Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 02/09/2016

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  Préparation du Matériel     Essai du Circuit d'Horloge    Bas de page


Schéma Synoptique d'un Micro-ordinateur et Essai du Circuit d'Horloge du Microprocesseur :


Lorsqu'au milieu des années soixante, l'industrie électronique commença à produire des circuits intégrés à usage civil, la technique de fabrication des microcircuits était encore rudimentaire.

En quelques années, le nombre des composants (transistors, diodes, résistances, microcondensateurs ...) inclus dans un même boîtier passa de quelques unités à quelques dizaines puis plusieurs milliers. Mais c'est l'apparition du microprocesseur en 1971 qui révolutionna véritablement la technologie.

Dans cette pratique et les suivantes, nous allons pas traiter tous les microprocesseurs les uns à la suite des autres, ils sont relativement nombreux, Pentium I à Pentium IV, AMD, etc... Par conséquent, nous avons choisi le microprocesseur Z80 ou son équivalent, ce dernier est fort bien pour comprendre son fonctionnement, sachez bien que tous les microprocesseurs fonctionnent de la même façon et que l'architecture est plus ou moins complexe selon les types des microprocesseurs.



1. - MICROPROCESSEURS ET MICRO-ORDINATEURS

Le microprocesseur n'est en effet, plus limité à la réalisation d'une tâche unique mais peut exécuter un programme composé selon les besoins de l'utilisateur. En d'autres termes, les opérations effectuées par le microprocesseur sont exécutées d'après une suite d'instructions élémentaires qui définissent, instant après instant, la tâche du microprocesseur.

Des programmes différents permettent à un même microprocesseur d'exécuter des fonctions arithmétiques ou logiques différentes, selon les nécessités de chacun d'entre vous. Pour cette raison, le microprocesseur est utilisé comme unité centrale (en anglais : Central Processing Unit, CPU) dans les systèmes gérés par micro-ordinateur.

La figure 1 représente le schéma synoptique d'un système typique contrôlé par micro-ordinateur ; l'unité centrale (CPU) à microprocesseur constitue le cœur du système ; un oscillateur à quartz permet la synchronisation nécessaire au déroulement successif des instructions.

Schema_synoptique_d_un_Micro_ordinateur.GIF 

Les programmes et les données utilisées sont stockées dans la mémoire qui se décompose en deux parties.

Une partie composée d'une mémoire ROM contient les données permanentes du système qui servent au fonctionnement du microprocesseur et qui ne doivent pas être perdues lorsqu'on coupe l'alimentation, l'autre partie est constituée par une mémoire RAM et contient les données et les programmes utilisés temporairement.

L'interface I / O (Input / Output) appelée interface d'entrée / sortie en français, ou E / S, permet le dialogue bidirectionnel entre l'unité centrale et d'autres dispositifs appelés périphériques, tels que clavier ou écrans.

Trois ensembles de liaisons, appelés BUS, transportent les signaux de contrôle, les données, les adresses de mémoires, permettant ainsi le dialogue entre chaque sous-ensemble.

Étant programmable, un système à micro-ordinateur permet une grande souplesse d'utilisation et peut donc être relié à des terminaux de nature très diverses.

Lorsque l'ordinateur est utilisé pour résoudre des problèmes de gestion ou de calcul, certains périphériques, tel le clavier, permettent le dialogue entre l'homme et la machine.

Les périphériques de sortie les plus utilisés par le micro-ordinateur sont l'écran et l'imprimante. Toutefois, il est souvent utile de conserver les données et les programmes que la mémoire du micro-ordinateur ne peut conserver faute de place ; dans ce cas, le stockage se fait au moyen de bandes magnétiques ou de disques magnétiques que l'on appelle mémoire de masse.

Lorsque l'on désire envoyer ou recevoir des informations à distance, on utilise les lignes téléphoniques ; il est alors nécessaire de mettre en œuvre des interfaces spéciales appelées MODEM.

