Formation Les technologies numériques. 2 Présentation - 27/06/2004 – Olivier Vanhoucke mFactories 2001, 2004 Sommaire Introduction Les bases L’historique

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Sommaire

Introduction Les basesL’historique

La technologieL’architecture numérique

Les bus et réseauxLes microcontrôleurs

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Introduction

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Introduction

Présentation de mFactories

Qui sont vos formateurs ? :

Des professionnels des technologies numériques

Des professionnels des technologies embarquées

Ils travaillent aujourd’hui avec la société mFactories spécialisées dans le développement de solution numériques aussi bien logicielles que matérielles.

Vos Formations sont dispensées dans d’autres ECOLES comme l’ESIEE, l’ESTE ou encore des écoles du GROUPE EPITA

Pour les demandes de stages ou de contrats d’apprentissages :

[email protected]

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Introduction

But de cette formation

Quel est le but de cette formation ? :

Acquérir une culture générale sur les technologies numériques

Apprendre les mots clés de ces technologies

Comprendre leurs évolutions et leurs fonctionnements basiques

Comprendre l’utilité dans notre monde de ces technologies

Vous permettre de mieux appréhender le monde du travail lié de prêt ou de loin aux technologies numériques et ainsi d’être plus efficace lors d’entretiens ou dans la rédaction de vos lettres de motivations.

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Introduction

Que veut dire technologies numériques ?

2 grands domaines :

Les technologies numériques assimilées au matériel : électronique numérique

Les technologies numériques assimilées au logiciel : Système d’exploitation, temps réel, programmation etc.…

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Introduction

Où trouve t-on des technologies numériques ?

Réponse : EVERYWHERE (partout en français)

Aéronautique

Automobile

Industrie

Téléphonie

etc...

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Les bases

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Les bases

Les différences Numériques / Analogiques

La différence majeure qui oppose une solution analogique à une solution numérique c’est la façon dont on traite l’information.

Dans le cas des technologies analogiques :

On transforme soit des grandeurs physiques (acquisition de capteur) en grandeur électrique soit des grandeurs électriques en changement d’état physique.

Exemple dans le cadre de la gestion d’un ELECTROVANNE :

Nous pourrons contrôler le débit de l’électrovanne en faisant varier un courant ou une tension.

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Les bases

Les différences Numériques / Analogiques

Dans le cas des technologies numériques :

On transforme soit des grandeurs physiques (acquisition de capteur) en grandeur numériques soit des grandeurs numériques en changement d’état physique.

Exemple dans le cadre de la gestion d’une ELECTROVANNE :

Nous pourrons contrôler le débit de l’électrovanne en lui transmettant une valeur numérique ( exemple 0 : vanne fermée, 1 vanne ouverte).

On ne travaille donc plus sur des tensions ou des courants mais sur des valeurs numériques exprimées par des 1 ou des 0 : le code binaire

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Les bases

Les données numériques

Quelques codage simple :

Le codage binaire est un simple changement de base : base 10 vers base 2 : 154 1001 1010

Le codage hexa est aussi très utilisé : 1001 1010 9A (souvent écrit : 0x9A ou 9Ah)

Le codage BCD (Binary Coded Decimal) : 123 0001 0010 0011

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Les bases

Les données numériques

Dans un système numérique, on doit pouvoir représenter tous types de données : nombre, caractère, image, musique etc...

Exemples :

le codage ASCII : on associe des valeurs binaires (7/8 bits) à des caractères alphanumériques + ponctuations etc... Le caractère ‘A’ correspond au code 0x41.

Il existe de nombreux systèmes de codage de données : BMP, JPG, WAV, MP3, MPEG, AVI...

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L’historique

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L’historique

Historique de l’électronique numérique

1948 : Naissance de l’électronique des semi-conducteurs avec l’invention du transistor, qui remplaça les tubes à vides.

1954 : Production de transistors en silicium

1956 : 1er Ordinateur spécialisé à semi-conducteurs créé par S CRAY

1958 Naissance du premier circuit intégré (quelques éléments, 1970 plusieurs milliers, 1980 des centaines de milliers soit 30 000 composants au cm²)

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L’historique

Historique de l’électronique numérique

1964 : 1er AOP (Amplificateur opérationnel), 1er transistor à effet de champs à jonction (JFET) et à grille isolée (MOSFET)

1972 : 1er microprocesseur

1978 : Intégration du microprocesseur et de ses mémoires

1980 : Évolution continuelle de la rapidité de traitement des microprocesseurs : un super calculateur des années 60 (environ 40 m²) tient aujourd’hui dans un composant de 1cm².

