Introduction aux systèmes Numériques Introduction aux systèmes

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systmes Numriques MEEA

Introduction aux systmes

Numriques

Introduction aux systmes

Numriques

Fabrice CAIGNETLAAS - [email protected]

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I : Introduction aux systmes

- gnralits sur les systmes

- les diffrents types de systmes numriques

II. Les FPGA

III. Le langage VHDL

IV. Les convertisseurs CAN et CAN

III. Protocole de communication : bus CAN

Plan du Cours dintroductionPlan du Cours dintroduction

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I. Notions lmentaires en lectroniques numrique- lectronique Analogique- lectronique Numrique

II. Notions dvolution des techniquesIII. Notion hirarchique de conceptionIV. Les systmes actuels.

- Microcontrleur- FPGA- DSP- ASIC

I. Introduction aux systmesI. Introduction aux systmes

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Le signal analogiqueLe signal analogique

t(s)

Grandeur

Un signal volue dans le tempsLe signal est dfinit par sa grandeur physique (V, T, P)On dira que le signal est continu.

Un signal volue dans le tempsLe signal est dfinit par sa grandeur physique (V, T, P)On dira que le signal est continu.

I : Notions lmentaires en lectroniques numriqueI : Notions lmentaires en lectroniques numrique

Les caractristiques principales des signaux analogiques sont : - leur dynamique : caractrisant l'chelle de variation

de l'amplitude - le temps caractristique d'volution temporelle mais aussi le

spectre des frquences transmettre.

Les caractristiques principales des signaux analogiques sont : - leur dynamique : caractrisant l'chelle de variation

de l'amplitude - le temps caractristique d'volution temporelle mais aussi le

spectre des frquences transmettre.

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Exemple de chane de traitement analogique (schma de Thevenin quivalent)Exemple de chane de traitement analogique (schma de Thevenin quivalent)

e

Z Ze

e' = GTe

ZSZC

Capteur Chane de traitement Charge

Ex : HIFI, tlphonie analogique, radio,Ex : HIFI, tlphonie analogique, radio,

transforme les variations continues de la grandeur physique prlever (dplacement, vitesse, pression,..) en variations continues d'un signal lectrique (tension, courant)

amplification, oprations diverses, filtrage, modulation, dmodulation

charge destine restituer l'utilisateur l'information initiale prleve par le capteur

Notion de traitement analogiqueNotion de traitement analogique

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caractristique de la chane de traitement analogiquecaractristique de la chane de traitement analogique

Dans la chane de traitement, la source de tension y est caractrise par la relation :e' = GT e

Dans la chane de traitement, la source de tension y est caractrise par la relation :e' = GT e

Chaque lment de la chane ci-dessus dforme plus ou moins le signal d'entre car tous ses harmoniques ne sont pas traits de la mme manire.

Chaque opration effectue rajoute une composante parasite caractre alatoire en amplitude et en frquence dite bruit, leurs effets tant cumulatifs. L'amplitude du bruit rsultant peut tre minimise mais jamais annule

Cela se traduit par :

une valeur minimale de l'amplitude du signal que l'on pourra traiter,

valeur en dessous de laquelle on ne pourra pas le distinguer du bruit.

Il y a aussi une limitation haute de cette amplitude correspondant la

distorsion due aux phnomnes de rponse non linaire

Cela se traduit par :

une valeur minimale de l'amplitude du signal que l'on pourra traiter,

valeur en dessous de laquelle on ne pourra pas le distinguer du bruit.

Il y a aussi une limitation haute de cette amplitude correspondant la

distorsion due aux phnomnes de rponse non linaire

Notion de traitement analogiqueNotion de traitement analogique

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Le signal numriqueLe signal numrique

t(s)

Un signal volue dans le tempsLe signal nest dfinit que par deux grandeurs , 0 ou 1On dira que le signal est discret

Un signal volue dans le tempsLe signal nest dfinit que par deux grandeurs , 0 ou 1On dira que le signal est discret

1

0

Vdd

0

tension(V)

DfinitionDfinition

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Principe :Principe :

Les signaux analogiques sont limages de grandeurs physiques :

Temprature pression dbits ...

