Architecture Fondamentale des Microprocesseurs

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1 Architecture Fondamentale des Microprocesseurs
Institut Supérieur d’Electronique du Nord 41 Boulevard Vauban Lille Cedex - France Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

2 Architecture d’un ordinateur
Canaux de communication (bus) Unité centrale Mémoire centrale Contrôleurs d’entrée/sortie ou interface Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

3 Les types d’architecture : SISD
Une instruction manipule une seule donnée (Single Instruction Single Data) instruction Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

4 Les types d’architecture : SIMD
Une instruction manipule un ensemble de données (Single Instruction Multiple Data) : machine tableau instruction Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

5 Les types d’architecture : MISD
Un ensemble d’instructions manipule une seule donnée (Multiple Instruction Single Data) : machine vectorielle ou pipeline Instruction 1 Instruction 2 Instruction 3 Instruction 4 Instruction 2 Instruction 3 Instruction 4 Instruction 5 Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

6 Les types d’architecture : MIMD
Un ensemble d’instructions manipule un ensemble de données (Multiple Instruction Multiple Data) : machine multi-processeurs MISD SISD SIMD Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

7 Architecture de Von Neuman
Machine de Von Neuman (1945) programme : suite d’instructions codées en binaire et mémorisées en mémoire centrale données : codées en binaire et mémorisées en mémoire centrale les instructions sont exécutées séquentiellement par l’unité centrale une instruction manipule une seule donnée (SISD) Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

8 Mémoire centrale : rôle et fonctions
Rôle : mémorisation des instructions et des données code binaire (algèbre de Boole) 0 : absence de courant 1 : présence de courant Fonctions d’accès : écriture : mémorisation d’une information lecture : récupération d’une information préalablement enregistrée Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

9 Mémoire centrale : constituants
Cellule mémoire : circuit électronique chargé de mémoriser un seul bit d’information Mémoire centrale : construire un mot à partir d’un ensemble de cellules construire un ensemble de mots créer un mécanisme d’accès à un mot dans l’ensemble des mots : adressage Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

10 Mémoire centrale : vision logique
tableau de mots plus ou moins grand mécanisme d’adressage : chaque mot est repéré par son emplacement (adresse) dans le tableau (indice) 2006 2004 2005 2003 2002 2001 2000 Entier signé sur 16 bits (valeur -2) FE FF Flottant IEEE sur 32 bits (valeur -1, ) 92 77 B9 0E Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

11 Unité centrale : composition
L’unité centrale (CPU - Central Processing Unit) regroupe 5 blocs fonctionnels : l’unité de contrôle l’unité arithmétique et logique les registres généraux les registres spécialisés l’interfaçage avec l’extérieur Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

12 Bus de communication interne Registre d’instruction
Unité de contrôle Bus de contrôle Bus d’adresse Bus de donnée Horloge Interruptions int e l 8085 Bus de communication interne Registre D Registre H Registre C Registre E Registre L Registre B Compteur ordinal PC Pointeur de pile SP Accumulateur Indicateurs Registre d’instruction Décodeur d’instructions et séquenceur Unité de contrôle Registre d’adresse Registre de donnée UAL Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

13 Unité de contrôle Elle contrôle la totalité du fonctionnement de l’unité centrale lecture, décodage, et exécution des instructions lecture et écriture des données en mémoire centrale lecture et écriture des registres contrôle de l’unité arithmétique et logique contrôle de l’interface avec l’extérieur : bus d’adresse et de donnée fonctions d’accès à la mémoire centrale interruptions, ... Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

14 Programme Un programme écrit en langage évolué (C) n’est pas compréhensible directement par la machine (i.e. par l’unité de contrôle) ... cmp i,#0 bne label move #1,i label: move #2,j compilateur ... E332000 A100B F332001 100B 3F332102 assembleur ... if (i == 0) { i = 1 ; } j = 2 ; Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

15 code opération (opcode)
Instructions mnémonique code opération (opcode) ... cmp i,#0 bne label move #1,i label: move #2,j E A 100B F 100B 3F étiquette adresse opérande(s) Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

16 Exécution d’un programme
Bus de contrôle Bus d’adresse Bus de donnée Horloge Interruptions int e l 8085 Bus de communication interne Registre D Registre H Registre C Registre E Registre L Registre B Compteur ordinal PC Pointeur de pile SP Accumulateur Indicateurs Registre d’instruction Décodeur d’instructions et séquenceur Unité de contrôle Registre d’adresse Registre de donnée UAL Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

17 Exécution d’un programme
Le compteur ordinal (PC ou Program Counter) registre spécialisé contient à tout moment l’adresse de l’instruction qui va être exécutée 1006 1004 1005 1003 1002 1001 1000 10 2A 0B PC 1004 3E 33 00 20 Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

18 Unité arithmétique et logique (ALU)
Bus de contrôle Bus d’adresse Bus de donnée Horloge Interruptions int e l 8085 Bus de communication interne Registre D Registre H Registre C Registre E Registre L Registre B Compteur ordinal PC Pointeur de pile SP Accumulateur Indicateurs Registre d’instruction Décodeur d’instructions et séquenceur Unité de contrôle Registre d’adresse Registre de donnée UAL Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

