Chapitre 3 : Composants électroniques d’un ordinateur Le

Année: 2021-2022 Enseignant: Dr. Hariri Walid

COURS ELECTRONIQUE ET COMPOSANTS DES SYSTÈMES

Chapitre 3 : Composants électroniques d’un ordinateur

Le Processeur

Université Badji Mokhtar Annaba

Faculté des Sciences

Tronc Commun Mathématiques et Informatique

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Le Processeur

Cours: Electronique et composants des systèmes Année universitaire : 2021-2022

1- Définition d’un processeur:

Le processeur est un circuit électronique qui effectue les opérations arithmétiques et logiques. On l’appelle

microprocesseur (en anglais CPU : Central Processing Unit ) dans le cas où tous les composants ont été

regroupés dans un seul circuit intégré. Il contient plusieurs millions de transistors qui effectuent les calculs

nécessaires au fonctionnement d'un micro-ordinateur (exécution des instructions et traitement des données).

Il a été inventé en 1971 par Marcian Hoff et Federico Faggin. Sa puissance vient de sa capacité à traiter

d’énormes quantités d’informations en des temps records (fréquence d'exécution des micro-instructions) est

exprimée en Hertz (Hz).

1 Mégahertz (MHz) = un million (106) d’opérations élémentaires est traité en une seconde

1 Gigahertz (GHz) = un milliard (109) d’opérations par seconde.

Les deux principaux fabricants de microprocesseurs sont AMD (Athlon) et INTEL (Pentium).

Un processeur.

Chapitre 3 : Composants électroniques d’un ordinateur (Le processeur)

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Le Processeur


2- Définition d’un microprocesseur:

Le microprocesseur est doté d’un radiateur et un ventilateur pour le refroidissement.

La superposition du processeur, radiateur et ventilateur.


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Le Processeur


2- La fréquence d’Horloge

Le rôle de l’horloge est de cadencer le rythme du travail du microprocesseur. La fréquence correspond à ce

que l'on appelle un cycle d'horloge. Le CPU traite chaque seconde de nombreuses instructions. La vitesse

d'horloge mesure le nombre de cycles que le CPU exécute par seconde. Il est mesuré en GHz (Gigahertz).

Dans les années 1970, les microprocesseurs effectuaient moins d’un million d’instructions par seconde, mais

en 2007, les processeurs pouvaient effectuer plus de 10 milliards d’instructions par seconde.

En 2012, un processeur d’ordinateur personnel pouvait avoir une fréquence d’horloge de l’ordre de 3 GHz ce

qui signifie qu'il est conditionné à environ trois milliards (3 × 109) de cycle d'horloge en une seconde, on dit

qu'il est cadencé à 3GHz.


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Le Processeur


3- Le socket

En français (support du processeur) ou (réceptacle de processeur) est un connecteur utilisé pour interfacer un

processeur avec une carte mère. La plupart des sockets et des processeurs actuels sont construits autour de

l’architecture Pin Grid Array (PGA), dans laquelle les broches en dessous du processeur sont insérées dans le

socket.

Le Socket


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Le Processeur


4- Les caractéristiques d’un microprocesseur

Fréquence: Une instruction, selon le type de processeur et d'instruction peut prendre un ou plusieurs cycles

d'horloge. Les processeurs RISC sur lequel toutes les opérations en langage machine sont simples mais

câblées prend généralement un cycle par instruction. Au contraire, un processeur CISC, contient du

microcode, ou une instruction en langage machine, est alors une suite d'instructions câblées. En conséquence,

dans tous les cas, à technologie égale, plus la fréquence est élevée, plus le nombre d'instruction pouvant être

exécutée est élevée.

Largeur: La Largeur de ses registres internes de manipulation de données (4, 8, 16, 32, 64, 128 bits) (4 à ses

débuts,128 en 2011).

Nombre de noyaux de calcul (core): Un processeur standard possède un cœur (single-core). Un processeur

avec 1 seul cœur ne peut traiter qu’une seule instruction à la fois. Un processeur multi-cœur est composé de

deux ou plusieurs cœurs indépendants, chacun étant capable de traiter des instructions individuellement. Un

processeur dual-core contient deux cœurs, un processeur quad-core quatre cœurs, un processeur hexa-core

six cœurs, etc.


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Jeu d’instructions: représente toutes les instructions pouvant être exécutées par un microprocesseur. (ISA

en anglais, Instructions Set Architecture) dépendant de la famille (CISC, RISC, etc.).

Architecture CISC: Complexe Instruction Set Computer, soit « ordinateur à jeu d’instruction complexe »

est une architecture consistant à câbler dans le processeur des instructions complexes, difficiles à créer à

partir des instructions de base.

Architecture RISC: Un processeur utilisant la technologie RISC (Reduced Instruction Set Computer, soit

ordinateur à jeu d’instructions réduit) n’a pas de fonctions évoluées câblées. Les programmes doivent

ainsi être traduits en instructions simples, ce qui entraîne un développement plus difficile et/ou un

compilateur plus puissant.


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Le Processeur



Nombre de transistors: Le nombre de transistors contenus dans le microprocesseur reflète sa complexité. Plus le

microprocesseur contient de transistors, plus il pourra effectuer des opérations complexes, et/ou traiter des nombres de

grande taille.

Le principe de pipeline:

Le pipeline est un mécanisme permettant d'augmenter la vitesse d'exécution des instructions dans un microprocesseur.

L'idée générale est d'appliquer le principe du travail à la chaîne à l'exécution des instructions.

