Les Microcontrôleurs 68HCXX.ppt

BEP - Systèmes Electroniques Numériques
 Sommaire
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Sommaire
Consultation du dossier par les élèves en autonomie.
1/66

Microcontrôleur ou Microprocesseur?
Architecture interne: Von Neumann ou Harvard?
Les registres internes
Le jeu d’instructions et les modes d’adressage
La base de temps
Quitter
Sommaire
Choisir un menu
Mise en situation: - Evolution technologique
- Analyse fonctionnelle
2/66

L’évolution des produits
domestiques (ou industriels) rend
compte d’un phénomène
directement lié à l’évolution des
technologies:
Evolution technologique
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Miniaturisation
Intégration
•Progrès de la miniaturisation.
Les téléphones portables en sont
un exemple très actuel.
•Progrès de l’intégration.
Le nombre de structures
intégrées à un seul composant
est de plus en plus important.
Le nombre de circuits utilisés
est ainsi réduit.
Mais cette miniaturisation ne
peut se faire sans une évolution
de la technologie utilisée.
4/66

On comprendra aisément qu ’un
système microprogrammé tel
que le téléphone portable ne
peut être géré par un système
minimum à microprocesseur
6809: trop encombrant!
La solution est alors de
remplacer le système minimum
par un seul circuit:
Le microcontrôleur.
Système minimum à 6809:
•Microprocesseur
•RAM
•EPROM
•PIA
•Décodeur
5 circuits différents!!!
Solution:
•Microcontrôleur
1 seul circuit!!!
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On retrouve ainsi les
microcontrôleurs PIC dans de
nombreuses applications
industrielles ou domestiques.
Prenons l’exemple d’une
télécommande infra-rouge:
Analyse fonctionnelle
Emission IR de
la commande
FP3
Saisie touche
FP1
Reconnaissance touche
Génération commande
FP2
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La fonction FP1 a pour rôle de
prendre en compte l ’appui sur
une touche et de transmettre le
code correspondant à la fonction
FP2.
La fonction FP2 a pour rôle
d ’identifier la touche à l ’aide du
« code touche » et de générer le
signal commande associé.
La fonction FP3 se charge de
convertir et émettre le signal de
commande sous forme de signal
infra-rouge.
Code touche
Commande
Signal IR
Appui touche
Emission IR de
la commande
FP3
Saisie touche
FP1
FP2
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La fonction FP2
« Reconnaissance touche et
génération commande » est
réalisée par une structure
microprogrammée.
Emission IR de
la commande
FP3
Code touche
Commande
Signal IR
Appui touche
Saisie touche
FP1
FP2
C ’est ici un microcontrôleur
PIC qui se charge, par
l ’exécution de son programme,
de faire l ’acquisition du signal
« code touche », et de générer de
signal de commande
correspondant.
Sommaire
8/66

Suivant le type d ’application
envisagé, il est possible de faire
appel à différents types de
structures microprogrammées.
Les plus répandues sont les
suivantes:
Ex: PIC, 68HC11...
• Le microprocesseur.
• Le microcontrôleur.
Ex: PC, système minimum à 6809...
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6809
Microprocesseur
Considérons dans un premier
temps le système minimum à
microprocesseur 6809 ou autre.
Seul, le 6809 ne peut fonctionner.
Il requiert différentes ressources
qui sont:
•Une mémoire programme
(ROM ou PROM ou EPROM...).
•Une mémoire données (RAM).
•Une interface d ’entrées / sorties
(PIA).
•Différents bus d ’interconnexion.
•Un décodeur d’adresses.
Système minimum à 6809
Micro
P
6809
ROM RAM PIA
Décodeur
10/66