Évolution en fonction de la loi de MOORE : elle postule le doublement tous les 18 mois des performances des circuits intégrés (mémoires et processeurs).

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L’historique

Exemple d’évolution dans l’industrie automobile :

1968, CITRÖEN monte sur sa fameuse DS un système commande d’injection électronique développé par BOSCH

1975, CITRÖEN remplace le rupteur du circuit primaire de la bobine d’allumage par une commande à transistor BOSCH

1977, apparition des premiers allumages totalement électroniques (BOSCH en Europe, DELCO aux Etats-Unis…)

1979, apparition des premiers « calculateurs » de contrôle moteur intégrant la commande de l’injection et du point d’allumage

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La technologie

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La technologie

Les composants numériques

La diode

Le transistor

L’AOP

Les portes logiques (inverseurs, &, | , etc.)

Les Bascules (D, JK etc..)

Les mémoires

Les Microprocesseurs

Les Microcontrôleur

Les FPGA, DSP, etc.

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La technologie

Les Types de signaux numériques

Les signaux numériques sont basé sur un changement d’état :

CMOS, LVCMOS : (complementary metal-oxide-semiconductor) Les seuils sont basés sur la tension d’alimentation qui peut être comprise suivant les familles de CMOS entre 0 et 22 Volts

État stable bas : 0

État stable haut : 1

Seuil haut 2/3

Seuil bas 1/3

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Les Types de signaux numériques

La technologie

Les signaux numériques sont basé sur un changement d’état :

TTL, LVTTL (Transistor-Transistor Logic) : la différence avec le CMOS c’est qu’il ne possède qu’un seuil de changement d’état.

État stable bas : 0

État stable haut : 1

Seuil médian 1/2

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L’architecture Numérique

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Architecture Numérique


Nous allons étudier l’architecture des microprocesseurs au travers d’un exemple connu de vous tous :

L’ORDINATEUR ou plus communément appelé le PC

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La base du fonctionnement : l’horloge

L'horloge temps réel (notée RTC, pour Real Time Clock) est un circuit chargé de la synchronisation des signaux du système.

Elle est constituée d'un cristal qui, en vibrant, donne des impulsions (appelés tops d'horloge) afin de cadencer le système.

On appelle fréquence de l'horloge (exprimée en Mhz) le nombre de vibrations du cristal par seconde, c'est-à-dire le nombre de tops d'horloge émis par seconde.

Plus la fréquence est élevée, plus il y a de tops d'horloge et donc plus le système pourra traiter d'informations.

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Qu’est ce qu’un ordinateur ?

Un ordinateur est un système de traitement programmé d’informations numériques.

Les informations non numériques doivent être converties pour pouvoir être traitées.

Le programme est formé d’une suite d’instructions qui spécifient les opérations que doivent subir les données pour produire des résultats.

Le programme et les données sont fournies à l’ordinateur au moyen d’unités d’entrée (clavier disque) et rendus au moyens d’unités de sortie (écran)

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Qu’est ce qu’un ordinateur ?

Architecture :

Données

Données et programme

codés

Programme

Résultats codés

Résultat

Unité de sortie

ORDINATEURUnité d’entrées

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Qu’est ce qu’une instruction ?

L'instruction est l'élément clé de l'ordinateur, qui permet de spécifier au processeur l'action à effectuer. Toutes les instructions sont stockées en mémoire et un compteur dans le processeur permet de passer de l'une à l'autre. Une instruction est composée de deux éléments:

le code opération: action à effectuer par le processeur le champ opérande: donnée ou bien adresse de la case mémoire contenant une donnée

Exemple : MOV D1, D2

code opération champ opérande

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Les organes d’un Ordinateur

L’unité centrale ou unité de traitement ( CPU pour Central process UNIT)

Les interfaces d’entrées/sorties (E/S)Elle permettent d’établir le dialogue entre le CPU et les unités d’entrée et de sortie

La mémoireC’est dans cette organe que l’on range les programmes que le CPU exécute et les données qu’il doit traiter

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Les organes d’un Ordinateur

M

E

M

O

I

R

E

CPU

Interface E/S

Unité de sortie

Unité d’entrée

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Unité de traitement (1)

Le CPU commande les adresses et envoie ainsi ses ordres à la mémoire au moyen de 3 BUS.

