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Le processeur (CPU: Central Processing Unit) est un circuit électronique cadencée au rythme d'une horloge interne, c'est-à-dire un élément qui envoie des impulsions (que l'on appelle top). A chaque top d'horloge les éléments de l'ordinateur accomplissent une action. La vitesse de cette horloge (le nombre de battements par secondes) s'exprime en Mégahertz, ainsi un ordinateur à 200Mhz a donc une horloge envoyant 200,000,000 de battements par seconde (un cristal de quartz soumis à un courant électrique permet d'envoyer des impulsions à une fréquence précise).
A chaque top d'horloge (pour les instuctions simples) le processeur :
- lit l'instruction à exécuter en mémoire
- effectue l'instruction
- passe à l'instruction suivante
Le processeur est en fait constitué:
- d'une unité de commande qui lit les instructions et les décode
- d'une unité de traitement (UAL - unité arithmétique et logique) qui exécute les instructions.
Lorsque tous les éléments d'un processeur sont regroupés sur une même puce, on parle alors de microprocesseur.
Les instructions (opération que le processeur doit accomplir) sont stockées dans la mémoire principale. Une instruction est composée de deux champs:
- le code opération: c'est l'action que le processeur doit accomplir
- le code opérande: c'est les paramètres de l'action. Le code opérande dépend de l'opération, cela peut être une donnée ou bien une adresse d'un emplacement mémoire
| code opération |
champ opérande |
Une instruction peut être codée sur un nombre d'octets variant de 1 à 4 suivant le type de données.
Lorsque le processeur traite des donnés (lorsqu'il exécute des instructions) le processeur stocke temporairement les données dans de petites mémoires de 8, 16 ou 32Ko (qui ont l'avantage d'être très rapides) que l'on appelle registres. Suivant le type de processeur le nombre de registres peut varier entre une dizaine et plusieurs centaines.
Les registres les plus importants sont:
- le registre accumulateur: il permet de stocker les résultats des opérations arithmétiques et logiques
- le registre tampon: il permet de stocker temporairement une des opérandes
- le registre d'état: il permet de stocker les indicateurs
- le registre instruction: il contient l'instruction en cours de traitement
- le compteur ordinal: il contient l'adresse de la prochaine instruction à traiter
- le registre tampon: il permet de stocker temporairement une donnée provenant de la mémoire
Les signaux de commande sont des signaux électriques qui permettent au processeur de communiquer avec le reste du système (le signal Read/Write - lecture/écriture - permet notamment de signaler à la mémoire qu'il désire lire ou écrire une information
Le premier microprocesseur (Intel 4004) a été inventé en 1971. Depuis, la puissance des microprocesseurs augmente exponentiellement. Quels sont donc ces petits morceaux de silicium qui dirigent nos ordinateurs?
Le processeur (CPU) est le cerveau de l'ordinateur, c'est lui qui coordonne le reste des éléments, il se charge des calculs, bref il exécute les instructions qui ont été programmées. Toutes ces opérations permettent de manipuler des informations numériques, c'est-à-dire des informations codées sous forme binaire. Pour réaliser ces traitements, les microprocesseurs utilisent de "petits interrupteurs" utilisant l'effet transistor découvert en 1947 par John Barden et Walter Brittan qui reçurent le prix Nobel l'année suivante pour cette découverte. Il existe plusieurs millions de ces transistors sur un seul processeur
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Les éléments principaux d'un microprocesseur sont:
- Une horloge qui rythme le processeur. Entre deux tops d'horloge le processeur effectue une action. Une instruction nécessite une ou plusieurs actions du processeur. Ainsi plus l'horloge a une fréquence élevée, plus le processeur effectue d'instructions par seconde (l'unité retenue pour caractériser le nombre d'instructions traitées par unité de temps est généralement le MIPS, Millions d'instruction par seconde).
Par exemple un ordinateur ayant une fréquence de 100 Mhz effectue 100 000 000 d'instructions par seconde
- Une unité de gestion des bus qui gère les flux d'informations entrant et sortant
- Une unité d'instruction qui lit les données arrivant, les décode puis les envoie à l'unité d'exécution.
- Une unité d'exécution qui accomplit les tâches que lui a donné l'unité d'instruction.
Le processeur travaille en fait grâce à un nombre très limité de fonctions (ET logique, Ou logique, addition ...), celles-ci sont directement câblées sur les circuits électroniques. Il est impossible de mettre toutes les instructions sur un processeur car celui-ci est limité par la taille de la gravure, ainsi pour mettre plus d'instructions il faudrait un processeur ayant une très grande surface, or le processeur est constitué de silicium et le silicium coûte cher, d'autre part il chauffe beaucoup. Le processeur traite donc les informations compliquées à l'aide d'instructions simples.