6809
Microprocesseur
•Une mémoire programme
(ROM ou PROM ou EPROM...)
c'est une zone de mémoire dans laquelle
le μP ne peut que lire. On peut y trouver des informations
prédéfinies sur le μC qui ne peuvent ni ne doivent être
modifiées (telles que le programme dans la plupart des
applications industrielles)
•Une mémoire données (RAM).
c'est une zone de mémoire dans laquelle
le μP peut lire ou écrire à tout instant lors de l'exécution d'un
programme.
On y trouve les données utiles à l'exécution de ce
programme telles que
les variables ;
•Une interface d ’entrées / sorties
(PIA).
•Différents bus d ’interconnexion.
•Un décodeur d’adresses.
Système minimum à 6809
Micro
P
6809
ROM RAM PIA
Décodeur
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Microcontrôleur
Un système à microprocesseur
nécessite une grande surface
matérielle (nombreux circuits)
ainsi qu’une bonne qualité des
connexions.
Les microcontrôleurs permettent
quant à eux de s ’affranchir de
ces contraintes puisqu’ils
intègrent en un seul circuit
toutes les ressources propres à un
système minimum.
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Microcontrôleur
Ainsi, les microcontrôleurs
68HCXX disposent des
principales ressources internes
suivantes:
•Mémoire de programme.
Les 68HCXX se déclinent
selon 2 versions de mémoire de
programme:
-ROM (ou OTPROM),
programmable une seule fois.
Capacité: 8 k octets.
-EEPROM, effaçable
électriquement.
Capacité: 512 k octet.
13/66
68HCXX

Microcontrôleur
•Mémoire de données. Les 68HCXX disposent d ’une
mémoire de données (RAM)
de capacité 256 octets.
suivantes:
68HCXX
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Microcontrôleur
68HCXX
•Mémoire de données. Les 68HC11 proposent un
certain nombre de broches
d ’entrées/sorties (52 broches)
permettant l ’acquisition ou la
transmission de signaux
numériques.
68HC11 disposent des
suivantes:
•Interface Entrées/sorties.
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Microcontrôleur
•Mémoire de données. Certains 68HCXX possèdent 1
ou 2 ports série permettant la
transmission série
d ’informations numériques.
68HCxx disposent des
suivantes:
Et éventuellement:
•Port série.
68HCXX
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Microcontrôleur
•Mémoire de données. Certains 68HCXX possèdent en
ressource interne un
Convertisseur Analogique /
Numérique 8bits permettant
l ’acquisition de 4 à 8 signaux
analogiques différents.
suivantes:
Et éventuellement:
•Port série.
•Convertisseur CAN.
68HCXX
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Microcontrôleur
Conclusion:
Les microcontrôleurs 68HCXX
sont des circuits complets et
performants.
Ils s ’appliquent complètement
dans la mise en œuvre de
systèmes microprogrammés
simples.
Sommaire
68HCXX
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La majorité des structures
microprogrammées utilisent une
architecture classique appelée:
Architecture Von Neumann.
Les microcontrôleurs PIC ainsi
que bien d’autres structures sont
construites autour d’un autre
type d’architecture:
Architecture Harvard.
Architecture Von Neumann:
6809, 68HC11...
Architecture Harvard:
PIC, DSP...
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68HCXX

Architecture Von Neumann
Prenons le cas du système
minimum à 6809. Son
architecture est de type Von
Neumann.
La mémoire de programme
associée par un autre circuit
(EEPROM) contient comme son
nom l ’indique le programme à
exécuter.
Contenu de
la mémoire
de programme
EPROM
20/66
68HCXX

LDA
NOP
ADDA
SWI
#$07
#$10
Instruction
Opérande
source
Après assemblage, chaque
instruction et chaque opérande
codée sur un octet (8 bits) est
rangée dans une case de la
mémoire.
Contenu de
la mémoire
de programme
EPROM
12
86
07
8B
10
3F
...
...
...
objet
Considérons l ’exemple du
programme source suivant.
La mémoire contient donc
successivement les instructions
et les opérandes du programme .
21/66
68HCXX

12
86
07
8B
10
3F
...
...
...
objet
Afin d ’exécuter le programme,
le microprocesseur doit lire dans
l’ordre le contenu de chacune
des cases mémoires.
Pour cela, chacun des octets de la
mémoire est acheminé vers le
microprocesseur, via le bus de
données.
Micro P
Bus
de
données
EPROM
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68HCXX

12
86
07
8B
10
3F
...
...
...
objet
Micro P
Bus
de
données
Conclusion:
Dans le cas d’une architecture
Von Neumann, le traitement
d’une instruction et son opérande
nécessite donc la lecture d’au
moins deux cases mémoires (3
si l ’opérande est codée sur deux
octets).
Cela correspond à une durée de
2 ou 3 cycles machine.
EPROM
23/66
68HCXX

