Evolution des Micro-Processeurs. Bertrand Granado SYEL UPMC

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1 Evolution des Micro-Processeurs Bertrand Granado SYEL UPMC

2 Babbage Charles (1830) The Difference Machine

3 1946 : Eniac 30 Tonnes 24 mètres de long 5,4 mètre de haut tubes à vide opérations par seconde

4 1971 : Le premier MicroProcesseur 2300 Transistors 2300 Transistors 100 KHz 100 Khz 640 Octets Commande Busicom pour une Calculatrice

5 Le Premier Micro-ordinateur : Le Micral 1973 A l'époque, François Gernelle est un jeune ingénieur électronicien. Il met au point une grosse calculatrice destinée à des calculs agronomiques. Esthétiquement, c'est une sorte de gros décodeur télé avec des boutons plein la façade. Bien avant l'apple II, il s'agit du premier ordinateur prêt à l'emploi conçu autour d'un microprocesseur Intel Son prix : 8500 Francs. Son nom : le Micral.

6 Les Différents Jeux d'instructions Jeu d'instructions = Architecture Logicielle du Micro-Processeur 4 Différents Types de jeux d'instructions: Pile Accumulateur Registre-Mémoire Chargement-Rangement

7 CISC RISC CISC : Complex Instruction Set Computer Accès mémoire pour les opérations arithmétiques et logique Instructions complexes : Durée Variable Taille Variable RISC : Reduce Instruction Set Computer Pas d'accès mémoire pour les opérations arithmétiques et logique Instruction Simples : Durée Fixe Taille Fixe

8 1974 : le Transistors 2 MHz 64 Kilo-Octets 8085 : MHz Altair : Second Micro-Ordinateur

9 1975 : Altair Premier micro ordinateur américain

10 1978 : le Transistors 8086 : 5,8 et 10 MHz 8088 : 5 et 8 MHz 1 Méga Octets NMOS Premier IBM PC (1981)

11 Diagramme du unités : Interface Bus et Exécution 8 Registres de données (8 bits) 4 Pointeurs (16 bits) 4 Registres de segments (16 bits) Registre Mot d'état : Retenue, Parité, Demi Retenue, Zéro, Signe, Pas à Pas, IE, Direction, Dépassement

12 1979 : Le 68000

13 1978 : Le Cray Circuits Intégrés 150 Millions d'opérations flottantes à la seconde

14 1989 : le ,2 Millions de Transistors 25, 33 et 50 MHz 4 Giga-Octets Intégration unité flottante Cache unifié de 8 kilo-octets

15 Le pipeline Pipeline [piplin ; pajplajn] n.m pipe-line 1885 : mot anglais, Informatique. Faire du pipeline : envoyer les données les uness à la suite des autres dans un même bloc et recueillir le résultat en sortie Données = Instructions Division de l'instruction en phases Augmentation du débit Débit non-pipeliné : Tinst Débit pipeliné : Réduction du CPI (Cycle Par Instruction) Abus de Langage : 1 instruction = 1 cycle Tinst Nb étages pipeline

16 Pipeline : Les Phases LI : Lecture Instructions DI : Décodage Instruction LO : Lecture des Opérandes EXE : Exécution de l'instruction RR : Rangement du Résultat (Accès Mémoire)

17 Pipeline : Fonctionnement

18 Pipeline : Fonctionnement

19 Pipeline : Fonctionnement

20 Pipeline : Fonctionnement

21 Pipeline : Fonctionnement

22 Pipeline : Fonctionnement

23 Pipeline : Fonctionnement

24 Pipeline : Fonctionnement

25 Pipeline : Fonctionnement

26 Pipeline : Fonctionnement

27 Pipeline : Mise en Oeuvre

28 Pipeline : Les Aléas Tout n'est pas parfait dans le meilleur des mondes Le pipeline fonctionne si il est toujours rempli Problème d'aléa Aléa de données Aléa Structurel Aléa de contrôle

29 Pipeline : Les Aléas de données

30 Pipeline : Les Aléas de données

31 Pipeline : Les Aléas de données

32 Pipeline : Les Aléas de données

33 Pipeline : Les Aléas de données

34 Pipeline : Les aléas Données résolution Bypass : Court-Circuit de la sortie de l'unité d'exécution Renommage de registre Méthode de Compilation Pipeline logiciel Déroulage de boucle

