Systèmes micro-programmes à base de microprocesseur

Cours systèmes micro-programmes à base de microprocesseur, tutoriel & guide de travaux pratiques en pdf.

MICROCONTROLEUR PIC 16F877

Du microprocesseur au microcontrôleur

Le microcontrôleur est un dérivé du microprocesseur. Sa structure est celle des systèmes à base de microprocesseurs. Il est donc composé en plus de l’unité centrale de traitement, d’une mémoire (mémoire vive RAM et mémoire morte ROM), une (ou plusieurs) interface de communication avec l’extérieur matérialisé par les ports d’entrée/sortie.
En plus de cette configuration minimale, les microcontrôleurs sont dotés d’autres circuits d’interface qui vont dépendre du microcontrôleur choisi à savoir les systèmes de comptage (TIMER), les convertisseur analogique/numérique (CAN) intégré, gestion d’une liaison série ou parallèle, un Watchdog (surveillance du programme), une sortie PWM (modulation d’impulsion),…
Les microcontrôleurs améliorent l’intégration et le coût (lié à la conception et à la réalisation) d’un système à base de microprocesseur en rassemblant ces éléments essentiels dans un seul circuit intégré. On parle alors de « système sur une puce » (en anglais : « System On chip »).
Les microcontrôleurs sont plutôt dédiés aux applications qui ne nécessitent pas une grande quantité de calculs complexes, mais qui demandent beaucoup de manipulations d’entrées/sorties. C’est le cas de contrôle de processus.
Les systèmes à microprocesseur sont plutôt réservés pour les applications demandant beaucoup de traitement de l’information et assez peu de gestion d’entrées / sorties. Les ordinateurs sont réalisés avec des systèmes à microprocesseur.
Il existe plusieurs famille de microcontrôleurs dont les plus connues sont :

Atmel : AT; familles AT89Sxxxx, AT90xxxx, …
Motorolla : famille 68HCxxx, …
Microship : PIC ; familles 12Cxxx, 16Cxxx, 16Fxxx, 18Fxxx, …
Intel : famille 80C186XX
STMicroelectronics : famille STX
Analog Devices : famille ADuC

Nous allons nous intéresser dans le cadre de ce cours à la famille Microchip PIC (Programmable Integrated Circuit) de moyenne gamme (MIDRANGE).

Présentation d’un microcontrôleur PIC

Ils sont des composants dits RISC (Réduced Instructions Construction Set), ou encore composant à jeu d’instructions réduit. Chaque instruction complexe peut être programmée par plusieurs instructions simples. Sachant que plus on réduit le nombre d’instructions, plus facile et plus rapide qu’en est le décodage, et plus vite le composant fonctionne.
La famille des PIC à processeur 8 bits est subdivisée à l’heure actuelle en 3 grandes catégories :

Base-Line : ils utilisent des mots d’instruction de 12 bits.
Mid-Range : ils utilisent des mots d’instruction de 14 bits.
High-End : ils utilisent des mots d’instruction de 16 bits.

Il existe aussi des PIC à processeur 16 bits (PIC24F/PIC24H) et 32 bits (PIC32M) aussi. Toutes les PICs Mid-Range ont un jeu de 35 instructions, stockent chaque instruction dans un seul mot de programme, et exécutent chaque instruction (sauf les sauts) en un cycle machine.
On atteint donc de très grandes vitesses, et les instructions sont de plus très rapidement assimilées.
L’horloge fournie au PIC est divisée par 4.C’est cette base de temps qui donne le temps d’un cycle. Si on utilise par exemple un quartz de 4MHz, on obtient donc 1000000 de cycles/seconde ; or, comme le PIC exécute pratiquement une instruction par cycle, hormis les sauts, cela nous donne une puissance de l’ordre de 1MIPS (1 Million d’Instructions Par Seconde).
Pour identifier un PIC, on utilise simplement son appellation du type : wwlxxyyy-zz

WW: Représente la catégorie du composant (12, 14, 16, 17, 18),
L: Tolérance plus importante de la plage de tension.
XX: Type de mémoire de programme:
C: EPROM ou EEPROM.
CR: PROM.
F: FLASH.
YYY: Identification.
ZZ: Vitesse maximum tolérable.

Les PICs sont des composants STATIQUES, c’est à dire que la fréquence d’horloge peut être abaissée jusqu’à l’arrêt complet sans perte de données et sans dysfonctionnement.
Ceci par opposition aux composants DYNAMIQUE, donc la fréquence d’horloge doit rester dans des limites précises.
Les microcontrôleurs PIC sont présentés en boîtier DIL (Dual In Line).Un point ou une encoche donne un repérage de la broche 1, ensuite il faut ce déplacer vers la droite pour avoir les autres broches. Ont fait le tour du circuit dans le trigonométrique.