Architecture Harvard
Les microcontrôleurs PIC ont
eux une architecture appelée
Harvard qui présente de
nombreux avantages.
Les différences avec les
architectures Von Neumann
résident essentiellement dans:
• la mémoire de programme
• les bus.
24/66
PIC

Contenu de
la mémoire
de programme
Comme précédemment, ce
programme est composé
d’instructions et d’opérandes.
Cependant, une case mémoire
peut ici contenir à la fois une
instruction et son opérande.
La mémoire de programme des
PIC contient bien entendu le
programme à exécuter.
25/66
PIC

Contenu de
la mémoire
de programme
PIC
MOVLW 07
CLRW
ADDLW 01
MOVWF 05
Instruction
Opérande
source
Considérons l’exemple du
programme source suivant.
Après assemblage, chaque
instruction et son opérande sont
codées sur un mot binaire (12 ou
14 bits) puis rangées dans une
case mémoire.
Chaque case de la mémoire
contient donc:
•l’instruction à exécuter.
•l’opérande associée (non
obligatoire).
0100
3007
3E01
0085
objet
...
...
...
...
...
26/66

Architecture Harvard PIC
Unité de
calcul
0100
3007
3E01
0085
objet
...
...
...
...
...
Afin d’exécuter le programme,
l’unité de calcul doit ensuite lire
le contenu de chacune des cases
de la mémoire.
Chaque mot binaire contenu dans
la mémoire de programme est
alors acheminé vers un décodeur
d’instructions.
Décodeur
d’instructions
Le rôle de ce décodeur est de
séparer pour chacun des mots
binaires, l’instruction et la
donnée (opérande).
donnée
instruction
27/66

instruction
donnée
Unité de
calcul
0100
3007
3E01
0085
objet
...
...
...
...
...
Décodeur
d’instructions
Les instructions et les données
sont ensuite acheminées
simultanément vers l ’unité de
calcul par l ’intermédiaire de
deux bus différents.
Bus de DONNEES
Bus d’INSTRUCTIONS
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instruction
donnée
Unité de
calcul
0100
3007
3E01
0085
objet
...
...
...
...
...
Décodeur
d’instructions
Bus de DONNEES
Bus d’INSTRUCTIONS
Conclusion:
Dans le cas de l’architecture
Harvard que possèdent les PIC,
la lecture d ’une seule case
mémoire permet le traitement
entier d ’une instruction et de son
opérande.
Un seul cycle machine est donc
nécessaire.
Sommaire
29/66

Selon la version de 68HCXX
utilisée, le nombre de registres
internes au circuit est différent.
Ainsi, les registres présentés ci-
après sont les plus couramment
utilisés:
Registres d’E/S: PORT
Registre d’état: CCR
Registres de direction: DDR
Registre Compteur Programme: PC
Registre accumulateurs:A,B,X,Y
30/66
68HCXX

Registre accumulateur A
Le registre accumulateur A est
un registre 8 bits destiné à la
manipulation générale des
données.
A
b7 b6
b
5
b4 b3 b2 b1
b
0
Il peut donc contenir une donnée
de 8 bits que l ’on appelle ici un
littéral.
Ex: A
1 0 1 1 0 0 1 0
La donnée chargée dans le registre
accumulateur A a pour valeur
hexadécimale B2.
Le registre A peut être comparé
aux registres A ou B du 6809.
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31/66
68HCXX

Registres d’E/S PORT
Les microcontrôleurs
68HCXXpeuvent recevoir ou
transmettre des informations
logiques avec des périphériques
extérieurs par l’intermédiaire de
leurs ports d’E/S.
Micro PIC
périphériques
Ports
d
’E/S
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68HCXX

Suivant la version utilisée, les
circuits proposent 2 ou 3 ports
d ’E/S différents.voire plus
Micro PIC
périphériques
Afficheur
clavier
Port
A
Port
B
Port
C
Dans l ’exemple suivant, le port
C est utilisé pour recevoir des
informations provenant d ’un
clavier.
Les ports A et B sont eux utilisés
pour transmettre les données à
afficher.
33/66
68HCXX

L’utilisation des registres est
ainsi la suivante:
•Pour transmettre une donnée
sur un port, il faut ECRIRE la
donnée dans le registre PORT
correspondant.
•Pour recevoir une donnée sur
un port, il faut LIRE la donnée
dans le registre PORT
correspondant.
Ecrire
Port
Donnée
à
transmettre
Lire
Port
Donnée
reçue
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68HCXX