Grandeurs Physiques(capteur)


Signal analogiqueSignal analogique

Conversion analogique/numrique


Exploitation analogique


Conversion numrique/analogique


Exploitation NumriqueStockage

Exploitation NumriqueStockage

Traitement de linformation


Les signaux numriques reprsentent des grandeurs :

Discrtes Quantifies Codes


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Exemple dapplication : la tlphonie mobile (GSM)Exemple dapplication : la tlphonie mobile (GSM)

Oprateur 1

Oprateur 2

52Kbit/sdonnes sries

52Kbit/sdonnes sries

CodageCodage

DcodageDcodageConversionN/AConversion

N/A

ConversionA/N

ConversionA/N


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Architecture simplifie de PCs : le systme numrique par excellence

Il est plus facile de transporter des informations binaires (0V ou 5V)Il est plus facile de traiter des informations binaires 0 ou 1

Il est plus facile de transporter des informations binaires (0V ou 5V)Il est plus facile de traiter des informations binaires 0 ou 1

entresentres mmoiremmoire sortiessorties

commandescommandes

arithmtiquearithmtique

A. Quest ce que llectroniques numrique?A. Quest ce que llectroniques numrique?

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Pull Up

VDD

VSS

Pull Down

IDD (0.5mA)

1

0

Pull Up

VDD

VSS

Pull Down

1

0Output capa

Output capaISS

(0.5mA)

Vin

Pourquoi est-il plus facile de travailler avec des 0 et des 1 (0V, et 5V)

Exemple avec linverseur CMOS


Les technologies CMOS sont des processus faciles raliser.

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composants


Systme

Porte lmentaire

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Signal analogiqueSignal analogique







Exploitation Numrique

Stockage

Exploitation Numrique

Stockage



La chane de traitement numriqueLa chane de traitement numrique


Le capteur transforme une grandeur physique variable en grandeur lectrique variable : on a un signal analogique variation continue dans le temps.

La charge restitue l'information prleve par le capteur sous forme analogique, seule forme "comprhensible" par le cerveau.

Echantillonneur-BloqueurPermet de discrtiser le signal dans le temps

Echantillonneur-BloqueurPermet de discrtiser le signal dans le temps

Convertisseur analogique-NumriqueConvertit les valeurs analogiques en nombres binaires

Convertisseur analogique-NumriqueConvertit les valeurs analogiques en nombres binaires

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La chane de traitement numrique : chantillonneur - bloqueurLa chane de traitement numrique : chantillonneur - bloqueur


tn-1 tn tn+1

t1 t2 t3t

u(t)

7

6

5

4

3

2

1

0

L'echantillonneur-bloqueurprlve les valeurs du signal des instants rgulirement ( ou pas) espacs dans le temps et mmorise ces valeurs dans une mmoire analogique (condensateur, par exemple, s'il s'agit d'une tension) : On passe d'une reprsentation continue

une reprsentation discrte

Signal analogique

Signal discrtis

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L'chantillonneurprlve les valeurs du signal des instants rgulirement ( ou pas) espacs dans le temps. On passe d'une reprsentation continue une reprsentation discrte

t

u(t)

tn-1 tn tn+1

t1 t2 t3

7

6

5

4

3

2

1

0

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Le bloqueur : mmorise ces valeurs dans une mmoire analogique (condensateur, par exemple, s'il s'agit d'une tension) : c'est l'opration de blocage

tn-1 tn tn+1

t1 t2 t3

t

u(t)

0

1

2

3

4

5

6

7

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La chane de traitement numrique : le Convertisseur analogique/Numrique : CAN

La chane de traitement numrique : le Convertisseur analogique/Numrique : CAN


Dune manire gnrale, convertir une grandeur analogique en une grandeur numrique et vis-et-versancessite deux oprations :

- la quantification : opration qui consiste associer une valeur analogique la plus petite variation mesurable entre deux valeurs codes distinctes en sortie. Cette valeur est appele quantum ou rsolution.