Le micro-ordinateur peut être utilisé également pour le contrôle de processus industriels, pour commander des robots (soudure) ou des machines-outils. Dans ces derniers cas, les organes terminaux ou périphériques peuvent être constitués de simples interrupteurs, de sondes de températures, de capteurs de pression, de détecteurs de fin de course ...

La complexité des circuits et des dispositifs reliés à l'unité centrale peut varier selon le type d'application, mais la structure du système reste fondamentalement identique.

Dans les pratiques qui vont suivre, on a choisi le microprocesseur Z80 parmi d'autres et cela vous permettra de connaître toutes les instructions nécessaires au bon fonctionnement de ce dernier. Sachez bien que tous les microprocesseurs fonctionnent de la même façon, il suffit de bien comprendre les codes binaires ainsi que les codes hexadécimaux, l'assembleur ..., et le fonctionnement des divers circuits digitaux qui entourent les microprocesseurs et ses environnements ...

Si vous avez suivi scrupuleusement nos leçons d'électroniques théoriques et les montages des pratiques digitales à cette adresse : http://www.electronique-et-informatique.fr/Electronique-et-Informatique/Digit/Sommaire_digital.php puis celle-ci : http://www.electronique-et-informatique.fr/Electronique-et-Informatique/Digit/Sommaire_Pratique_Digit.php, alors, vous n'aurez pas de mal à comprendre le processus.

Une fois l'expérience du hardware acquise, nous aborderons progressivement l'élaboration des programmes nécessaires à l'exploitation du micro-ordinateur.

      Microprocesseur Z80 :

C'est un microprocesseur à 8 bits, capable d'exécuter 158 instructions différentes et d'adresser 64 K octets de mémoire.

      Mémoires :

Mémoires de type ROM ou RAM jusqu'à un maximum de 64 K octets.

      CTC (Counter / Timer Circuit ou circuit de comptage / temporisation) :

C'est un circuit qui peut être utilisé comme compteur ou comme temporisateur pour établir la séquence des instructions.

      Générateur d'horloge :

C'est le circuit qui délivre les impulsions d'horloge nécessaires au déroulement d'un programme. Il est composé d'un oscillateur à quartz qui génère un signal carré de 5 MHz et d'un diviseur permettant d'obtenir 2,5 MHz.

      Circuit WAIT :

Ce circuit permet de ralentir le microprocesseur lorsqu'on utilise des mémoires ou des périphériques lents.

      Circuit d'interruption (INTERRUPT) :

Ce circuit permet d'interrompre le travail normal de l'ordinateur pour effectuer le travail demandé par un périphérique.

      Ensemble tampon d'entrée / sortie UC :

C'est un ensemble constitué de trois buffers utilisés comme amplificateurs-séparateurs entre la carte UC et les dispositifs qui y sont raccordés.

      Autres composants :

Sur votre clavier par exemple, se trouvent d'autres circuits intégrés qui permettent de générer les signaux de contrôle relatifs à l'utilisation du clavier, du PIO, du moniteur vidéo et de l'interface cassette, etc...

Dans cette pratique, vous examinerez les circuits de l'unité centrale suivants :

  • l'horloge,

  • le circuit de remise à zéro,

  • le décodage des mémoires,

  • le circuit d'attente (WAIT)

Les expériences que vous allez réaliser vous permettront de comprendre le principe de fonctionnement des circuits et de tester le bon fonctionnement des composants.

HAUT DE PAGE 2. - PRÉPARATION DU MATÉRIEL

Pour réaliser les expériences prévues dans cette pratique, il vous sera nécessaire d'utiliser les composants suivants :

A noter : Il vous faut également un Programmateur PROM afin de programmer cette mémoire. Vous trouverez le listing de cette programmation qui sera donné en code hexadécimal, c'est-à-dire les entrées d'adresses de mémoire, tandis que les données seront en code binaire à la figure 14 (sortie de la mémoire PROM). A titre d'exemple, voir la leçon pratique électronique digitale N° 12 à cette adresse : http://www.electronique-et-informatique.fr/Electronique-et-Informatique/Digit/Pratique/Digit_12PS1.php

