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

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 d’initialisation 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.

1- Notion d’addition s r r a a b r s b r a b c d S Représentation des données - Soit à additionner les données a et b codées sur 1 bit a b s r a b r s 0 0 0 0 retenue 1 0 0 1 0 1 0 1 Schéma électrique équivalent 1 1 1 0 a b c d S r 0 0 0 1 1 0 1 1 1 r 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 Demi additionneur Quel nom donne-t-on à la fonction logique produisant S ?

2- Opérateur arithmétique “addition” Représentation d’un additionneur 2 bits - Soit à additionner les données a et b codées sur 2 bits - La structure est construite à partir de la solution obtenue précédemment Addition, généralisation Prise en charge des dépassements 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 - Le processeur met en œuvre des indicateurs (flag) + + 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 + Carry : bit de retenue + Overflow : bit de dépassement 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 Qu’advient-il de la retenue ?

3- Opérateur arithmétique “soustraction” Définition du complément à 2 - Le processeur complémente tous les bits - Le processeur ajoute 1 0 0 1 0 0 1 1 0 Soit à considérer : Complément de chaque bit : 1 1 0 1 1 0 0 1 +1 : 1 1 0 1 1 0 1 0 Principe de la soustraction 0 0 1 0 0 1 1 0 Soit à considérer : Complément à 2 : 1 1 0 1 1 0 1 0 + 1 0 0 0 0 0 0 0 0 Quelles sont les étapes pour faire une soustraction. Maint. & dép. PC (Dunod)

4- Multiplication, décalage La multiplication peut être considérée comme une suite d’additions. 0 0 1 0 0 1 1 0 Soit à considérer le nombre n : 0 0 1 0 0 1 1 0 + n x 2 = 0 1 0 0 1 1 0 0 Décalage à gauche 0 0 1 0 0 1 1 0 Soit à considérer le nombre n : 0 0 1 0 0 1 1 0 Comparaison avec n x 2 : 0 1 0 0 1 1 0 0 À un décalage à gauche correspond une multiplication par 2. Qu’advient-il quand on opère un décalage à droite ? Source documentaire : Maint. & dép. PC (Dunod)

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

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

7- Logique 3 états - 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 l’aiguillage des données (multiplexeur, démultiplexeur) il faut pouvoir isoler certains circuits. a Ligne de bus b Niveau bas : Bit transmis Niveau haut : 1 Bit transmis c Haute impédance : H Z Ligne de bus libre Commandes Concrètement, comment est réalisé le commutateur ? Source documentaire : Maint. & dép. PC (Dunod)

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

9- Instructions élémentaires Les instructions peuvent être classées selon leur fréquence d’utilisation (évaluation statistique) : - 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 % Donner des exemples d’application des différentes instructions. Source documentaire : Michel.Allemand /univ-nantes.fr

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

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

10- Microprocesseur élémentaire Bus de contrôle Unité de commande Horloge Timing/control Registre d’adresse Compteur Programme Registre + Décodeur Unité d’adressage Unité d’échange et Mémoire Reg. état Bus ACC A Données ACC C ALU ACC B Unité de calcul Rappeler ce qu’est une adresse. Définir le rôle de l’unité d’adressage. Source documentaire : Maint. & dép. PC (Dunod)

11- Fonctionnement du µP élémentaire - L’exécution du programme et l’échange de données est assurée par l’unité fonctionnelle (revoir processeur élémentaire). - Le démarrage et le maintien des conditions de fonctionnement sont assurés par l’unité de service. V DD Alimentation Horloge Alim. CLK PLL Reset Générateur de reset Quartz V SS Unité de commande Unité de service Unité d’adressage Unité de calcul Unité fonctionnelle Rappeler le rôle de l’horloge. Quelles particularités présente l’alimentation ? Source documentaire : Maint. & dép. PC (Dunod)

12- Situation au démarrage Revoir le cycle de Von Neumann. - Eléments intervenant au Chargement de l’instruction ? - registre d’adresse - registre d’instruction - Compteur d’adresse - … - Eléments intervenant à l’exécution de l’instruction ? - Accumulateurs - Registre d’état - … Quels sont les contenus des registres à la mise sous tension ? Quel devrait être le contenu des registres et accumulateurs en fin de démarrage ? Source documentaire : Maint. & dép. PC (Dunod)

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

14- Performances du µP - La puissance de travail est parfois exprimé en MIPS (million d’instructions exécutées par seconde). - La fréquence des horloges internes peut être de plusieurs mégahertz (1 MHz = 106 Hz) - La puissance de calcul du microprocesseur est limitée par : + Le flux de données entrant et sortant (transfert avec l’unité d’échange et la mémoire). + L’écriture du programme et le choix des instructions. + La puissance (thermique) dissipée + Etc. … Quelles solutions peuvent permettre d’améliorer les performances ? Source documentaire : Maint. & dép. PC (Dunod)

15- Amélioration des performances - Architecture « pipeline » : utilise le principe de la chaîne de montage. Concerne les étapes de chaque instruction. + Dès que la première étape du cycle d’exécution d’une 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. + Utilisation de plusieurs ALU. + Utilisation d’unité de calcul à virgule flottante (FPU). - Choix du jeu d’instructions. + Instructions CICS. Extensions MMX, + Ajout d’instructions SSE, … Étudier ces différentes solutions et les évolutions les plus récentes. Source documentaire : Maint. & dép. PC (Dunod)

Bilan, conclusion Les différents points de cette étude ont permis d’aborder : L’importance des échanges avec la mémoire La notion d’exécution d’instructions La notion d’adresse La différence entre unité fonctionnelle et unité de service L’importance de la séquence de démarrage L’évaluation des performances Rechercher les outils permettant de comparer les performances de différents systèmes.

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