Remarque 1:
Les registres PORTA, PORTB et
PORTC sont analogues aux
registres ORA et ORB du PIA
6821 de Motorola.
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35/66
68HCXX

Registres de direction DDR
Les registres de direction DDR(8
bits) sont directement liés aux
registres PORT.
Le rôle des registres DDR est de
configurer chacune des lignes
des ports soit en entrée, soit en
sortie.
Les différentes broches (lignes)
d’un même port peuvent donc
avoir un rôle différent:
transmettre ou recevoir une
valeur logique (« 0 » ou «1 »).
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68HCXX

La programmation des registres
DDR est la suivante: DDR
b7 b6
b
5
b4 b3 b2 b1
b
0
0
1
Ligne R1
en entrée
Ligne R6
en sortie
•La mise à « 1 » du bit
programme la ligne
correspondante en sortie.
•La mise à « 0 » du bit
programme la ligne
correspondant en entrée.
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68HCXX

Exemple:
Programmons le port C en
entrée et le port D en sortie.
Remarque: les ports ABE ne
possèdent que des lignes
d ’entrées ou de sortie
unidirectionnelles.
Rc
0
Rc
1
R
3
Rc
2
Rd
0
RB
3
RB
2
RB
1
Rd
7
RB
6
RB
5
RB
4
Port D
Port C
68HCXX
E
E
E
E S S S S S S S S
DDRC DDRD
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
« 0 » = entrée
« 1 » = sortie
En conséquence, les registres
DDR ne se programment que
pour les ports C et D .
Exemple cicontre
DDRC  x0
DDRD  FF
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38/66
68HCXX

Registre d’état CCR
Le registre d’état CCR est un
registre 8 bits.
Le rôle de ce registre est de
donner diverses informations à
l’utilisateur sur l’état de
fonctionnement de l’unité de
calcul suite au résultat d’une
opération.
On s’intéressera en fait à
seulement 2 bits du registre
d’état.
CCR
b7 b6
b
5
b4 b3 b2 b1
b
0
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68HCXX

CCR
b7 b6
b
5
b4 b3 b2 b1
b
0
Z
Le bit b2: Z (Zéro)
Lorsqu’une opération
arithmétique ou logique est
réalisée, le bit Z est mis à 1 si le
résultat est nul et à 0 dans le cas
contraire.
Ex 1:
CCR
b7 b6
b
5
b4 b3 b2 b1
b
0
CCR
b7 b6
b
5
b4 b3 b2 b1
b
0
Ex 2:
Ex 1: L ’unité centrale effectue
l ’opération 7 - 6 = 1.
l ’opération 7 - 7 = 0.
0
1
Z = 0
Z = 1
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68HCXX

CCR
b7 b6
b
5
b4 b3 b2 b1
b
0
Ex 1:
CCR
b7 b6
b
5
b4 b3 b2 b1
b
0
CCR
b7 b6
b
5
b4 b3 b2 b1
b
0
Ex 2:
Ex 1: L’unité centrale effectue
l’opération sur 8 bits:
FE + 01 = FF
l’opération hexadécimale:
FF + 1 = 00 (et une retenue)
0
1
C = 0
C = 1
Le bit b0: C (Carry = retenue)
Ce bit est positionné à 1 si une
addition ou une soustraction
génère une retenue depuis le bit
de poids fort.
C
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41/66
68HCXX

Compteur programme PC
Le registre PC est un registre
spécifique 9 ou 11 bits, suivant
le modèle de 68HC11.
b0
b1
b
2
b
3
b4
b5
b6
b7
b8
b
9
b1
0
PC
C’est en fait un compteur
ordinal qui contient l’adresse en
mémoire de la prochaine
instruction à exécuter.
42/66
68HCXX

b0
b1
b
2
b
3
b4
b5
b6
b7
b8
b
9
b1
0
PC
Prenons l’exemple d’un
programme objet stocké en
mémoire de programme à partir
de l’adresse 000:
01
3F
31
00
...
...
Prog.
Adresses
000
001
002
003
004
005
43/66
68HCXX