- Le codage : opration qui assigne une valeur numrique chacun de ces niveaux. Les codages les plus couramment utiliss sont :

Le binaire naturel, pour les nombres non signs, Le complment 2 pour les nombres signs, Le code binaire sign.

Dune manire gnrale, convertir une grandeur analogique en une grandeur numrique et vis-et-versancessite deux oprations :

- la quantification : opration qui consiste associer une valeur analogique la plus petite variation mesurable entre deux valeurs codes distinctes en sortie. Cette valeur est appele quantum ou rsolution.

- Le codage : opration qui assigne une valeur numrique chacun de ces niveaux. Les codages les plus couramment utiliss sont :

Le binaire naturel, pour les nombres non signs, Le complment 2 pour les nombres signs, Le code binaire sign.

nrefref

nMAX VVVeq

22+ =

=

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t

u(t)

tn-1 tn tn+1

t1 t2 t3

7

6

5

4

3

2

1

0

Signal quantifier

Quantum, rsolution

La chane de traitement numrique : quantificationLa chane de traitement numrique : quantification

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t

u(t)

tn-1 tn tn+1

t1 t2 t3

7

6

5

4

3

2

1

0

Codage

La chane de traitement numrique : codageLa chane de traitement numrique : codage

CodageBinaire naturel

000

001

010

011

100

101

110

111

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De manire intuitive, on peut comprendre que, tant donn un signal, si l'on prend des chantillons suffisamment proches les uns des autres et des tranches de quantification suffisamment fines il doit tre possible d'arriver au rsultat cherch. Mais on ne pourra pas aller vers des dcoupages extrmement fins sous peine de saturer les capacits de traitement et de stockage du systme numrique dont on dispose. D'ailleurs cela ne servirait qu' renforcer l'information relative au bruit contenu dans le signal analogique dlivr par le capteur et irait l'encontre du but recherch.


Exemple : chantillonnage dune tension allant de 0 5V

Sur 8 bits : 28 =256 combinaisons : Quantum = mVV 5,19

2565

=

Sur 10 bits : 210 =1024 combinaisons : Quantum = mVV 88,4

10245

=

La chane de traitement numrique : Convertisseur Analogique Numrique (CAN)

La chane de traitement numrique : Convertisseur Analogique Numrique (CAN)

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La chane de traitement numrique : rsumLa chane de traitement numrique : rsum

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Prdominance du numriquePossibilit de stockagePossibilit de transformationQuantit dinformation traitRduction des cots par standardisation

Les signaux sont par dfinition analogiquesperte d information dans la conversion : difficult de discrtisationtemps de conversion

Avantages inconvnients

Exemple des PC : Vitesse de traitement, quantit dinfos trait,

Avantages, inconvnients du passage au numriqueAvantages, inconvnients du passage au numrique


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Les semi-conducteurs : briques de base des systmes numriquesLes semi-conducteurs : briques de base des systmes numriques

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Les automobiles : injection directe, suspensions actives, freinage assist, contrle de la pression des pneumatiques, scurit de l'habitacle et airbag...

Les quipements domestiques : produits audio et vido, rfrigrateurs, lave-linges, sche-linges...

Les domaines dapplicationLes domaines dapplication

Application audio-visuelLes crans, tlphonesmobiles, moniteurs(LCD), PC, Television,

Les diffrents types de systmesLes diffrents types de systmes

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Les produits de rseaux : applications Internet, accsInternet par le cble, rseaux domestiques...

