processeurs et circuits associés

préambule

Le microprocesseur et son compagnon le microcontrôleur sont devenus des éléments incontournables en instrumentation, mais ils ont progressivement été complétés, par le biais de diverses approches technologiques, par d'autres composants numériques. Nous allons donc dans ce chapitre en faire une brève introduction.

Nous voudrions tout d'abord corriger une idée fausse largement répandue par les médias : ce n'est pas le marché de l'informatique qui constitue le principal débouché du microprocesseur. L'informatique, et plus particulièrement le monde PC, est dominé par 3 fabricants de composants électroniques, dont Intel qui se taille actuellement la part du lion et soutient indirectement ses principaux concurrents pour ne pas tomber sous le coup de la loi anti-trust américaine. Mais le marché du microprocesseur, plusieurs centaines de fabricants, est d'un tout autre ordre de grandeur et la majorité des microprocesseurs sont destinés au marché des systèmes embarqués, c'est à dire essentiellement de l'instrumentation et du contrôle, pensez, par exemple, au marché de l'automobile. Cela justifie amplement notre intérêt pour ces composants programmables .

Nous présenterons d'abord les éléments généraux communs aux divers types de composants, mais en nous référant au microprocesseur, puis nous approfondirons un peu plus le microcontrôleur en développant pour l'un d'eux, en l'occurence le 8031, une application assez complète permettant au lecteur de se rendre compte réellement des potentialités d'un microcontrôleur dans le domaine de l'instrumentation et du contrôle. Enfin une introduction aux processeurs de signaux et aux FPGA complètera ce chapitre. Précisons que ce chapitre est basé sur l'enseignement que nous avons effectué pendant quelques années au centre associé du CNAM de Rouen.

processeurs

Le développement de l'électronique numérique a conduit à l'apparition de plusieurs types de composants très puissants exploités en instrumentation:

le microprocesseur, c'est un composant généraliste, employé préférentiellement dans les systèmes informatiques, qui nécessite quelques circuits complémentaires pour pouvoir dialoguer avec son environnement. Selon les types il peut traiter directement des données de 8, 16, 32, 64 et même quelquefois 128 bits. Dire que c'est un composant généraliste cela signifie qu'il peut tout faire, mais n'est optimisé pour rien. C'est le composant de base de l'informatique, mais en instrumentation on lui préférera généralement des composants plus spécialisés, donc plus optimisés pour les tâches qu'on leur confiera, et donc plus performants.
le microcontrôleur est plus adapté aux applications embarquées car il comporte sur sa puce un certain nombre d'interfaces qui n'existent pas sur un microprocesseur, par contre il est généralement moins puissant en terme de rapidité ou de taille de mémoire adressable et le plus souvent cantonné aux données de 8 ou 16 bits, mais il existe des microcontroleurs 32 bits pour certaines applications qui le nécessitent.
le processeur de signal est beaucoup plus spécialisé. Il est optimisé pour le traitement du signal, mais n'est pas prévu pour accomplir des tâches généralistes de bas niveau qu'exécutent les deux précédents. Nous n'en parlons pas ici mais si ce domaine vous intéresse consultez le très joli cours de Jean Demartini à l'Université de Nice.
le composant ASIC ou FPGA. Ces composants sont souvent exploités complémentairement : un ASIC est très spécifique d'une application et a été spécialement développé pour celle-ci, à l'inverse le circuit FPGA est par construction destiné à faire, a priori, n'importe quoi puisque c'est l'utilisateur qui devra le configurer pour réaliser une application spécifique. Initialement, c'est à dire dans les années 90, le FPGA servait à la mise au point, et un fondeur de silicium savait ensuite transcrire ses fonctionnalités en un circuit ASIC figé et a priori de moindre coût. L'un comme l'autre sont, selon les cas, employés soit en complément, soit en remplacement d'un processeur. L'occurence de bibliothèques de plus en plus étendues de fonctions prédéfinies, la reconfiguration dynamique et bientôt la généralisation des outils permettant l'implantation hardware quasi immédiate (c'est à dire sans passer des centaines d'heures de transcription et de débogage) de logiciels écrits directement en langage C rendent ces composants FPGA de plus en plus attractifs non seulement pour des productions de petite et moyenne série, mais aussi de série importante eu égard à leur diminution de coût (production + développement), leur accroissement de taille et de performances qui dorénavant rendent la solution FPGA de plus en plus souvent plus économique que la solution ASIC.