19 Unité arithmétique et logique (ALU)
Rôle : calcul d’opérations élémentaires opérations arithmétiques addition, soustraction, multiplication, division changement de signe opérations logiques et, ou, ou exclusif, inversion décalage, rotation Traite des mots de taille fixe (1, 2, 4 octets) Génère les indicateurs caractérisation du dernier résultat produit par l’ALU Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

20 Bus de communication interne Registre d’instruction
Registres Bus de contrôle Bus d’adresse Bus de donnée Horloge Interruptions int e l 8085 Bus de communication interne Registre D Registre H Registre C Registre E Registre L Registre B Compteur ordinal PC Pointeur de pile SP Accumulateur Indicateurs Registre d’instruction Décodeur d’instructions et séquenceur Unité de contrôle Registre d’adresse Registre de donnée UAL Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

21 Registres Registres généraux Registres spécialisés
opérandes pour l’unité arithmétique et logique résultats des calculs (accumulateur) en nombre variable (2 à plusieurs dizaines) taille = taille des mots traités par l’ALU Registres spécialisés compteur ordinal (Program Counter - PC) registre d’état (Status Register - SR) pointeur de pile (Stack Pointer - SP) Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

22 Exemple d’exécution ... if (i == 0) { i = 1 ; } j = 2 ; ... cmp i,#0
bne label move #1,i label: move #2,j ... E332100 A100B F332101 100B 3F332002 100F ... ? 1000 04 10 1007 04 10 1004 04 10 100F 02 04 ???? 02 04 3322 3321 3320 3319 (variable i) (variable j) PC SR (indicateur Z) Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

23 Modes d’adressage des opérandes
Permettent de localiser précisément les opérandes d’une instruction immédiat (constante) registre (donnée « anonyme ») direct (donnée « variable ») en mémoire centrale indirect (pointeur sur ...) en mémoire centrale via un registre autres suivant la puissance du CPU : indirect avec déplacement (8086, 68000) pré/post indexé (68000) facteur d’échelle (80386) Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

24 Modes d’adressage (1) immédiat (constante) registre R2 4444 2222 3333
registre R2 4444 2222 3333 1111 R1 R3 R2 R4 33 direct / absolu [3044] 0000 4444 2222 6666 3046 3042 3044 3040 3E Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

25 Modes d’adressage (2) indirect via registre [R2] 4444 3044 3333 1111
0000 2222 6666 3046 3042 3040 4444 3044 3333 1111 R1 R3 R2 R4 0000 2222 6666 3046 3042 3040 indirect via registre avec déplacement [R2-2] Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

26 Jeu d’instructions (1) déplacement MOV destination,source R1 R3 R2 R4
4444 3333 1111 2222 MOV R3,R2 2222 MOV [2000],-4 2002 1FFE 2000 1FFC 4444 3333 1111 2222 FFFC Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

27 Jeu d’instructions (2) opérations ADD destination,source R1 R3 R2 R4
4444 3333 1111 2222 ADD R3,R2 5555 NOT destination NOT [R2] 4444 3044 3333 1111 R1 R3 R2 R4 0000 2222 6666 3046 3042 3040 BBBB Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

28 Jeu d’instructions (3) Saut inconditionnel - JMP adresse
le compteur ordinal (PC) est remplacé par l’adresse spécifiée par l’instruction l’exécution du programme reprend à partir de la nouvelle valeur du compteur ordinal Saut conditionnel - JNZ adresse la condition porte sur la valeur d’un ou de plusieurs indicateurs de l’UAL (registre d’état) le compteur ordinal (PC) est remplacé par l’adresse spécifiée par l’instruction si et seulement si la condition est vérifiée Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

29 Sous-programme Vision logique : 2 composants
une pile mémorisée en mémoire centrale le pointeur de sommet de pile (Stack Pointer - SP) Appel d’un sous-programme : CALL adresse SP  SP - k // création d’un nouveau sommet [SP]  PC // sauvegarde de l’adresse de retour PC  adresse // saut au sous-programme Retour d’un sous-programme : RETURN PC  [SP] // restauration de l’adresse de retour SP  SP + k // destruction du sommet Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

30 Exemple d’exécution 1 ... 2 CALL 100 3 ... 2 1004 100 1002 3 101 200 3
1000 101 3 1004 101 3 1002 101 4 3 1004 101 102 3 1002 101 3 1000 3 1002 101 201 3 1000 PC pile (k = 2) 1004 1002 1000 99 ... 100 CALL 200 101 RETURN 200 RETURN SP Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002

31 Interruptions Définition : Action :
arrivée d’un événement extérieur à l’unité centrale Action : appel forcé d’un sous-programme d’interruption, indépendant du programme en cours d ’exécution Unité centrale Capteur Programme en cours Programme en cours Programme en cours Appel du 18 Architecture Fondamentale des Microprocesseurs - Laurent ALLAIN - Juillet 2002