MICROPROCESSEUR. Nous prendrons comme exemple les processeurs Intel (qui sont le plus souvent utilisés dans les machines actuelles).

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1 MICROPROCESSEUR Le cerveau d un ordinateur est le microprocesseur, parfois appelé CPU ou tout simplement processeur. Le processeur effectue les calculs nécessaires au fonctionnement de l ordinateur et traite les données. Il est incontestablement la pièce la plus onéreuse de l ordinateur. Nous présenterons dans cette série de transparents les principes de base d un processeur et les différents modules qui composent ou régissent le micro-processeur. Nous prendrons comme exemple les processeurs Intel (qui sont le plus souvent utilisés dans les machines actuelles).

2 CARACTÉRISTIQUES DU PROCESSEUR Deux paramètres principaux contribuent à identifier un processeur : sa fréquence et sa largeur. La fréquence est un concept simple à comprendre, elle se mesure en mégahertz (MHz) et correspond au nombre de millions de cycles que le processeur est capable d effectuer par seconde. Plus cette valeur est élevée et plus le processeur est rapide. La largeur d un processeur est un concept un peu plus complexe, car le processeur possède en fait trois paramètres exprimés sous la forme d une largeur : le bus d E/S de données; les registres internes; le bus d adresses de mémoire.

3 FRÉQUENCES DE PROCESSEURS La vitesse d horloge d un ordinateur est mesurée sous la forme d une fréquence, exprimée en nombre de cycles par secondes. Un oscillateur à cristal contrôle la fréquence d horloge à l aide d un éclat de quartz (qui excité par un courant électrique oscillera d une manière parfaitement régulière). Le cycle est la plus petite unité de temps au niveau du processeur. Chaque opération/instruction nécessite au minimum un cycle, et plus souvent plusieurs. Le temps d exécution des instructions est variable : 12 cycles en moyenne pour les 8086 et 8088, 4.5 cycles pour les 286 et 386, 2 cycles pour les 486 et 1à2cycles pour les Pentiums. Il n est pas possible de comparer des processeurs sur la seule base de leurs fréquences. La fréquence maximale des processeurs actuels est de 1GHz (le premier IBM PC équipé d un 8088 avait une fréquence de 4.77MHz)

4 FRÉQUENCE DE PROCESSEUR ET FRÉQUENCE DE CARTE MÈRE Il existe un autre paramètre source de confusion dans l évaluation des performances des processeurs. Depuis le 486DX2, tous les processeurs d Intel (et compatibles) fonctionnent à une fréquence multiple de celle de la carte mère. Ainsi un Pentium III 600 ou un Pentium II 450 auront la même fréquence de bus à 100MHz, mais différeront dans leur facteur multiplicatif ( pour le 600 et pour le 450) Notes : Il est impossible de modifier le facteur multiplicateur d un processeur donné. En effet, les fabricants (fondeurs) de microprocesseurs, dans le but de lutter contre l overclocking, ont mis en place des mécanismes de vérification de la valeur de ce facteur, bloquant le CPU si celui-ci ne correspond pas à la valeur indiquée par les spécifications. Il est par contre possible de changer la vitesse du bus pour augmenter la vitesse du CPU (pour l instant!!!).

5 BUS DE DONNÉES Un des moyens simples pour décrire un processeur est de faire référence à la largeur de son bus de données externe. Cette largeur permet de savoir combien de bits de données peuvent être déplacés à destination ou en provenance du processeur au cours d un cycle. Un ordinateur type possède en principe plusieurs bus internes et externes. Le bus de processeur dont on parle le plus est le bus de données externe. Il s agit d un ensemble de fils (ou de broches) utilisés pour envoyer et recevoir des données. Les données sont envoyées sous forme d informations numériques : tension 5V pour un bit de données 1 et une tension 0V pour un bit de données 0, ceci dans une période de temps spécifique. Différentes tailles de bus de données externe : 16 bits pour les 286; 32 bits pour les 386 jusqu au Pentium; 64 pour l Itanium, les processeurs Alpha, Sparc

6 REGISTRES INTERNES ET MÉMOIRE CACHE INTERNE DE NIVEAU 1 Registre : Un registre est une cellule de stockage située à l intérieur du processeur. La taille des registres internes d un processeur est un bon indicateur de la quantité d information que celui-ci peut gérer en un temps donné. Le résultat de nombreuses opérations élémentaires est stocké dans les registres. Mémoire cache interne de niveau 1 : Tous les processeurs modernes possèdent un contrôleur de mémoire cache interne. Ce contrôleur possède 8ko (ou plus) de mémoire cache intégré fonctionnant à la vitesse du CPU. Si les données dont le processeur a besoin sont déjà présentes dans la mémoire cache interne le processeur n a pas besoin d attendre. Si les données ne figurent pas dans le cache alors le CPU devra aller chercher dans la mémoire cache de second niveau ou dans le bus système, c est-à-dire directement dans la mémoire vive.