Contrle industriel : De nombreux produits lis au contrle industriel, au contrle d'applications et d'interface, aux systmes de scurit

Les domaines dapplicationLes domaines dapplication


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Systmes de scuritComposant

Equipments

Cartes

Source

Vision hirarchique des systmesVision hirarchique des systmes

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ST-microelectronicsST-microelectronics

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Les clients de ST-microelectronicsLes clients de ST-microelectronics

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Les clients de ST-microelectronics (suite)Les clients de ST-microelectronics (suite)

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Semiconductor Market Growth in 2004Semiconductor Market Growth in 2004

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Semiconductor Market Growth in 2004Semiconductor Market Growth in 2004

2004

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compartimentmoteur

habitablecoffre

chassis

Les diffrents types de systmes : automobileLes diffrents types de systmes : automobile

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- Fonctionnement moteur- Gestion de la boite de vitesse- Embrayage pilote- Capteurs /actionneurs- Boitier de servitude

Microcontroller 16 / 32 bitsFrquence d'horloge < 100MHz

Logiciel applicatif < 1 MoPuissance fournie < 50W

Boitier mtallique

Microcontroller 16 / 32 bitsFrquence d'horloge < 100MHz

Logiciel applicatif < 1 MoPuissance fournie < 50W

Boitier mtallique


Electronique moteur

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- ABS / Traction Control / EPS- Direction assiste lectrique- Suspension active- Frein de parking lectrique- Surveillance pression pneu- Capteurs / actionneurs

Electronique Chassis

Microcontroller 16 bitsFrequence d'horloge < 30MHz

Logiciel applicatif < 256 koPuissance fournie < 50w

Boitier plastique/mtallique

Microcontroller 16 bitsFrequence d'horloge < 30MHz

Logiciel applicatif < 256 koPuissance fournie < 50w

Boitier plastique/mtallique


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- Boitier de servitude- Boitier d'interconnexion- Airbag- Multimedia- Afficheur centralis- Anti-dmarrage / alarme

Microcontroller 8 / 16 bitsFrequence d'horloge < 16MHz

Logiciel application 128 koMixte Numerique /Puissance

Boitier plastique

Microcontroller 8 / 16 bitsFrequence d'horloge < 16MHz

Logiciel application 128 koMixte Numerique /Puissance

Boitier plastique

Electronique habitacle / coffreLes diffrents types de systmes : automobileLes diffrents types de systmes : automobile

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Capteurs - Vitesse- Temperature- Mcanique- Pression

Effet hallEffet piezolectrique

Effet inductif / capacitif /magntiqueDSP 16 bits

Frequence d'horloge < 10MHz

Effet hallEffet piezolectrique

Effet inductif / capacitif /magntiqueDSP 16 bits

Frequence d'horloge < 10MHz


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Architecture lectriqueRseaux de communication

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Augmentation des systmes lectriques dans les vhicules

2001Cout de l'electronique 20%

2010Cout de l'electronique 40%

Evolutions Les diffrents types de systmes : automobileLes diffrents types de systmes : automobile

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Electronique compartiment moteur /chassis- Generalisation des superviseurs moteur- Suppression des commandes mcaniques: cameless, frein / embrayage electriques- Boite manuelle pilote- Capteurs / Actionneurs intelligents

- Utilisation de 2 reseaux 12V et 36v - Generalisation du 36V- Vehicule mixte diesel / lectrique


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Electronique habitacle-Gnralisation des superviseurs habitacle - Suppression des commandes mcaniques :

Direction lectrique- Redondance des calculateurs pour la scurit- Affichage tte haute - Gnralisation du multiplexage, - 30% de fils-Augmentation des rseaux locaux

LIN ,CAN, TTP, MOST -Gnralisation de liaisons optiques pour les hauts dbits : 30Mbits/s -Utilisation de liaisons sans fils pour les quipements nomades: Bluetooth


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l

83 86 89 92 95 98 01 04

0.1

Canal l (m)

Anne

80286 80386486

pentiumpentium II

1.0

0.2

0.3

2.0

0.05

Recherche

ProductionIndustrielle

Recherche

volution LythographiqueComment cette volution est elle possible?Comment cette volution est elle possible?

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0.7m, 5V 100,000 transistors, 50MHz

0.12m, 1V 200M transistors, 1-5GHz

10 ans dvolution en Microlectronique10 ans dvolution en Microlectronique

1992 2003

Comment cette volution est elle possible?Comment cette volution est elle possible?

