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LEÇON 3 : LES MICROPROCESSEURS Table des matières I - Objectifs ...............

LEÇON 3 : LES MICROPROCESSEURS Table des matières I - Objectifs ...................................................................................... 3 II - Introduction aux Microprocesseurs ............................................. 4 1. Définition d'un microprocesseur ................................................................................................................................................ 4 2. Fonctionnement d'un micro-processeur .................................................................................................................................... 4 3. Caractéristiques d'un microprocesseur ...................................................................................................................................... 5 4. Évolution des micro-processeurs ................................................................................................................................................ 6 III - Structure d'un microprocesseur ............................................................................................................. 8 1. Composition d'un microprocesseur ............................................................................................................................................ 8 2. Structure de base d'un processeur ............................................................................................................................................. 8 3. Schéma fonctionnel .................................................................................................................................................................... 9 4. L'unité de traitement .................................................................................................................................................................. 9 5. L'unité de commande ............................................................................................................................................................... 10 6. Les registres .............................................................................................................................................................................. 11 7. Les mémoires caches ................................................................................................................................................................ 11 IV - Les Architectures de base de Processeur .............................................................................................. 13 1. L'architecture CISC .................................................................................................................................................................... 13 2. L'architecture RISC .................................................................................................................................................................... 13 3. Améliorations technologiques de l'architecture de base de microprocesseur......................................................................... 14 3.1. Le pipeline ................................................................................................................................................................................................................... 15 3.2. Notion de cache mémoire ........................................................................................................................................................................................... 18 3.3. Le parallélisme ............................................................................................................................................................................................................ 19 3.4. La technologie superscalaire ....................................................................................................................................................................................... 20 3.5. Architecture pipeline et superscalaire ......................................................................................................................................................................... 21 3.6. HyperThreading .......................................................................................................................................................................................................... 22 3.7. Le Multi-cœurs ............................................................................................................................................................................................................ 23 3.8. Multithreading simultané et architecture multi-cœurs ............................................................................................................................................... 27 3.9. Les processeurs vectoriels ........................................................................................................................................................................................... 27 4. Les Processeurs à architecture ARM ......................................................................................................................................... 28 5. Les processeurs spéciaux .......................................................................................................................................................... 29 5.1. Le microcontrôleur ................................................................................................................................................................................. 29 5.2. Le processeur de signal .......................................................................................................................................................................... 30 3 Objectifs À la fin de cette leçon, vous serez capable de : Décrire la structure et la composition d'un microprocesseur; Décrire les différentes architectures de microprocesseur; Décrire les caractéristiques d'un microprocesseur ; Décrire le fonctionnement du microprocesseur. 4 Introduction aux Microprocesseurs Introduction aux Microprocesseurs Objectifs Définir un microprocesseur ; Décrire le fonctionnement d'un microprocesseur ; Présenter les grandes caractéristiques d'un microprocesseur ; Présenter l'évolution d'un microprocesseur. 1. Définition d'un microprocesseur Un microprocesseur ou CPU (Central Processing Unit) est l'organe de l'ordinateur qui permet d'exécuter les instructions des programmes informatiques en mémoire. C'est un circuit intégré complexe caractérisé par une très grande intégration et doté des facultés d'interprétation et d'exécution des instructions d'un programme. Il représente le cerveau ou moteur de l'ordinateur. Un microprocesseur est un processeur dont la taille a été miniaturisée pour que les composants soient réunis en un seul circuit intégré. Le terme microprocesseur et processeur sont donc équivalents. A l'heure actuelle, un microprocesseur regroupe sur quelques millimètres carrés des fonctionnalités toujours plus complexes. Leur puissance continue de s'accroître et leur encombrement diminue régulièrement respectant toujours, pour le moment, la fameuse loi de Moore. 