  • 1 résistance de 100 W - 1 / 4 W à   ±   5 %

  • 1 résistance de 27 kW - 1 / 4 W à   ±   5 %

  • 1 résistance de 220 W - 1 / 4 W à   ±   5 %

  • 1 résistance de 22 W - 1 / 4 W à   ±   5 %

  • 2 résistances de 10 kW - 1 / 4 W à   ±   5 %

  • 8 résistances de 1 kW  - 1 / 4 W à   ±   5 %

  • 1 condensateur de 33 pF

  • 1 condensateur de 2,2 nF

  • 1 condensateur électrolytique au tantale de 1 µF

  • 1 condensateur électrolytique au tantale de 68 µF

  • 1 diode 1N 4148

  • 1 transistor BC 559 ou son équivalent

  • 1 circuit intégré 74LS00

  • 1 circuit intégré 74L121

  • 1 circuit intégré 74S472 (PROM) ou son équivalent

  • 1 circuit intégré 74LS14

  • 1 circuit intégré 74LS125

  • 1 circuit intégré 74LS393

  • 1 circuit intégré 74LS74

  • 5 tresses de fil rigide isolé (vert, rouge, noir).

HAUT DE PAGE 3. - PREMIÈRE EXPÉRIENCE : ESSAI DU CIRCUIT D'HORLOGE  (CLOCK)

Un microprocesseur est un circuit synchrone, c'est-à-dire qu'il est synchronisé au moyen d'un signal d'horloge.

Toutes les opérations, qu'il effectue séquentiellement, sont rythmées par le signal d'horloge ou un signal de fréquence différente multiple ou sous-multiple du signal d'horloge initial.

Il est donc nécessaire de disposer d'un signal d'horloge de fréquence stable et précise, c'est pour cela qu'on utilise des montages à quartz.

L'oscillateur générant le signal d'horloge fait partie des circuits implantés sur la carte UC, il se présente sous la forme d'un boîtier métallique équipé de broches métalliques pour le câblage. La fréquence du signal fourni est de 5 MHz.

Le circuit oscillateur qui fournit le signal d'horloge n'est pas directement relié au microprocesseur, en effet, la liaison s'effectue au moyen d'une bascule D et d'un transistor PNP comme l'indique le schéma de la figure 2.

Schema_electrique_du_circuit_d_horloge.GIF  

La bascule D est montée en diviseur par 2 et permet de rendre symétriquement le signal carré produit par l'oscillateur. Il peut en effet arriver que le signal produit par l'oscillateur soit asymétrique, c'est-à-dire que le temps pendant lequel le signal de sortie est au niveau haut soit différent de celui pendant lequel il est au niveau bas, comme représenté à la figure 3.

Chronogramme_des_signaux_d_horloge.GIF

Le Flip-flop "D" bascule à chaque front montant du signal présent à l'entrée D, c'est-à-dire au début de chaque période. Comme la période du signal d'entrée est très précise, le signal obtenu en sortie du diviseur par deux est de période moitié et également très stable. Ainsi, le temps pendant lequel la sortie est haute sera égal à celui pendant lequel elle est basse d'où un rapport cyclique de 1.

Compte tenu de la fréquence élevée du signal, afin d'obtenir un bon fonctionnement du circuit diviseur, on utilise un circuit de technologie TTL. Mais l'usage d'un tel circuit implique, compte tenu que le microprocesseur Z80 est un circuit de technologie MOS, certaines modifications seront utiles dans cette pratique.

En effet, le signal d'horloge nécessaire au microprocesseur doit être caractérisé par un niveau bas compris entre 0 V et 0,8 V et un niveau haut compris entre 4,4 V et 5 V.

Le niveau bas de la tension disponible à la sortie du Flip-flop 74LS74 peut être compris entre 0 V et 0,4 V avec une valeur typique de 0,2 V, il est donc acceptable ; par contre, le niveau haut peut être compris entre 2,4 V et 4 V avec une valeur typique de 3,4 V, donc non valable pour commander le microprocesseur Z80.