35 Pipeline : Les aléas Structurels

36 Pipeline : Les aléas Structurels

37 Pipeline : Les aléas Structurels

38 Pipeline : Les aléas Structurels

39 Pipeline : Les aléas Structurels

40 Pipeline : Les aléas Structurels

41 Pipeline : Les aléas Structurels résolution Duplication des Ressources

42 Pipeline : Les aléas de contrôle

43 Pipeline : Les aléas de contrôle

44 Pipeline : Les aléas de contrôle

45 Pipeline : Les aléas de contrôle

46 Pipeline : Les aléas de contrôle

47 Pipeline : Les Aléas de Contrôles résolution Branchement retardé Prédiction de branchement pris Exécution Spéculative

48 La Hiérarchie Mémoire

49 La Hiérarchie Mémoire

50 La Hiérarchie Mémoire

51 La Hiérarchie Mémoire

52 La Hiérarchie Mémoire

53 La Hiérarchie Mémoire

54 La Hiérarchie Mémoire

55 La Hiérarchie Mémoire

56 Les Mémoire Caches

57 Les Mémoires Caches : Correspondance Directe

58 Les Mémoires caches : correspondances associative

59 Les Mémoires Caches : correspondance par ensemble de blocs

60 1992 : Le Power PC 601

61 1993 : Le pentium 3,1 Millions de transitors 60 et 66 MHz 4 Giga-Octets

62 Le Pentium Superscalaire : 2 Instructions par cycle Bus externe 64 bits Pipeline Entier 5 étages U : Toutes V : Simple (Type RISC) 8 Registres Contrôle Cablé pour les instructions simples (RISC) Micro-Programmé pour les autres

63 Le Pentium : Prédiction de Branchement NP NP Pris P Faiblement Pris P NP Faiblement Non Pris Non Pris P

64 Le Pentium : L'Unité Flottante 8 registres de 80 bits Pile de registres Réalisation des calculs avec une opérande en sommet de pile Latence de 3 cycles attente de 1 cycle Division 39 cycles

65 Le K5 : Un Cisc-Risc Idée : Décomposer les instructions x86 en micro-opérations de tailles constantes Transformer un CISC en RISC

66 1995 : Le Pentium Pro 5,5 Millions de Transistors 150, 166, 180 et 200 MHz 4 Giga-Octets RISC?

67 Ordonnancement Dynamique Limite du pipeline : Exécution ordonnée des instructions Une instruction suspendue bloque toutes celles qui la suive DIV F0, F2, F4 ADD F10,F0,F8 SUB F12,F8,F14 Tableau de marque global Station de réservation (Algorithme de Tomasulo IBM 360/91)

68 Station de Réservation

69 1997 : Le Pentium II 7,5 Millions de transistors 233, 266 et 300 MHz 4 Giga-Octets MMX

70 1999 : Le Pentium III 9,5 Millions de transistors 450, 500, 550 et 600 MHz 4 Giga-Octets SSE

71 Pentium III : Le Diagramme

72 L'Athlon : Diagramme

73 2000 : Le Pentium IV 42 Millions de transistors 1,4 et 1,5 GHz 4 Giga-Octets Juin 2003 : 3,2 GHz Juin 2007? Avionique

74 Du 4004 au Pentium IV

75 2001 : L'Itanium 25 Millions de transistors 733 et 800 MHz 64 bits VLIW 264 Octets

76 2002 : L'Itanium Millions de Transistors 1,4 Ghz 64 bits VLIW 264 octets

77 Le Power PC 603 1,6 Millions de Transistors CQFP 240 Broches COP (Common Onchip Processor) : processeur de débogage Basse consommation (1 W à 25 MHz et 3 W à 80 MHZ) CMOS 0,5 µm

78 Power PC 603 : Mode Economie Mise Hors Tension Automatique des sections inactives Mode Doze (Assoupir) : PLL et Timer Fonctionne, donnée en cache cohérente Mode Nap (Sommeiller) : PLL et Timer Fonctionne, le processeur attend

79 Le Power PC 603 : Diagramme Superscalaire d'ordre 3 Unité d'instruction Unité Entière Unité Flottante Unité de Branchement Unité de Chargement-Rangement Unité des Registres Systèmes 2 Caches et MMU

80 Le Power PC : Les MicroContrôleur Motorola : Famille 500 Famille 5000 Famille 8000 IBM Famille 400

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