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volution Lythographique Anne de mise en production

Lithographie (m) 1995

0.35

1997

0.25

1999

0.18

2001

0.15

2003

0.12

2006

0.07

2009

0.05

Mmoires (Bits/Puce) 64M 256M 1G 1G 4G 16G 64G

Processeurs (Transistors/cm) 3M 4M 6.2M 10M 18M 84M 180M

Taille des puces (mm) 250 300 340 385 430 620 750

Frquences internes (MHz) 500 750 1250 1500 2100 6000 10000

Tension dalimentation (V) 3.3 2.5 2.0 1.8 1.5 0.7 0.6

Nombre de Broches des Processeurs

500 600 810 900 1100 2000 2700

Nombre de Broches des ASIC

800 1100 1500 1800 2200 4100 5500


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Signaux de plus en plus rapides

Les tensions dalimentation diminuent (Pb de rduction de consommation)

Rseau dinterconnexions complexe5 8 niveaux mtalliques ncessit doutils spcifiques 3D

CAO de plus en plus complexe pour supporter de trs hauts niveaux de conception (System On Chip) 1

2

56,25

10

12,513,5

0

2

4

6

8

10

12

14

AMS0

8Hc

mos6

Hcmo

s7Hc

mos8

Hcmo

s9Hc

mos10

Hcmo

s11

Frquence (GHz)

technologie

DFFD Q

H

T 2*T


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Les volutions en rsumLes volutions en rsum

Llectronique numrique tend sinstall de faon massive dans la plupart

des systmes (grand public, tlphonie, automobile, aronautique,

industries)

on prvoit une augmentation de la place de llectronique dans les systmes

de lordre de 20%-30% ces 10 prochaines annes

Ceci est grandement due lvolutions des techniques de gravures sur Si

Laugmentation du nombre de transistor par puces

Laugmentation des frquences de fonctionnement

Laugmentation des capacits de traitement numrique

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Vote travail de concepteur sera de concevoir des systmes dont la complexit et de lordre du million de portes (certainement plus en fin de carrire)

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Comment ralise-t-on un systme numrique?Comment ralise-t-on un systme numrique?

LayoutLayout

Briques de base

La porte lmentaireLa porte

lmentaire

Assemblage de porte pour la ralisation de

fonctions(plus ou moins

complexes)

Assemblage de porte pour la ralisation de

fonctions(plus ou moins

complexes)

Mise en place de librairies

Le SystmeLe Systme

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Etapes de conceptionEtapes de conception

Spcification de la

conception

Spcification de la

conception

Cahier des charges

Spcifications

Placement routage

Mise en Fabrication

Comportementale Structurelle

SynthseLibrairietechnologique

Rgles de dessinsExtraction

Simulation

Conception de circuits (numriques)


Mise en place du systme

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Les techniques de mise en oeuvre Les techniques de mise en oeuvre

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DESIGN

Architectural Design

Design EntryDesign Architect

FABRICATION

Version n

Test - Measurements

GONO GO

+ 6 mo

nths

+ $$$$

$$$$

Compliance ?

Version n

Fabrication

Systemspecification

Mthodologie de conception de systme

Choix des supports et Technologies


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Le cahier des charges du dveloppement dun systme doit prendreen compte les paramtres suivants :

Importance du Time To Market

Le cot de production Les performances La consommation L'intgration L'volution du produit La maintenance La protection industrielle

Trois alternatives existent :

Les ASIC (Application Specific integrated Circuits) Les Circuits rseaux programmables Les Microprocesseurs, microcontrleur, DSP

temps

Nb de ventes

Entreprise 1

Entreprise 2


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- Microprocesseurs - Microcontrleur- FPGA- DSP- ASIC


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LOGIQUE DIGITALE

LOGIQUE STANDARD LOGIQUE PROGRAMMABLEFPLD

ASIC CIRCUITS DEDIES

TTL CMOS

MICROPROCESSEURSMICROCONTROLEURS

MEMOIRESPLD FPGA CPLD

ENSEMBLESDE

PORTES

CELLULESTANDARD

Quels sont les supports pour la conception de systmesQuels sont les supports pour la conception de systmes