2. Fonctionnement d'un micro-processeur Le processeur (noté CPU, pour Central Processing Unit) est un circuit électronique cadencé au rythme d'une horloge interne, grâce à un cristal de quartz qui, soumis à un courant électrique, envoie des impulsions, appelées « top ». La fréquence d'horloge (appelée également cycle, correspondant au nombre d'impulsions par seconde, s'exprime en Hertz (Hz). Ainsi, un ordinateur à 1 GHz possède une horloge envoyant 1 000 000 000 de battements par seconde. Une instruction qui requiert 6 cycles d'horloge sera donc exécutée en un temps de : 6 x (1/1 000 000 000) = 6 ns (6 x 10-9). I 5 La fréquence d'horloge est généralement un multiple de la fréquence du système (FSB, Front-Side Bus), c'est-à- dire un multiple de la fréquence de la carte mère. Introduction aux Microprocesseurs A chaque top d'horloge le processeur exécute une action, correspondant à une instruction ou une partie d'instruction. L'indicateur appelé CPI (Cycles Par Instruction) permet de représenter le nombre moyen de cycles d'horloge nécessaire à l'exécution d'une instruction sur un microprocesseur. La puissance du processeur peut ainsi être caractérisée par le nombre d'instructions qu'il est capable de traiter par seconde. L'unité utilisée est le MIPS (Millions d'Instructions Par Seconde) correspondant à la fréquence du processeur que divise le CPI. 3. Caractéristiques d'un microprocesseur Des paramètres principaux permettent de caractériser un microprocesseur : son architecture sa fréquence taille des registres généraux : 32 ou 64 bits niveaux de cache : L1, L2, L3 nombre de cœurs technologies de l'HyperThreading, de Virtualisation, turbo boots, pipeline, etc. jeu d'instructions SSE, AVX La puce graphique : la plupart des processeurs de nos jours embarquent une puce HD Graphics 2000 ou 3000. Ce GPU intégré suffit à toutes les tâches bureautiques et même à des jeux. condition de limiter la résolution. ... Les 2 facteurs principaux (architecture, fréquence) conditionnent les performances de la machine qui sont mesurées : soit en MIPS (million of instructions per second) : pour les instructions sur les entiers ; soit MFLOPS (million of floating point operations per second) : pour les calculs sur les réels ; soit en secondes par l'intermédiaire d'applications spécifiques (bureautique, jeux, multimédia, ...). Complément : Processeurs 32 bits et 64 bits Un processeur est dit 32 bits ou 64 bits si la largeur de ses registres généraux a une taille de 32 ou 64 bits. Un saut technologique avait déjà été franchi lors de l'apparition du Intel 80386 qui permettait le passage du 16 bits au 32 bits. Complément : Qu'en est-il des performances de l'architecture 64 bits ? si on exécute un programme 32 bits dans une architecture 64 bits, on obtient normalement les mêmes performances qu'en 32 bits, ce qui semble normal. par contre, si on recompile un programme en 64 bits, il s'exécute plus rapidement en mode 64 bits que sa version 32 bits. En effet : 1. d'une part le code est moins long (i.e. comprend moins d'instructions, même si généralement la taille du programme est plus longue) 2. et d'autre part, il est naturellement optimisé par le fait que l'on peut utiliser plus de registres et donc faire moins souvent appel à la mémoire en étant contraint de sauvegarder temporairement des données ou de les recharger (cf. produit de matrices en assembleur). Les processeurs 32 bits ne peuvent normalement pas adresser plus de 4 Gio (232 octets) de mémoire centrale, tandis que les processeurs 64 bits peuvent en adresser 16 Eio (264 octets). C'est pourquoi dès qu'il y a plus de 4 Gio de RAM sur une machine, la mémoire au-delà de ce seuil ne sera directement adressable qu'en mode 64 bits. 6 AMD fut le premier à introduire la technologie 64 bits en 2003 avec ses processeurs Athlon 64 (architecture K8). Les Athlon 64 ont pour caractéristique de pouvoir exécuter des programmes aussi bien en 32 bits qu'en 64 bits. On parle également d'architecture x86-64. Introduction aux Microprocesseurs Des tests ont montré que pour certains programmes, le passage en 64 bits permet de diminuer de 2/3 le temps d'exécution par rapport au 32 bits avec les Core 2 Duo. 4. Évolution des micro-processeurs En 1969, le microprocesseur a été inventé par un ingénieur et un physicien d'Intel : Marcian Hoff (surnommé Ted Hoff) et Federico Faggin. Marcian Hoff a formulé l'architecture du microprocesseur (une architecture de bloc et un jeu d'instructions). Le premier microprocesseur commercialisé, le 15 novembre 1971, est l'Intel 4004 4 bits, suivi par l'Intel 8008 à 8 bits et qui servi initialement à fabriquer des contrôleurs graphiques en mode texte. Jugé trop lent par le client qui en avait demandé la conception, il devint un processeur d'usage général. Ces processeurs sont les précurseurs des Intel 8080, Zilog Z80, et de la future famille des Intel x86. Federico Faggin est l'auteur d'une méthodologie de conception nouvelle pour la puce et la logique, fondée pour la première fois sur la technologie silicon gate développé par lui en 1968 chez Fairchild. Il a aussi dirigé la conception du premier microprocesseur jusqu'à son introduction sur le marché en 1971. Le leader incontesté sur le marché des microprocesseurs pour le standard PC malgré est Intel, concurrencé par AMD (Advanced Micro Devices), compagnie américaine a été fondée en 1969. 7 Introduction aux Microprocesseurs Selon la loi de Moore, édictée en 1965 par Gordon E. Moore, cofondateur de la société Intel, prévoyait que les performances des processeurs (par extension le nombre de transistors intégrés sur silicium) doubleraient tous les 12 mois. Cette loi a été révisée en 1975, portant le nombre de mois à 18. La loi de Moore se vérifie encore aujourd'hui. 8 Structure d'un microprocesseur Objectifs Décrire la structure et la composition d'un microprocesseur ; 1. Composition d'un microprocesseur Un processeur n'est pas une unité de calcul. Cette dernière est incluse dans le processeur, mais il est composé : d'une unité de traitement pour le traitement des données (Les calculs arithmétiques et logiques). d'une unité de commande et de contrôle (UC ou UCC) qui contrôle le mouvement des données et des instructions, ainsi que les opérations de l'UAL. des registres spécifiques pour le stockage temporaire des données et instructions Une unité de gestion des bus (ou unité d'entrées-sorties), qui gère les flux d'informations entrant et sortant, en interface avec la mémoire vive du système ; d'une horloge qui fournit un signal régulier pour synchroniser tout le fonctionnement du processeur. Elle est présente dans les processeurs synchrones mais absente des processeurs asynchrones et des processeurs autosynchrones. 2. Structure de base d'un processeur Un microprocesseur est construit autour de deux éléments principaux : Une unité de commande Une unité de traitement associé à des registres chargées de stocker les différentes informations à traiter. uploads/Ingenierie_Lourd/ lecon-3-papier.pdf