b0
b1
b
2
b
3
b4
b5
b6
b7
b8
b
9
b1
0
PC
1er cycle machine:
Le registre PC est chargé avec
l’adresse de la première
instruction du programme.
0
0
0 0
0
0 0 0 0
Adresses
000
001
002
003
004
005
01
3F
31
00
...
...
Prog.
44/66
68HCXX

b0
b1
b
2
b
3
b4
b5
b6
b7
b8
b
9
b1
0
PC
2ème cycle machine :
De façon simultanée,
•Le registre PC s’incrémente.
•La donnée précédemment
pointée par le registre PC est
exécutée.
1
0
0 0
0
0 0 0 0
Exécution
de l ’instruction
01
Adresses
000
001
002
003
004
005
01
3F
31
00
...
...
Prog.
45/66
68HCXX

b0
b1
b
2
b
3
b4
b5
b6
b7
b8
b
9
b1
0
PC
exécutée.
Exécution
de l ’instruction
0
1
0 0
0
0 0 0 0
3F
Adresses
000
001
002
003
004
005
01
3F
31
00
...
...
Prog.
46/66
68HCXX

b0
b1
b
2
b
3
b4
b5
b6
b7
b8
b
9
b1
0
PC
exécutée.
Exécution
de l ’instruction
1
1
0 0
0
0 0 0 0
31
Adresses
000
001
002
003
004
005
01
3F
31
00
...
...
Prog.
47/66
68HCXX

b0
b1
b
2
b
3
b4
b5
b6
b7
b8
b
9
b1
0
PC
exécutée.
Exécution
de l ’instruction
0
0
0 0
0
0 0 0 1
00
Adresses
000
001
002
003
004
005
01
3F
31
00
...
...
Prog.
48/66
68HCXX

b0
b1
b
2
b
3
b4
b5
b6
b7
b8
b
9
b1
0
PC
Conclusion
Le registre PC contient donc à
l ’instant t l’adresse de la
prochaine instruction à
exécuter.
Ainsi, lorsqu’une instruction est
exécutée, la suivante est déjà
pointée par le registre PC.
Exécution
de l ’instruction
Adresses
000
001
002
003
004
005
Sommaire
Retour menu
01
3F
31
00
...
...
Prog.
49/66
68HCXX

Comme tous les circuits
microprogrammés, les
microcontrôleurs PIC 16Cxx
fonctionnent à partir d’une base
de temps ( horloge ) appliquée
par des composants externes.
Ainsi, il existe 4 modèles de PIC
selon la fréquence d’horloge
utilisée :
•Version XT
•Version HS
•Version RC
•Version LP
Version XT:
oscillateur à quartz jusqu’à 4 MHz.
Version HS (High Speed):
oscillateur à quartz jusqu’à 20 MHz.
Version RC (Résistance-Condensateur):
oscillateur RC jusqu’à 4 MHz.
Version LP (Low Power):
oscillateur à quartz jusqu’à 200 kHz.
Prévu pour des applications à faible
consommation.
50/66
68HCXX

Le rôle de l’horloge est de
cadencer les différentes
opérations effectuées par le
microcontrôleur et notamment
l’exécution des instructions du
programme.
Ainsi, le signal d’horloge
possède les caractéristiques
suivantes:
•Signal carré.
•De fréquence f et de période T.
Signal d ’horloge OSC
Temps t
T = 1 / f
51/66
68HCXX

Le signal d’horloge OSC est en
fait délivré par un oscillateur
externe qui peut être un quartz
ou une cellule RC.
Temps t
Ce signal appliqué au PIC est
ensuite, de façon interne, divisé
par 4.
On appelle alors cycle machine
la durée caractérisant 4 périodes
d’horloge.
Cycle machine
Cycle machine
Cycle machine
52/66
68HCXX

Cette base de temps permet alors
de rythmer l’exécution des
instructions du programme:
Temps t
Ainsi, au cours de chaque cycle
machine :
•Recherche de l’instruction dans
l’adresse pointée par le registre
PC.
•Exécution de l’instruction qui
était pointée par le registre PC au
cours du cycle précédent.
•Incrémentation du registre PC.
PC+2
PC+1
PC
Recherche
Instr (PC)
Exécution
Instr (PC-1)
Recherche
Instr(PC+1)
Exécution
Instr(PC)
Recherche
Instr(PC+2)
Exécution
Instr(PC+1)
Cycle 0 Cycle 1 Cycle 2
53/66
68HCXX