Le parallèlisme consiste à exécuter simultanément sur des processeurs différents des instructions relatives à un même programme. Cela se traduit par le découpage d'un programme en plusieurs processus qui seront traités par des processeurs différents dans le but de gagner en temps d'exécution. Cela nécessite toutefois une communication entre les différents processus. C'est le même principe de fonctionnement que dans une entreprise: le travail est divisé en petits processus traités par des services différents et qui ne servent à rien si la communication entre les services ne fonctionne pas (ce qui est généralement le cas dans les entreprises...).
Le pipelining est un principe simple à comprendre. Il permet de mettre à disposition du microprocesseur les instructions qu'il va devoir effectuer. Les instructions font la "file" (d'où le nom de "pipeline") dans la mémoire cache. Ainsi, pendant que le microprocesseur exécute une instruction, la suivante est mise à sa disposition.
Le pipelining permet donc en quelque sorte d'empiéter la fin d'une instruction sur le début de la suivante. En effet, une instruction se déroule selon trois phases :
- Récupération de la donnée (notée F pour Fetch) : recherche en mémoire de l'instruction, mise à jour du compteur ordinal
- Décodage (noté D pour Decode) : obtention des calculs à faire, des éléments de données concernés
- Exécution (notée E pour Execute) : calcul à proprement dit
Dans une strucrure non pipelinée, il faut 9 temps pour faire 3 instructions :
F1-D1-E1-F2-D2-E2-F3-D3-E3 (dans l'ordre chronologique)
Dans une structure pipelinée idéale, on réalise plusieurs phases en même temps, ceci étant possible en mettant les résultats des différentes phases dans des registres tampon :
F1 - D1+F2 - E1+D2+F3 - E2+D3 - E3 (dans l'ordre chronologique)
Il suffit ainsi de 5 temps uniquement. Ceci n'est cependant pas toujours possible, pour des questions de dépendance d'une instruction vis-à-vis du résultat de la précédente...
L'architecture CISC (Complex Instruction Set Computer, ce qui signifie "ordinateur avec jeu d'instructions complexes") est utilisée par tous les processeurs de type x86, c'est-à-dire les processeurs fabriqués par Intel, AMD, Cyrix, ...
Les processeurs basés sur l'architecture CISC peuvent traiter des instructions complexes, qui sont directement câblées sur leurs circuits électroniques, c'est-à-dire que certaines instructions difficiles à créer à partir des instructions de base sont directement imprimées sur le silicium de la puce afin de gagner en rapidité d'exécution sur ces commandes.
L'inconvénient de ce type d'architecture provient justement du fait que des fonctions supplémentaires sont imprimées sur le silicium, d'où un coût élevé.
D'autre part, les instructions sont de longueurs variables et peuvent parfois prendre plus d'un cycle d'horloge ce qui les rend lentes à l'exécution étant donné qu'un processeur basé sur l'architecture CISC ne peut traîter qu'une instruction à la fois!
Contrairement à l'architecture CISC, un processeur utilisant la technologie RISC (Reduced Instruction Set Computer, dont la traduction est "ordinateur à jeu d'instructions réduit") n'a pas de fonctions supplémentaires câblées. Cela impose donc des programmes ayant des instructions simples interprétables par le processeur. Cela se traduit par une programmation plus difficile et un compilateur plus puissant. Cependant vous vous dîtes qu'il peut exister des instructions qui ne peuvent pas être décrites à partir des instructions simples...
En fait ces instructions sont tellement peu nombreuses qu'il est possible de les câbler directement sur le circuit imprimé sans alourdir de manière dramatique leur fabrication.
L'avantage d'une telle architecture est bien évidemment le coût réduit au niveau de la fabrication des processeurs l'utilisant. De plus, les instructions, étant simples, sont exécutées en un cycle d'horloge, ce qui rend l'exécution des programmes plus rapides qu'avec des processeurs basés sur une architecture CISC.
De plus, de tels processeurs sont capables de traîter plusieurs instructions simultanément en les traitant en parallèle.
A comparer les spécificités des deux types d'architecture on pourrait conclure que les processeurs basé sur une architecture de type RISC sont les plus utilisés...
Cela n'est malheureusement pas le cas... En effet les ordinateurs construits autour d'une architecture RISC nécessitent une quantité de mémoire plus importante que les ordinateurs de type CISC
source: www.commentcamarche.net
Intel
avec ses générations de Pentium 1,2,3 et 4
et
Amd
avec les K6, Duron et Athlon
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