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Électronique de base du processeur PC / Traitement numérique / Contrôle Introduction à la structure du µP.

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1 Électronique de base du processeur PC / Traitement numérique / Contrôle Introduction à la structure du µP

2 Objectif, introduction Présenter et comprendre le microprocesseur. Opérations élémentaires Notion de bus et logique 3 états Unité arithmétique et logique (ALU) Instruction et cycle de Von Neumann Constitution du microprocesseur élémentaire Démarrage et séquence dinitialisation Améliorations et performances Ce travail doit permettre de comprendre les caractéristiques des produits du marché, de choisir un produit et comprendre certaines causes de panne.

3 a b s r 1- Notion daddition Quel nom donne-t-on à la fonction logique produisant S ? Représentation des données - Soit à additionner les données a et b codées sur 1 bit Schéma électrique équivalent a b r s retenue a b c d S r r Demi additionneur

4 2- Opérateur arithmétique addition Quadvient-il de la retenue ? Représentation dun additionneur 2 bits - Soit à additionner les données a et b codées sur 2 bits Addition, généralisation - La structure est construite à partir de la solution obtenue précédemment Prise en charge des dépassements - Le processeur met en œuvre des indicateurs (flag) + Carry : bit de retenue + Overflow : bit de dépassement

5 3- Opérateur arithmétique soustraction Quelles sont les étapes pour faire une soustraction. Définition du complément à 2 - Le processeur complémente tous les bits - Le processeur ajoute Soit à considérer : Complément de chaque bit : : Principe de la soustraction Soit à considérer : Complément à 2 : Maint. & dép. PC (Dunod)

6 4- Multiplication, décalage Quadvient-il quand on opère un décalage à droite ? Multiplication La multiplication peut être considérée comme une suite dadditions Soit à considérer le nombre n : n x 2 = Décalage à gauche Soit à considérer le nombre n : Comparaison avec n x 2 : À un décalage à gauche correspond une multiplication par 2. Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

7 5- Unité arithmétique et logique (ALU) Rappeler le principe de fonctionnement des registres et accumulateurs. - Pour effectuer une opération, il faut : + Disposer, en même temps, des données a et b (opérandes) + Exécuter une suite dopérations élémentaires (instructions) + Maintenir les résultats intermédiaires - Les opérateurs arithmétiques sont complétés par des opérateurs logiques. ALU ACC A ACC B ACC C Décodeur Instruction ACC = accumulateur (registre tampon) Données Instructions Indicateurs (Flag) Reg. état Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

8 6- Echanges ALU / Mémoire système Concrètement, comment est matérialisé le bus sur la carte mère ? - Les données et les instructions doivent être présentes en mémoire. - Les transferts se font sur des bus de 32 ou 64 bits (par exemple). Unité centrale (CPU, central processing unit) Mémoire Bus - Les transferts se font sous le contrôle du microprocesseur, au rythme dune horloge. Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

9 7- Logique 3 états Concrètement, comment est réalisé le commutateur ? - Plusieurs bus peuvent être nécessaires pour assurer le transfert des données/instructions/adresses/…. - Afin de limiter le nombre de fils sur les circuits et boîtiers, un même bus peut être utilisé pour plusieurs usages. - Outre laiguillage des données (multiplexeur, démultiplexeur) il faut pouvoir isoler certains circuits. Ligne de bus Niveau bas : 0 Niveau haut : 1 Haute impédance : H Z Bit transmis Ligne de bus libre a b c Commandes Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

10 Transfert donnée Exécution 8- Cycle de Von Neumann Définir ce quest une adresse et donner son rôle. Chargement instruction Début Décodage Fin - Les étapes de lexécution dune instruction : + Chargement de linstruction (registre dinstruction) + Décodage de linstruction + Chargement éventuel des données (opérandes) + Exécution de linstruction + Transfert éventuel des résultats + Retour en début de cycle - Le déplacement de données se fait en partant dune adresse. Next oui non Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

11 9- Instructions élémentaires Donner des exemples dapplication des différentes instructions. Michel.Allemand /univ-nantes.fr - Chargement :22 % - Branchement conditionnel :20 % - Comparaison :16 % - Rangement :12 % - Addition : 8 % - Et : 6 % - Soustraction : 5 % - Transfert (registre à registre) : 4 % - Appel procédure (branchement) : 1 % - Retour procédure (branchement) : 1 % Les instructions peuvent être classées selon leur fréquence dutilisation (évaluation statistique) : Source documentaire :

