Architecture Systèmes Résumé Processeur

Architecture d’un ordinateur Unité Centrale de traitement (CPU) Mémoire I/O n°1 I/O n°2 Registres ALU CU Horloge Bus d’adresse Bus de contrôle Bus de données Registres : Mémoires internes au processeurs servant à stocker les opérations et les opérandes d’une instruction. ALU : Unité Arithmétique et Logique, réalise les calculs sur les entiers et les opérations logiques. CU : Unité de contrôle coordonne le séquencement des étapes qui constituent une instruction machine. Horloge : Sert à synchroniser les opérations internes du processeur CPU avec les autres composants du système. Le Bus système est constitué de trois bus distincts : Le Bus de données par lequel transitent les données et les instructions entre le processeur et la mémoire. Sa capacité de transfert est exprimé par la largeur de bus : 64 bits dans les derniers processeurs. Le Bus de contrôle véhicule des signaux binaires pour synchroniser les actions des différents équipements reliés au processeur. Le Bus d’adresse véhicule les adresses des instructions et des données en cours d’exécution lors des transferts entre mémoire et processeur.

Le processeur (CPU) Registres ALU CU Unité Centrale de traitement Horloge Registres : Mémoires internes au processeurs servant à stocker les opérations et les opérandes d’une instruction. ALU : Unité Arithmétique et Logique, réalise les calculs sur les entiers et les opérations logiques. CU : Unité de contrôle coordonne le séquencement des étapes qui constituent une instruction machine. Horloge : Sert à synchroniser les opérations internes du processeur CPU avec les autres composants du système.

Horloge Sa fréquence est exprimée en Mhz (Millions d’oscillation par seconde) Chaque instruction du processeur nécessite au moins un cycle d’horloge. La durée d’un cycle est inversement proportionnelle à la fréquence.

Registres Emplacements mémoires < 1Ko internes au processeur et extrêmement rapide. Ils servent à stocker les opérandes et les résultats pendant une instruction. Certains registres ont des fonctions spéciales comme par exemple le compteur ordinal qui contient l’adresse de la prochaine instruction à extraire de la mémoire.

Unités d’exécution Elles sont de trois types : ALU : Unité Arithmétique et Logique FPU : Unité à virgules flottantes LSU : Unité de chargement chargée des échange entre la mémoire et les registres. Dans les processeurs actuels chacune de ces unités existent en plusieurs fois.

Cycle d’instruction Le cycle de base de tout CPU est : Lecture et Extraction de la première instruction. Décodage de l’instruction pour connaître son type et des opérandes. Exécution de l’instruction Accès à la mémoire ou fin de branchement Enregistrement du résultat. Toutes les étapes sont coordonnées par le CU ( Unité de contrôle) Chaque étape consomme au moins un cycle d’horloge

Pipeline Les processeurs modernes n’ont pas besoin d’attendre que toutes les étapes d’une instruction soient achevées pour commencer un nouveau cycle. Ils sont capables d’exécuter plusieurs étapes en parallèle.

Processeurs Superscalaires Possède plusieurs pipelines Au moins un par unité d’exécution (ALU, FPU ou LSU) Plus le nombre pipeline sera grand plus le processeur pourra exécuter d’instructions en simultanés. Processeur Nombre Instructions Simultanées AMD K6-II 24 Pentium III 40 Athlon 72 Pentium 4 126 ALU : Unité Arithmétique et logique FPU : Unité Virgule flottante ( Flotting point) LSU : Unité de Chargement (Load Storage)

Evolution des Processeurs INTEL Gén. Processeur Année Fréquence Nombre de Transistors Technologie i4004 1971 10 Microns 1 i8088, i8086 1979 4,77-8 Mhz 29 000 3 Microns 2 i80286 1982 6-12,5 Mhz 134 000 1,5 Microns 3 i80386 1985 16-33 Mhz 275 000 1 Micron 4 i80486 1989 25 -100 Mhz 1 200 000 1 / 0,8 Micron 5 Pentium Pentium MMX 1993 1997 60 -200 Mhz 166-300 Mhz 3 000 000 4 500 000 0,8/0,5/0,35 Micron 6 Pentium Pro Pentium II Pentium III 1995 1999 150-200 Mhz 233-450 Mhz 450-1200 Mhz 5 500 000 7 500 000 28 000 000 0,35 micron 0,28/0,25 micron 0,25/0,18/0,13 micron 7 Pentium 4 Pentium 4 EE 2000 2002 2003 1,4 Ghz 2,2-2,4 Ghz 3/3,2 Ghz 42 000 000 55 000 000 167 000 000 0,18/0,13 micron 0,13 micron

Rappels sur le Pentium 4 Jeu d’instruction X86 étendu par MMX, SSE et SSE2 Processeurs Superscalaires Architectures RISC et CICS

Mémoire Principale (RAM) Mémoire Cache Les différences de vitesse entre les registres et la mémoire créent un goulot d’étranglement au niveau du processeur, l’obligeant à attendre le chargement des données pour pouvoir exécuter les instructions. Les mémoires caches sont plus proches du processeur donc plus rapide, mais aussi plus coûteuses. Registres Cache Mémoire Principale (RAM) Disque Dur < 1Ko 128 Ko à 2 Mo 64 Mo à 4 Go 20 à 300 Go 1 ns 2 ns 10 ns 10 ms