Chapitre I

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
I. 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). II. 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 c?ur 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. 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 = xy + z(x ( y)
b- circuit logique
2. 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)
b- circuit logique
3. 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. 4. 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. 5. Les multiplexeurs :
Un multiplexeur possède 2n entrées de données, n lignes de sélection et une
seule sortie. Chaque combinaison des n lignes de sélect