historique

On parle rarement de l'histoire des sciences et c'est bien dommage. Si c'est en 1962 que Philippe Dreyfus, ancien responsable du Centre National de Calcul Electronique de Bull, en créant sa société SIA -Société d'Informatique Appliquée- a inventé le mot informatique par contraction des mots information et automatique en lui assignant l'ensemble des techniques de traitement automatique de l'information ( avant de devenir responsable du CCSA, centre de calcul scientifique de l'armement, puis du CIRCE, centre inter-régional universitaire de calcul électronique en 1968), c'est en 1833 que le concept de calculateur programmé, c'est à dire l'enchaînement automatique des opérations a été imaginé par Charle Babbage (dont l'amie Ada fut le premier programmeur). Cependant nous remonterons un peu plus loin dans le temps:

1632 Oughtred en Angleterre invente la règle à calcul
1642 Pascal (F) imagine sa machine à calculer
1666 Moreland (GB) identifie la multiplication comme une suite d'additions
1770 Hahn (D) crée une machine à cylindre
1820 Babbage (GB) initie ses premiers travaux
1833 Babbage invente le concept de calculateur programmé

la machine analytique de Charles Babbage
(Science Museum/Science & Society Picture Library)

1847-1854 Boole (GB) imagine l'algèbre qui porte son nom
1880 Hollerith (USA) invente la carte perforéeà l'occasion du premier recensement
1885 création d'une petite compagnie qui deviendra IBM
1897 Braun (USA) invente l'oscilloscope
1906 Lee de Forest (USA) invente la triode
1920 Morrison (USA) imagine l'horloge à quartz
1938 Couffignal (F) le père de la numération binaire
1944 Création de l'ENIAC, la première machine électronique (un monstre comportant environ 18000 tubes électroniques!)

fig. l'ENIAC

1948 Bardeen, Brattain, Shockley (USA) découvrent l'effet transistor aux Bell Labs
1949 première machine IBM à cartes perforées
1956 apparition du disque dur

un disque dur de 5MB (photo de 1956)

fig. pupitre de contrôle d'un ordinateur IBM705 ( photo 1958)

1960 IBM 7070
1962 Dreyfus (F) invente le mot informatique
1968 Dreyfus (F) première exploitation d'un système multiprocesseurs (Centre de Calcul Scientifique de l'Armement à Arcueil, machine UNIVAC 7108)
1972 la compagnie INTEL (USA) invente le microprocesseur environ 2 ans après le premier circuit intégré

fig. micrographie d'une portion de circuit intégré

1981 IBM commercialise le premier PC (Personal Computer)
1986 INTEL lance le 80386
1990 les premiers circuits périphériques configurables (selon le concept FPGA)
2000 la barrière du GHz est franchie pour des circuits à base de silicium (AMD et Intel).
2005 le transistor CMOS de base des processeurs XEON possède un canal réduit à 65nm
fin 2007 Intel lance une carte-mère comportant 2 processeurs quadricores et constituant la carte la plus puissante jamais construite (fréquence d'horloge 3.2GHz, 8 Goctets de Ram, et 8 traitements réellement simultanés et indépendants en parallèle et la possibilité d'intégration de 4 cartes graphiques pour alimenter 4 écrans différents simultanément). Cette carte nommée Skulltrail est la plateforme Intel pour les divertissements exigeants.

informatique industrielle

Il n'y a pas de différence de principe entre un ordinateur et un microsystème utilisé en informatique industrielle sinon dans le prix, la taille et la vitesse de traitement qui impliquent encore aujourd'hui (mais c'est de moins en moins vrai) des technologies sensiblement différentes.

Par contre l'emploi qu'on en fait est réellement différent : Un CRAY est employé à du calcul scientifique ou à de la gestion bancaire, tandis qu'un micro-ordinateur s'il peut certes faire des calculs ou assurer la gestion d'un cabinet médical sera aussi essentiellement employé à des applications d'informatique industrielle, objet de ce chapitre.

Un microordinateur peut servir à contrôler un processus industriel et pour ce faire il lui sera adjoint des périphériques spécifiques et l'on parlera volontiers de micro-système ou système à microprocesseur, dont la figure ci-dessous donne une représentation schématique.

fig. microsystème

Le système minimal figuré ci-dessous comporte un certain nombre d'éléments qui chacun vont faire l'objet d'un sous-chapitre

Le microprocesseur c'est bien, et je vous conseille de lire la suite. Mais avez-vous eu la curiosité de visionner attentivement la page d'accueil du site et le page de liens que nous avons pris la peine de sélectionner à votre intention? Passer son examen en exploitant ce site c'est bien, mais penser à son avenir d'homme sur une planète en danger c'est mieux. Alors consommez sans modération L'ENSEMBLE de ce site et pas seulement la page qui vous permet de faire l'exposé que votre prof de techno vous a attribué.

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processeurs			une petite introduction
historique			de Pascal à aujourd'hui
informatique industrielle			architecture d'un système