Conclusion:
Il faut donc un cycle machine
pour exécuter une instruction.
Un T pour incrémenter le PC.
Deux T pour l’exécution du code
machine.
Un T pour prendre le code.
soit 4 périodes d’horloge.
Signal d’horloge OSC
Temps t
Ex:
Dans le cas d’un oscillateur à
quartz de 20 MHz, le temps
d’exécution d ’une instruction est
donc de :
1 instruction = 1 cycle machine = 4 x Tosc
Tosc = 1/fosc
Si fosc = 20 MHz
Tosc = 50 ns
D’où 4 x Tosc = 200 ns.
200 ns
Sommaire
54/66
68HCXX

Outre la facilité de mise en œuvre
matérielle, l’intérêt des
microcontrôleurs 68HCXX réside
dans le jeu d’instruction et les
modes d’adressage
considérablement réduits par
rapport à d’autres structures
programmables.
55/66
68HCXX

Jeu d’instructions
En plus de bénéficier d’une
architecture dite Harvard, les
microcontrôleurs PIC sont
constitués autour d ’une
architecture appelée RISC.
Reduced Instruction Set Computer
= Circuit à jeu d’instructions réduit
Ainsi, contrairement à de
nombreux circuits mettant en
jeu une centaine d ’instructions
différentes, les PIC voient leur
nombre d’instructions limitées à
33 ou 35.
Les 68HCxx possèdent un jeu
de 256 instructions
33 ou 35 instructions seulement!
56/66

Les différents mnémoniques du
jeu d’instructions adoptent
certaines appellations dont il est
nécessaire d’être informé:
•# k est l ’opérande, c’est-à-dire
une valeur codée sur un octet (8
bits).
•LDAA est le code opération,
c’est aussi une valeur codée sur
un octet (8 bits).
•L ’ensemble code opération
opérande forme l ’instruction
Ex:
MOVLW k ( PIC)
LDAA k ( 68HC11 )
L ’opérande k est placé dans le
registre accumulateur A.
k  A
57/66

jeu d ’instructions adoptent
nécessaire d ’être informé:
•A est le symbole correspondant
au registre accumulateur A
•$1000 à une adresse (valeur de
l ’adresse mémoire).
Ex: LDAA $1000
Le contenu du registre de
l ’accumulateur A est transféré dans
l ’adresse spécifiée $1000
A  $1000
58/66

jeu d’instructions adoptent
nécessaire d’être informé:
Ex: BSET 4F,FF
Les bits contenus dans 4F sont
additionnés logiquement à la valeur
0F
resultat ($4F) = FF
1  $4F
•$4F est la valeur de l ’adresse
•$0F est un masque (0000 1111).
59/66

Modes d’adressage
les modes d’adressage sont
réduits puisqu’on en compte que
4:
•Adressage inhérent :
•pas d ’opérande.il correspond à
des opérations sur registres Efface le contenu de
l ’accumulateur A
Ex: CLRA
60/66

Modes d’adressage
La encore, les modes
d’adressage sont réduits
puisqu’on en compte que 4:
•Adressage inhérent.
•Adressage immédiat L ’accumulateur est chargé avec
une donnée de valeur $12
Ex: LDAA #$12
61/66

puisqu’on en compte que 4:
•Adressage immédiat.
•Adressage direct.
•Adressage bit à bit.
Il permet de manipuler n’importe
quel bit individuel de n’importe
quel registre.
Modes d’adressage
Ex: BSET f, b
62/66

puisqu’on en compte
principaleent 5:
•Adressage relatif.
LDAA 003A
retour DECA
BNE retour
Mode d ’adressage utilisé lors
des tests et des boucles utilisant
une étiquette
tant que A est différent de zero
on revient à la ligne retour
Modes d’adressage
Sommaire
63/66

puisqu’on en compte
principalement 5:
•Adressage relatif
•Adressage étendu .
LDAA $003A
On utilise pour l ’opérande une
adresse
le contenu de A est égal au contenu
de $003A
(003A)  A
Modes d’adressage
Sommaire
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Structure interne du 68HC11
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Les 68HCXX n’ont désormais plus de secrets pour vous...
Il est temps de les mettre en œuvre dans une application...
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