12 10- Microprocesseur élémentaire Rappeler la définition de lALU et le rôle des ACC. Définir buffer et démultiplexeur. Unité de calcul Données ALU Reg. état ACC A ACC B ACC C - Soit à étudier les structures de base du microprocesseur : Bus Buffer (3 états) Unité déchange et Mémoire Démultiplexeur Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

13 10- Microprocesseur élémentaire Rappeler le rôle de lhorloge, du registre dinstruction et du décodeur. Unité de calcul Unité déchange et Mémoire Données Horloge Unité de commande Bus de contrôle ALU Reg. état Timing/control Registre + Décodeur ACC A ACC B ACC C Buffer (3 états) Instructions Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

14 10- Microprocesseur élémentaire Rappeler ce quest une adresse. Définir le rôle de lunité dadressage. Unité de calcul Unité déchange et Mémoire Données Horloge Unité de commande Registre dadresse Unité dadressage Bus de contrôle ALU Reg. état Timing/control Registre + Décodeur ACC A ACC B ACC C Compteur Programme Bus Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

15 11- Fonctionnement du µP élémentaire Rappeler le rôle de lhorloge. Quelles particularités présente lalimentation ? - Lexécution du programme et léchange de données est assurée par lunité fonctionnelle (revoir processeur élémentaire). - Le démarrage et le maintien des conditions de fonctionnement sont assurés par lunité de service. Unité de calcul Unité de commande Unité dadressage Alim. Alimentation V SS V DD PLL CLK Horloge Quartz Générateur de reset Reset Unité de service Unité fonctionnelle Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

16 12- Situation au démarrage Quel devrait être le contenu des registres et accumulateurs en fin de démarrage ? Revoir le cycle de Von Neumann. - Eléments intervenant au Chargement de linstruction ? - registre dadresse - registre dinstruction - Compteur dadresse - … - Eléments intervenant à lexécution de linstruction ? - Accumulateurs - Registre détat - … Quels sont les contenus des registres à la mise sous tension ? Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

17 13- Séquence dinitialisation Quel devrait être le contenu des registres et accumulateurs en fin de démarrage ? Établissement de VDD et horloge Chargement aléatoire des registres Attente dinitialisation Circuit de Reset Micro-instructions dinitialisation de lunité de commande Routine dinitialisation Branchement Chargement adresse début Branchement Alimentation Hard reset Soft reset Concaténation vecteur Instruction de retour Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

18 14- Performances du µP Quelles solutions peuvent permettre daméliorer les performances ? - La puissance de travail est parfois exprimé en MIPS (million dinstructions exécutées par seconde). - La fréquence des horloges internes peut être de plusieurs mégahertz (1 MHz = 10 6 Hz) - La puissance de calcul du microprocesseur est limitée par : + Le flux de données entrant et sortant (transfert avec lunité déchange et la mémoire). + Lécriture du programme et le choix des instructions. + La puissance (thermique) dissipée + Etc. … Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

19 15- Amélioration des performances Étudier ces différentes solutions et les évolutions les plus récentes. - Architecture « pipeline » : utilise le principe de la chaîne de montage. Concerne les étapes de chaque instruction. + Dès que la première étape du cycle dexécution dune instruction est réalisée (voir cycle de Von Neumann), une seconde instruction est chargée et ainsi de suite. - Architecture « super scalaire » : exécution simultanée des tâches, sur des unités de calcul montées en parallèle. - Choix du jeu dinstructions. + Instructions CICS. Extensions MMX, + Ajout dinstructions SSE, … + Utilisation de plusieurs ALU. + Utilisation dunité de calcul à virgule flottante (FPU). Maint. & dép. PC (Dunod) Source documentaire :

20 Bilan, conclusion Les différents points de cette étude ont permis daborder : Limportance des échanges avec la mémoire La notion dexécution dinstructions La notion dadresse La différence entre unité fonctionnelle et unité de service Limportance de la séquence de démarrage Lévaluation des performances Rechercher les outils permettant de comparer les performances de différents systèmes.

21 Électronique de base du processeur Fin Merci de votre attention … Introduction à la structure du µP


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