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Systmes microprocesseurs : volutionSystmes microprocesseurs : volution

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Systmes microprocesseurs : volution

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Systmes microprocesseurs (1985)Systmes microprocesseurs (1985)

Communications internes

Communications internes

Communications externes

Communications externes

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Systmes microprocesseurs : (2000)Systmes microprocesseurs : (2000)

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Systmes microprocesseurs : volutionSystmes microprocesseurs : volution

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Systmes microprocesseurs : System busSystmes microprocesseurs : System bus

volution des systmes de bus vers lintra-chip volution des systmes de bus vers lintra-chip

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Systmes microprocesseurs : System busSystmes microprocesseurs : System bus

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Systmes microprocesseurs : FutureSystmes microprocesseurs : Future

intgration massives des systmes de communication pour rduire les cots et les temps de latence

intgration massives des systmes de communication pour rduire les cots et les temps de latence

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Systmes Microprocesseurs : Principe de communicationSystmes Microprocesseurs : Principe de communication

Pas de relle diffrences dans les concepts de communicationPas de relle diffrences dans les concepts de communication

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Latence de propagationLatence de propagation

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Systmes MicrocontrleursSystmes Microcontrleurs

Un microcontrleur se prsente sous la forme

dun circuit intgr runissant tous

les lments dune structure base de microprocesseur.

Un microcontrleur se prsente sous la forme

dun circuit intgr runissant tous

les lments dune structure base de microprocesseur.

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Voici gnralement ce que lon trouve lintrieur dun tel composant :

Systmes MicrocontrleursSystmes Microcontrleurs

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Architecture gnrale des MicrocontrleursArchitecture gnrale des Microcontrleurs

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Architecture gnrale des Microcontrleurs : mise en placeArchitecture gnrale des Microcontrleurs : mise en place

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Les DSP (Digital Signal processing)Les DSP (Digital Signal processing)

Ce sont des processeurs ddis au traitement numrique du signal

Les DSP sont utiliss dans de nombreuses applications telles que Audio, Tlphonie, Radar, Sonar, TV numrique, Multimdia, Fax, Commande de Processus, etc

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Les avantages des DSP sont communs de nombreux systmes numriques, ils incluent :


Polyvalence : Les systmes numriques peuvent tre reprogramms pour dautres applications ( dans le cas o des DSP programmables sont utiliss ). Les systmes numriques peuvent tre ports sur des hardware diffrents

Reproduction : Les systmes numriques peuvent tre facilement dupliqus, ils ne dpendent pas de strictes tolrances de composants, leur rponse ne varie ni avec la temprature, ni avec le vieillissement

Simplicit : De nombreuses applications se ralisent plus facilement en numrique, quavec les systmes analogiques correspondants. Dautres ne peuvent tre implmentes que numriquement ( Compression sans pertes, Notch Filters, Filtres phase linaire) Leur version analogique est trs loin dtre aussi efficace. Rappelons que les filtres phase linaire sont partiellement responsables de la qualit sonore des lecteurs de CD.

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La plupart ont des caractristiques communes des DSP sont :


Ils utilisent une certaine quantit de mathmatiques ( Multiplication et

Addition de Signaux ).

Ils fonctionnent avec des Signaux en Temps rel.

Ils ont un certain temps de rponse.

Ils utilisent une certaine quantit de mathmatiques ( Multiplication et

Addition de Signaux ).

Ils fonctionnent avec des Signaux en Temps rel.

Ils ont un certain temps de rponse.

Lorsque des processeurs DSP dusage gnral sont utiliss, la plupart des applications traitent des signaux de frquence se situant dans la gamme Audio

Lorsque des processeurs DSP dusage gnral sont utiliss, la plupart des applications traitent des signaux de frquence se situant dans la gamme Audio

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Quelques DSP Actuel :

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