La solution pour que le signal du Flip-flop D soit reconnu par le microprocesseur est d'interposer un circuit d'adaptation à transistor afin d'amener le niveau haut du Flip-flop à la valeur adéquate, comme le montrera l'expérience suivante.

3. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT

a) Assurez-vous que l'interrupteur de mise en service du digilab est sur la position OFF et que le voyant d'alimentation soit éteint.

b) Insérez sur la plaquette à contacts le circuit intégré 74LS74 (double bascule D de technologie TTL Schottky), les résistances et le condensateur tel que représenté figure 4. Ne mettez pas pour l'instant le transistor en place.

c) Effectuez les connexions indiquées à la figure 4.

Montage_du_circuit_d_horloge.JPG

3. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT

a) Mettez le digilab en service et observez la LED L0 : la lampe sera allumée ou éteinte selon la position du Flip-flop D à la mise sous tension.

b) Si L0 est allumée, appuyez sur la touche P0 pour l'éteindre.

c) Mesurez la tension entre la masse et le point A, extrémité de la résistance R2 : vous devez trouver entre 0 et 0,4 Volt, c'est-à-dire un niveau bas compatible avec celui demandé par le microprocesseur.

d) Appuyez sur le bouton P0 de façon que la LED L0 soit allumée (simulation du signal CLOCK).

e) Mesurez la tension entre la masse et le point A ; vous devez trouver environ 3,4 Volts.

Vous venez donc de constater que le niveau haut de la tension de sortie du Flip-flop est inadapté à la commande de l'entrée d'horloge du microprocesseur.

f) Mettez le digilab hors tension et insérez le transistor BC 559 dans la position indiquée à la figure 4.

g) Allumez le digilab et répétez les mesures précédentes. Vous remarquez que le niveau bas reste le même alors que le niveau haut atteint maintenant un niveau compris entre 4,5 V et 5 Volts, donc remplissant parfaitement les conditions voulues.

3. 3. - CONCLUSION

Dans cette expérience, vous avez vérifié pratiquement le fonctionnement du circuit permettant d'adapter le signal issu de l'oscillateur à quartz aux exigences du microprocesseur.

Ce circuit est constitué d'une bascule, qui divise en deux la fréquence du signal carré issu de l'oscillateur de façon à le rendre symétrique, et, d'un transistor permettant d'adapter les niveaux du signal à ceux requis par le microprocesseur.

Lorsque la sortie Q de la bascule est au niveau haut, entre 2,4 V et 4 Volts, la sortie Q_barre.gif est au niveau bas, comprise entre 0 V et 0,4 Volt. Cette situation est illustrée à la figure 5.

Circuit_adaptation_d_horloge.GIF

Le transistor est conducteur lorsque entre la base et l'émetteur, il y a une tension d'au moins 0,6 V, ce qui ne se vérifie pas dans le cas considéré. En effet, si Q se trouve à un niveau de tension haute de 4 V, la tension entre la base de l'émetteur est de 0 Volt.

Par contre, dans le cas où le niveau Q correspond seulement à une tension de + 2,4 Volts, la valeur de la tension présente entre base et émetteur sera de :

Calcul_VBE_du_transistor_adaptation_BC559.GIF

Dans le premier comme dans le second cas, le transistor n'est pas polarisé, il est donc hors circuit ; c'est comme s'il n'existait pas. Dans ces conditions, on obtient à la sortie du circuit pour Q_barre.gif une tension comprise entre 0 et 0,4 Volt.

Lorsque par contre Q est au niveau bas (entre 0 et 0,4 Volt), la tension entre base et émetteur du transistor augmente jusqu'à 0,6 Volt.. Le transistor est donc saturé et fonctionne comme un interrupteur fermé. De cette façon, la sortie Q_barre.gif de la bascule est portée à + 5 Volts moins la chute de tension dans le transistor (VCE de saturation). Le niveau haut de tension sur Q_barre.gif est ainsi d'environ 5 Volts, valeur adaptée au microprocesseur.


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