Le bus d’adresses véhicule des adresses. de sa largeur dépend le nombre maximum de cases mémoires disponibles :

8 bits : 256 cases mémoire 16 bits : 65 Ko de cases mémoires 32 bits : 4 Go de cases mémoires

Le bus de données véhicule les données entre le CPU et la mémoire et entre le CPU et les interfaces E/S

Le bus de contrôle permet entre autre de synchroniser la circulation d’informations entre les deux autres bus

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Bus d’adresses

Bus de données

Bus de contrôle

CPU Mémoire Interface d’E/S

RD/WR\ RD/WR\RD/WR\

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Qu est ce qu’un BUS ?

Physiquement un bus est un faisceau de fils qui transporte un type précis d’informations entre les organes de l’ordinateur

Qu est ce qu’une Adresse ?

Pour imager : les cartes électroniques sont conçues comme des villes chaque élément sur la carte a une adresse définie par le fabricant de la carte (Standard dans le X86). Cette adresse permet de lui envoyer des informations par exemple : le port série est à l’adresse : 0x3F8* *(0x signifie que l’on travaille en HEXADECIMAL)

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Unité de traitement : Organisation (3)

A l’intérieur de l’unité de traitement on trouve : Des registres tampons servant à mémoriser l’information dans le CPU. le Séquenceur qui décode les instructions et commande les organes de l’unité de traitement pour exécuter l’instruction qu’il vient de décoder. l’ALU unité arithmétique et logique (appelée aussi partie opérative) capable d’effectuer des additions, des soustractions, des opérations logiques comme le OU, le ET et dans certains cas des multiplications et des divisions. le PC ou compteur de programme qui contient l’adresse de la case mémoire où se trouve l’instruction à exécuter. Des registres de travail qui sont en nombre variable suivant les microprocesseur. Ces registres servent à accélérer le traitement en réduisant le nombre d’accès à la mémoire pour la lecture ou l’écriture des données

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Unité de traitement : Organisation (4)

Registre Tampon

Registre Tampon

Registre de travail

PC

A

L

U

Séquenceur

Bus d’Adresses

Bus de données

Horloge

Bus de control

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Unité de traitement : Fonctionnement (5)

La plupart du temps, c’est l’unité de traitement qui commande.

La première chose qu’elle fait, c’est de lire une instruction dans la mémoire

Schématiquement, une instruction comporte sous forme codée l’opération à effectuer et la ou les adresses de(s) donnée(s) qui sont concernées

L’unité de traitement décode l’instruction, lit les données de la mémoire, effectue l’opération, puis écrit le résultat dans la mémoire.

Elle lit l’instruction suivante et ainsi de suite …

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Programme

Données

MEMOIRE

Décodage CPU

1: ADD d1, d2

2: d1

3: d2

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1. Exécution d’une instruction :2. Envoi de l’adresse de l’instruction à la mémoire3. Lecture de l’instruction codée4. Transfert au séquenceur (RI) et décodage5. Envoi de l’adresse de l’opérande à la mémoire6. Lecture de l’opérande7. Transfert vers l’ALU et exécution de l’opération8. Envoi de l’adresse du résultat à la mémoire9. Transfert du résultat dans le registre tampon10. Écriture du résultat dans la mémoire

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Registre tampon

Séquenceur

RI

Bus de contrôle

Registre tampon

Registre

ALU

PC Instruction

Opérande

Résultat

MEMOIRE

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6

6

8

3

9

2

5

4

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La mémoire (1)

La mémoire d’un ordinateur est divisée en cases dont le nombre peut être très grand (plusieurs millions)

Chaque case a une taille variable suivant le type d’ordinateur. La taille est généralement d’un octet (8 bits) ou d’un mot (16, 32, 64 bits).

Chacune des case possède un numéro unique appelé adresse qui permet de l’identifier.

Lorsque l’on veut lire ou écrire une information dans une case de la mémoire, on donne à la mémoire l’adresse de la case ainsi que le sens du transfert lecture ou écriture), puis on envoie ou on reçoit la donnée suivant le cas.

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La mémoire (2)

AdresseDonnées

Contrôle

STOCKAGE

décodage

adresse

Contrôle WR : écriture

RD : lecture

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Qu est ce qu’une RAM ?

La mémoire vive (RAM pour Random Access Memory) permet de stocker des informations pendant tout le temps de fonctionnement de l'ordinateur, son contenu est par contre détruit dès lors que l'ordinateur est éteint ou redémarré.