Microcontrôleur PIC 16F877

Dans la suite du chapitre, on va prendre comme exemple le PIC 16F877 et présenter sa structure interne et externe. Les éléments essentiels du PIC 16F877 sont :

Structure interne

Caractéristiques de la CPU
CPU à architecture RISC (8 bits)
Mémoire programme de 8 Kmots de 14 bits (Flash),
Mémoire donnée de 368 Octets,
EEPROM donnée de 256 Octets,
14 sources interruptions
Générateur d’horloge de type RC ou quartz (jusqu‟ à 20 MHz)
05 ports d’entrée sortie
Fonctionnement en mode sleep pour réduction de la consommation,
Programmation par mode ICSP (In Circuit Serial Programming) 12V ou 5V,
Possibilité aux applications utilisateur d’accéder à la mémoire programme
Caractéristiques des périphériques
Timer0 : Timer/Compteur 8 bitsavec un prédiviseur 8 bits
Timer1 : Timer/Compteur 16 bits avec un prédivision de 1, 2, 4, ou 8 ; il peut être incrémenté en mode veille (Sleep), via une horloge externe,
Timer2 : Timer 8 bits avec deux diviseurs (pré et post diviseur)
Deux modules « Capture, Compare et PWM » :

Module capture 16 bits avec une résolution max. 12,5 ns, Module Compare 16 bits avec une résolution max. 200 ns, Module PWM avec une résolution max. 10 bits,Convertisseur Analogiques numériques multi-canal (8 voies) avec une conversion sur 10 bits,Synchronous Serial Port (SSP) SSP, Port série synchrone en mode I2C (mode maitre/escalve), Universel Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter (USART) : Port série universel, mode asynchrone (RS232) et mode synchrone.

L’alimentation

L’alimentation du circuit est assurée par les pattes VDD et VSS. Elles permettent à l’ensemble des composants électroniques du PIC de fonctionner. Pour cela on relie VSS (patte 5) à la masse (0 Volt ) et VDD (patte 14) à la borne positive de l’alimentation qui doit délivrer une tension continue comprise entre 3 et 6 Volts.

Cadencement du PIC

Le PIC 16F877A peut fonctionner en 4 modes d’oscillateur.

LP : Low Power crystal : quartz à faible puissance.
XT : Crystal/Resonator : quartz/résonateur en céramique.
HS : High Speed crystal/resonator : quartz à haute fréquence/résonateur en céramique HF.
RC : Circuit RC (oscillateur externe).

Dans le cas du 16F877, on peut utiliser un quartz allant jusqu’à 20Mhz relié avec deux condensateurs de découplage, du fait de la fréquence importante du quartz utilisé.
Quelque soit l’oscillateur utilisé, l’horloge système dite aussi horloge instruction est obtenue en divisant la fréquence par 4. Avec un quartz de 4 MHz, on obtient une horloge instruction de 1 MHz, soit le temps pour exécuter une instruction de 1μs

Circuit Reset MCLR

La broche MCLR (Master Clear) a pour effet de provoquer la réinitialisation du microprocesseur lorsqu’elle est connectée à 0.
Lorsque le signal de “RESET” est activé, tous les registres sont initialisé et le compteur programme se place à une adresse spécifique appelée “Vecteur de RESET”.

CHAPITRE 1 SYSTEMES MICRO-PROGRAMMES A BASE DE MICROPROCESSEUR
1. INTRODUCTION AUX SYSTEMES MICRO-PROGRAMMES
2. DEFINITION D’UN MICROPROCESSEUR
3. MODELE DE BASE D’UN MICROPROCESSEUR
4. LES MEMOIRES
5. FONCTIONNEMENT D’UN MICROPROCESSEUR
6. ARCHITECTURE D’UN MICROPROCESSEUR
TRAVAUX DIRIGES N°1
CHAPITRE 2 MICROCONTROLEUR
1. DU MICROPROCESSEUR AU MICROCONTROLEUR
2. PRESENTATION D’UN MICROCONTROLEUR PIC
3. MICROCONTROLEUR PIC 16F877
CHAPITRE 3 PROGRAMMATION C DES PIC AVEC LE COMPILATEUR CCS – C
1. OUTILS DE PROGRAMMATION D’UN PIC
2. LE LANGAGE C
3. NOTION DE FILIERE DE DEVELOPPEMENT
4. REGLES DE BASES
5. LES VARIABLES ET LES CONSTANTES
6. LES FONCTIONS
7. LES OPERATEURS
8. LES STRUCTURES REPETITIVES
9. LES FONCTIONS ADAPTEES AUX MICROCONTROLEURS PIC
10. STRUCTURE D’UN PROGRAMME EN C
TRAVAUX DIRIGES N°2
CHAPITRE 4 LES INTERRUPTIONS
1. PRINCIPE
2. SOURCE D’INTERRUPTION DANS LE PIC 16F877
CHAPITRE 5 LE CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMERIQUE
1. DESCRIPTION
2. DEROULEMENT D’UNE CONVERSION
3. CONFIGURATION DU CONVERTISSEUR
4. EXERCICES D’APPLICATION : MULTIMETRE
CHAPITRE 6 LES TIMERS
1. PRESENTATION DU TIMER
2. FONCTIONNEMENT DU TIMER
3. EXERCICE D’APPLICATION : INTERRUPTION DU TIMER 1
EXAMEN MICROPROCESSEURS ET MICROCONTROLEURS
BIBLIOGRAPHIE