (pour simultanément aller chercher l'instruction i, décoder la précédente i-1, exécuter la i-2, recopier en mémoire le résultat de la i-3)
- exécution de chaque instruction en 1 cycle machine
- uniformité des instructions : pas de cas particulier, opèrent indifféremment sur tous les registres, dans tous les modes d'adressage possible.
CISC (Complex Instruction Set Computer)
- jeu d'instruction plus complet, plus puissant
- mais certaines instructions nécessitent plusieurs cycles machine
- et plus compliqué à mettre en œuvre (optimisation par le compilateur).

C'est le support final des programmes et données. Il en existe de nombreuses variantes, que l'on peut catégoriser ainsi :

Permet de communiquer des états logiques via des broches externes, en entrée, et/ou en sortie
Ces broches sont généralement organisées en ports, souvent 8 ou 16 bits, ce qui permet la communication de mots
Peut être associée à un gestionnaire de bus externe, de façon à pouvoir adresser des composants extérieurs comme s'ils faisaient partie de la RAM interne.

contrairement à l'interface parallèle, les mots sont envoyés séquentiellement sur une seule ligne
mode Half-Duplex (1 émetteur et 1 récepteur, les rôles pouvant changer) ou Full-Duplex (2 émetteurs/récepteurs)
synchrone ou asynchrone
TWI (=I2C)
- communication à 2 fils (Two-Wire Interface)
  - SDA : données
  - SCK : horloge
- développé par Philips dans les années 1980
- bus de communication entre 1 maître et 1 ou plusieurs esclaves, avec rôles interchangeables
- sélection de l'esclave par adressage
- Half-Duplex
- vitesse modérée (5Mhz)
SPI
- communication à 4 fils
  - MISO, DI ou SDI : données entrantes
  - MOSI, DO ou SDO : données sortantes
  - SCK ou CLK : horloge
  - SS ou CS : sélection
- également maître/esclaves
- si plusieurs esclaves, chacun a sa propre ligne « Chip Select »
- Full-Duplex
- vitesses élevées (50Mhz), grosses quantités de données : alternative aux ports parallèles
- pas de protocole précis, varie suivant fabricant

Mesure des évènements
- si tops d'horloge : fonction de « temporisateur »
- si impulsions externes : fonction de « compteur »
Il sert donc à :
- mesurer des temps
- exécuter des tâches périodiquement
- générer des signaux périodiques
- compter des évènements.

Dispositif anti-plantage du microcontrôleur
Il détecte les séquences d'instructions trop longues
Basé sur un timer qui mesure le temps écoulé depuis sa dernière réinitialisation
Si l'instruction de réinitialisation n'arrive pas à temps (situation de plantage), il provoque un reset du microcontrôleur.

Associé à un ensemble de timers
Capture : mémorisation instantanée de la valeur d'un timer dans un registre dédié, déclenchée par un évènement
Comparaison : c'est la fonction « inverse », la génération d'un événement (impulsion, interruption) dès que la valeur courante d'un timer atteint celle du registre dédié.

MLI : Modulation à Largeur d'Impulsion
Signal numérique périodique, dont le rapport cyclique varie
Sa tension moyenne est comprise entre 0 et 5V : il s'agit d'un signal pseudo analogique
Cette tension est directement est déterminée par le rapport cyclique
Le générateur PWM se comporte donc comme un Convertisseur Numérique Analogique.

Elles permettent d’interrompre le programme en cours d'exécution, en réaction à un évènement extérieur, perçu sur une broche d'entrée du circuit.
Chaque broche d'interruption externe dispose de sa source d’interruption.