7 8088/ bits ½ÅÓ 286/386SX 24 bits ½ ÅÓ 386/Pentium 32 bits Ó Pentium Pro/Pentium III 36 bits Ó Merced 64 bits Óµ ¾ BUS D ADRESSES Le bus d adresses est l ensemble des fils qui transporte les informations d adressage utilisées pour décrire une zone de mémoire dans laquelle les données sont envoyées ou de laquelle les données proviennent. Plus il y a de fils(chiffres) utilisés pour calculer les adresses, plus le nombre de zones d adresses est important. La taille (ou la largeur) du bus d adresse indique la quantité de RAM maximale que le processeur peut adresser. Les bus de données et le bus d adresses sont indépendants. Capacités d adressage mémoire des processeurs Intel : Processeurs Bus d adresses Mémoire accessible

8 JEU D INSTRUCTIONS D UN PROCESSEUR Le jeu d instructions définit les commandes spécifiques que le CPU peut reconnaître. Le jeu de commandes écrites pour les processeurs de type x86 ne peut être interprété à l état natif par un CPU PowerPC ou Sun. Le jeu d instructions x86 destiné aux processeurs Intel et compatibles (Cyrix, AMD) consiste en 147 opérations individuelles. Les programmateurs n écrivent habituellement pas à ce niveau d instructions (langage machine) mais utilisent un langage structuré comme le C, C++ ou Pascal. L environnement de programmation compile alors le programme en instructions reconnaissables par le processeur.

9 CISC OU RISC Ces termes décrivent la technologie adoptée par un processeur. Dans le monde PC, le CISC est le plus utilisé. Le CISC (Complex Instruction Set Computer) est une technologie basée sur un jeu de plus de 200 instructions. La complexité de ces instructions fait que l une d entre elles peut prendre plusieurs cycles pour être exécutée. Le RISC (Reduced Instruction Set Computer) n offre que 128 instructions, dites de base. Mais une instruction peut être exécutée en un seul cycle. L avenir des processeurs PC passera forcément au RISC (cela implique la création de compilateurs complexes). Un processeur RISC peut atteindre une vitesse d exécution jusqu à 70% plus rapide qu un CISC de même fréquence.

10 LES PIPELINES Le principe de pipeline consiste à intégrer plusieurs blocs fonctionnels au sein du processeur. Chacun de ces blocs est chargé de remplir une fonction spécifique dans le processus de traitement. On peut comparer un pipeline à une chaîne de montage. Chaque poste remplit une fonction spécifique, pour aboutir à un produit fini à la sortie de la chaîne. Ainsi, un pipeline intègre un module spécialisé dans le chargement d une instruction, le suivant de son décodage, et ainsi de suite. Chaque module prend un Ü temps en nanosecondes pour exécuter son travail. Le temps de traitement global correspond au Ü temps multiplié par le nombre de modules. L avantage évident de ce procédé est qu il permet de traiter plusieurs instructions simultanément, une par module. Dès qu une instruction est sortie du pipeline, une suivante y pénètre. La principale difficulté consiste à remplir ce pipeline de manière optimale.

11 L EXÉCUTION DYNAMIQUE L exécution dynamique peut être décomposée en trois composants: La prédiction de branchement : ce procédé consiste à deviner l emplacement de la prochaine instruction devant être traitée, puis à la diriger vers le bon pipeline. Cela permet d éviter les sauts et les boucles risquant de faire perdre les gains apportés par les pipelines. Aux dires d Intel, un processeur tel que le Pentium III aurait une capacité de prédiction de l ordre de 90% L analyse de flux : ce procédé est chargé de réagencer l ordre de traitement des données afin de l optimiser. Il devra aussi choisir entre les deux pipelines, l entier et celui à virgule flottante. De plus, il lui est nécessaire de tenir compte du temps de traitement de chaque instruction. Ainsi, il permet d obtenir de bien meilleures performances qu en traitant le programme original tel quel. En fait, il se charge de réparer les dégâts provoqués par un mauvais compilateur. L exécution spéculative : ce dernier procédé travaille main dans la main avec la prédiction de branchement. Il permet de traiter les instructions des différentes portions de code envisageable à l avance. Ainsi, il peut anticiper le résultat qui devra être obtenu après un saut.

12 MMX, SSE, SSE2, ET 3D-NOW MMX : L émergence en 1996 de processeur MMX permit d ajouter 57 nouvelles instructions rendant le processeur beaucoup plus performant dans le domaine du multimédia. Les développeurs comme Microsoft durent modifier leur langage de programmation afin que les compilateurs tirent avantage de ces nouvelles instructions MMX. Il en fut de même pour le Direct X des systèmes d exploitation Windows. SSE : Le PIII ou Katmaï apporte 72 nouvelles instructions afin d améliorer le traitement en 3D, la décompression vidéo et le traitement de la voix. SSE2 : Le PIV apporte 66 nouvelles instructions afin d améliorer les calculs flottant et entier. 3D-Now : AMD a développé un ensemble d instructions étendues pour les K6-2 et K7 supprimant la nécessité d adjoindre un co-processeur 3D dans le cadre des jeux 3D.