Architecture d’un système informatique
rév 2016/07/09
Pour commander des enseignes ou des afficheurs à LED, c’est très souvent un microcontrôleur qui est utilisé. Voyons de quoi il s’agit.
Nous sommes tous familiers avec les systèmes informatiques, à commencer par nos ordinateurs de bureau et nos smartphones. À l’intérieur de tout système informatique se trouvent au moins :
Des lignes électriques, appelées bus relient ces éléments entre eux. Voici un schéma-bloc d’un système informatique :
Architecture d’un système informatique
Un microcontrôleur est aussi un système informatique. Sa particularité est qu’il est contenu dans un seul circuit intégré. L’architecture est la même que celle présentée sur la figure. Par rapport à une carte mère d’ordinateur, les éléments qui constituent un microcontrôleur sont généralement plus simples, moins performants, leur capacité est plus limitée :
L’intérêt des microcontrôleurs est leur coût très faible, souvent moins d’un euro, leur consommation de courant limitée à quelques milliampères et leur taille très réduite, vu qu’il s’agit d’un seul circuit intégré. Ils sont donc utilisés dans de très nombreuses applications.
Bien que des microcontrôleurs existent depuis les années 1970, ils se sont développés de manière spectaculaire depuis quelques années. Les microcontrôleurs actuels contiennent de la mémoire flash, qui facilite l’écriture du programme qui doit s’exécuter.
Alors qu’il était encore complexe et coûteux de mettre en œuvre un microcontrôleur au début des années 2000, cette tâche est maintenant beaucoup plus simple et ne nécessite que du matériel très peu coûteux. Il est possible de les programmer alors qu'ils sont soudés sur leur circuit définitif, au moyen de quelques fils. Les microcontrôleurs sont donc devenus des composants électroniques incontournables, modifiant profondément la manière de concevoir les circuits électroniques.
Beaucoup de fabricants proposent des microcontrôleurs (Microchip-Atmel, Texas-Instrument, NXP, ST-micro, Cypress, etc.). Chaque fabricant offre souvent plusieurs familles de microcontrôleurs (PIC, dsPIC chez Microchip, AVR, AVR32, ARM chez Atmel, MSP430, MSP432 chez Texas Instruments, etc.) Chaque famille comporte souvent des dizaines, voire des centaines de modèles, qui diffèrent les uns des autres principalement par les tailles mémoires (RAM et ROM) et le nombre de broches d’entrée-sortie.
À titre d’exemple, le processeur MSP430G2253 de Texas Instruments contient :
Les microcontrôleurs de la famille MSP430G sont disponibles dans plusieurs boîtiers, dont le DIL20 (Dual-In-Line 20 pins), facile à mettre en œuvre. Voici son brochage :
Brochage du MSP430G2553
Un microcontrôleur est à la fois un composant électronique et un système informatique. Il nécessite donc une mise en œuvre matérielle et une mise en œuvre logicielle. En d’autres termes, il est à la frontière entre l’électronique et l’informatique. De ce fait, il nécessite les compétences d’un électronicien et d’un informaticien !
Chaque broche est désignée par un ou plusieurs noms. Identifions les trois groupes de broches indispensables à la réalisation d’un premier montage fonctionnel à microcontrôleur :
Les microcontrôleurs sont presque toujours réalisés en technologie CMOS et nécessitent une alimentation unique. Les MSP430 acceptent une tension comprise entre 1,8 et 3,6 V. Deux piles AA ou AAA de 1,5 V montées en série peuvent donc convenir. La borne négative de l’alimentation est souvent désignée par Gnd (Ground : masse). C’est la broche 20 du MSP430G2553. La borne positive est notée 3 V, c’est la broche 1.
La fonction Rst ou Reset est câblée sur la broche 16. Le Rst est une entrée du circuit. Notez la barre sur son nom : cela signifie que cette entrée est active à 0. On le note aussi parfois avec le signe barre oblique (ou slash) / précédant le nom : /Rst. C’est une bonne habitude de mettre en évidence qu’un signal est actif à 0. Il sera nécessaire de fixer à l’état 1 la broche RST pour le fonctionnement normal du microcontrôleur. C’est une résistance reliée au +3 V qui joue ce rôle. On parle de résistance de tirage (en anglais pull-up : tirer vers le haut). Une valeur d’environ 47 kΩ convient dans ce cas.
La programmation des MSP430 peut se faire par l’intermédiaire de deux signaux : le RST et un signal nommé TEST (broche 17). Il n’est pas nécessaire de comprendre le rôle exact de ce signal. Il est généré par le logiciel de programmation qui s’exécute sur un ordinateur, par exemple Code Composer Studio ou Energia. Il est transmis par un programmateur, par exemple celui inclus dans le LaunchPad MSP430.
Les autres broches du MSP430G2553 sont des entrées-sorties. Elles sont regroupées en 2 ports : P1 et P2. Ces deux ports sont complets : ils comportent chacun 8 broches. D’autres versions du MSP430 sont proposées en boîtier à 14 broches (DIL 14). Dans ce cas, les broches P2.0 à P2.5 n’existent pas.
Un microcontrôleur est un composant électronique. Il va trouver sa place dans un schéma électronique pour sa mise en œuvre :
Schéma de mise en œuvre d’un microcontrôleur
Ce schéma est très simple. En plus du microcontrôleur, on y trouve une LED, connectée à la broche P1.0, avec sa résistance de limitation du courant reliée en série vers la masse. Notez la présence d’un condensateur de découplage entre le + et le -. Les électroniciens savent qu’il est utile pour filtrer l’alimentation. On peut dire qu’il est une petite réserve de charges électriques. Sa valeur est souvent de 100 nF. Il sera placé le plus près possible du circuit intégré.
L’entrée Reset est maintenue à l’état logique 1 par une résistance reliée à l’alimentation positive, appelée résistance de tirage. Les signaux Reset et Test sont reliés à un connecteur, comportant aussi des broches pour l’alimentation. C’est par ce connecteur que le microcontrôleur pourra être programmé.
L’assemblage de composants électroniques se fait le plus souvent sur un circuit imprimé (PCB : Printed Circuit Board). Pour des montages de test, il est possible d’utiliser des techniques de montage sans soudure, tels que les plaques d’expérimentation, appelées en anglais breadboard.
Voici un exemple de montage :
Mise en œuvre d’un MSP430 sur un Breadboard
Notez qu’un MSP430G2231 a été utilisé dans cet exemple, avec seulement 14 broches.
La programmation d’un microcontrôleur se fait à travers ses broches de programmation. Un programmateur doit être utilisé, au moins pour la première programmation.
Dans le cas du MSP430G, la carte LaunchPad contient un programmateur capable de générer les signaux Reset et Test nécessaires à la programmation.
Mise en œuvre d’un MSP430 sur un Breadboard
Il est aussi possible de programmer un microcontrôleur sans utiliser un programmateur. Dans ce cas, le microcontrôleur doit déjà avoir initialement été programmé avec un programme appelé Bootloader, contenu dans une partie de la mémoire du microcontrôleur. Ce programme est capable de recevoir un programme de l’extérieur et de le programmer dans une autre partie de la mémoire.
L’exemple le plus connu est la carte Arduino :
Carte Arduino Uno