Différents FORMAT :

La DRAM EDO (Extended Data Out, soit Sortie des données amélioré parfois également appelé "hyper-page") La SDRAM (Synchronous DRAM, traduisez RAM synchrone) La DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) La DR-SDRAM (Direct Rambus DRAM ou encore RDRAM)

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Évolution des technologies

Les microprocesseurs RISC : Exécution d’une instruction par coup d’horloge (PENTIUM 2, AMD ATHLON etc.)

Les microprocesseurs CISC : Exécution de plusieurs instructions par coup d’horloge et intégration d’algorithme d’anticipation ( POWER PC : Macintosh G5).

Intégration Mixte : RISC et CISC (INTEL PENTIUM 4 )

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Les organes externes

DMA (Direct Memory ACCESS) permet un accès rapide entre 2 mémoires sans passer par le CPU,

MMU (Memory management unit) sert à la gestion de la RAM, elle permet de protéger la RAM, de la paginer etc..

CACHE (L1 et L2 sur X86) permet une recopie rapide d’informations sans aller dans la RAM (souvent intégré dans le CPU maintenant)

BIOS permet d’initialiser la carte au démarrage,

SIO (RTC, UART, LPT,) contient l’ensemble des périphériques de type port série etc…

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Les bus et réseaux

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Les bus et réseaux

Les bus locaux

Locaux :

ISA (Industry Standard Architecture), apparue en 1981 avec le PC XT, était un bus d'une largeur de 8 bits cadencé à une fréquence de 4,77 MHz. Le bus ISA permettait le bus mastering, c'est-à-dire qu'il permettait de communiquer directement avec les autres périphériques sans passer par le processeur.

PCI , compact PCI (Peripheral Component Interconnect) a été mis au point par Intel en 1992. Contrairement au bus ISA il ne s'agit pas à proprement parler d'un bus local. Il possède une largeur de 32 bits et est cadencé à 33 MHz dans sa version originale, ce qui lui permet d'offrir un débit de 132 Mo/s.

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Locaux : IDE : Le standard ATA (Advanced Technology Attachment) est une interface standard permettant la connexion de périphériques de stockage sur les ordinateurs de type PC. Le standard ATA a été mis au point en 1994.Malgré l'appellation officielle "ATA", ce standard est plus connu sous le terme commercial IDE (Integrated Drive Electronics).

USB (Universal Serial Bus) est, comme son nom l'indique, basé sur une architecture de type série. Il s'agit toutefois d'une interface entrée-sortie beaucoup plus rapide que les ports série standards.

Il existe d’autre bus comme : VME, LOCAL BUS, RAPIDE IO(future PCI), SCSI, etc.

Les bus Externes

Les bus et réseaux

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Les bus et réseaux

Réseaux et bus de terrain

Les bus de terrain / réseaux :

ETHERNET (grand public)

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) est une technologie d'accès au réseau sur des lignes de type fibre optique

ATM (Asynchronous Transfer Mode, c'est-à-dire mode de transfert asynchrone) est une technologie de réseau récente, qui, contrairement à ethernet, token ring, et FDDI, permet de transférer simultanément sur une même ligne des données et de la voix. (Exemple de la FREEBOX de FREE)

Il existe aussi des bus dits de terrain pour l’industrie et les systèmes embarqués

CAN , VAN, PROFIBUS, FIP (Alsthom)

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Les bus et réseaux

Sans fil

Les bus et réseaux sans fil :

BLUETOOTH (WPAN) : proposant un débit théorique de 1 Mbps pour une portée maximale d'une trentaine de mètres (limité à 7 périphériques)

WIFI (WLAN) : est un réseau permettant de couvrir l'équivalent d'un réseau local d'entreprise, soit une portée d'environ une centaine de mètres

GSM (Global System for Mobile Communication)

GPRS (General Packet Radio Service)

UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Il existe d’autres types de bus et réseaux sans fil moins connus comme le HomeRF, la boucle radio local (WMAN), Hyperlan etc..

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Microcontrôleur

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Microcontrôleur

Qu’est qu’un microcontrôleur

définition

Un Microcontrôleur est un CPU avec un ensemble de périphériques que l’on vient de voir par exemple : un DMA, une MMU, un contrôleur IDE, un contrôleur PCI, un contrôleur de RAM etc.. L’ensemble de ces éléments est intégré dans un seul et unique boîtier.

Pour bien comprendre cette intégration nous allons la voir à travers 2 exemples :

Un microcontrôleur PIC

Un microcontrôleur STPC

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Microcontrôleur

2 exemples : LE PIC

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Microcontrôleur

2 exemples : Le STPC

Conclusion

Merci de votre attention

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