Dans un microprocesseur sans pipeline, les instructions sont exécutées les unes après les autres. Une nouvelle

instruction n'est commencée que lorsque l'instruction précédente est complètement terminée. Avec un pipeline, le

microprocesseur commence une nouvelle instruction avant d'avoir fini la précédente. Plusieurs instructions se trouvent

donc simultanément en cours d'exécution au cœur du microprocesseur. Le temps d'exécution d'une seule instruction

n'est pas réduit. Par contre, le débit du microprocesseur, c'est-à-dire le nombre d'instructions exécutées par unité de

temps, est augmenté. Il est multiplié par le nombre d'instructions qui sont exécutées simultanément.


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5- Composition d’un microprocesseur

Les parties essentielles d'un microprocesseur sont:

L’Unité Arithmétique et Logique: (UAL, en anglais Arithmetic and Logical Unit - ALU), qui prend en

charge les calculs arithmétiques élémentaires et les tests. On peut prévoir trois types d'opérations :

Opérations logiques: comme 'ou', 'et', 'ou exclusif'

Opérations arithmétiques: comme addition, soustraction et négation

Opérations diverses: comme décalage à gauche et à droite

L'unité de contrôle: Permet de séquencer le déroulement des instructions, les décoder et les exécuter, puis

passer à l'instruction suivante.


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Les registres: sont des mémoires de petite taille (quelques octets), suffisamment rapides pour que l'UAL puisse

manipuler leur contenu à chaque cycle de l'horloge.

Accumulateur: ce registre est utilisé pour stocker les données en cours de traitement par l’UAL

Registre d’adresses: sur certains processeurs, les adresses mémoires à manipuler sont placées dans ces registres dédiés

Le compteur ordinal (IP: Instruction Pointer): est un registre particulier qui contient à tout moment, l'adresse de

l'instruction suivante à exécuter

Registre d’instructions (IR: Instruction Register): il contient l’instruction en cours de traitement

Registre d’état: (PSW: Processor Status Word) est un registre particulier, il sert représenter à tout moment l'état du

microprocesseur, ce qui veut dire que ce registre sert à stocker des informations concernant le résultat de la dernière

instruction exécutée ayant créé une situation exceptionnelle.

Registre tampon: (RTM): est un registre de l'unité de contrôle d'un processeur qui contient la donnée à écrire en mémoire

ou qui vient d'être lue depuis la mémoire.


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Le Processeur


Le séquenceur: permet de synchroniser les différents éléments du processeur. En particulier, il initialise les registres lors

du démarrage de la machine et il gère les interruptions

L’horloge: qui synchronise toutes les actions de l’unité centrale. Elle est présente dans les processeurs synchrones, et

absente des processeurs asynchrones et des processeurs auto synchrones

L'unité d’entrée-sortie: prend en charge la communication avec la mémoire de l’ordinateur ou la transmission des

ordres destinés à piloter ses processeurs spécialisés, permettant au processeur d’accéder aux périphériques de l’ordinateur.

Les bus: un processeur possède trois types de bus

Bus de données: définit la taille des données manipulables (indépendamment de la taille des registres internes)

Bus d'adresse: définit le nombre de cases mémoire accessibles

Bus de commande: définit la gestion du processeur IRQ, RESET, etc.



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Le Processeur


Pour résumer, la Figure suivante présente l’architecture d’un microprocesseur.


Registre

d’instruction

Compteur

ordinal

SéquenceurDécodeur

Unité de contrôle

Registre d’étatHorloge

Unité de calcul

Bus interne

Accumulateur

Microprocesseur

Registres

généraux

Bus

d’adresse

Bus de

commande

Bus de

données

UAL


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Le Processeur


6- Les instructions

Une instruction est l'opération élémentaire que le microprocesseur peut accomplir.

Les types d'instructions: Il existe plusieurs types d'instructions:

Transfert de données: par exemple Load, Move, Store, permettent de transférer une donnée depuis les registres du

processeur vers la mémoire et vice versa ainsi qu’entre registres du processeur.

Instructions arithmétiques: opérations arithmétiques tel que: ADD pour addition, SUB pour soustraction, MUL pour

multiplication et DIV pour division

Instructions logiques: opérations logiques tel que: AND, OR, NOT, XOR, etc.

Contrôle de séquence: par exemple le branchement conditionnel, boucles, appels de fonctions, etc.

Entrées/sorties: Lecture / écriture (Read, Write, Print, etc.)

Autres: par exemple la conversion de format, l'incrémentation de registres, etc.


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Le codage d'instructions: les instructions et leurs opérandes (paramètres) sont stockés en mémoire centrale. La taille totale

d’une instruction (nombre de bits nécessaires pour la représenter en mémoire) dépend du type d’instruction et aussi du type

d’opérande. Chaque instruction est toujours codée sur un nombre entier d’octets afin de faciliter son décodage par le

microprocesseur. L’instruction machine est donc une chaîne binaire de p bits composée principalement de deux parties:

Le code opération:

- Indique au processeur le type de traitement à réaliser

- Un code opération de n bits permet de définir 2𝑛 opérations différentes pour la machine

- Le nombre d’opérations différentes autorisées pour une machine définit le jeu d’instructions de la machine

Le code opérande: sont les paramètres de l'action. (Le code opérande peut être une donnée ou bien une adresse mémoire).

Codage d’ instruction

6- Les instructions

Code opération Code opérande


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7- Les performances d’un microprocesseur

Chaque instruction nécessite un certain nombre de cycles d’horloge pour s’effectuer

Le nombre de cycles dépend de la complexité de l’instruction

La durée d’un cycle dépend de la fréquence d’horloge du séquenceur

Puissance d’un processeur: Nombre d’instructions qu’il est capable de traiter par seconde

CPI (Cycle par Instruction) : nombre moyen de cycles d’horloge nécessaire pour l’exécution d’une instruction pour un

microprocesseur donné

MIPS (Millions d’Instructions Par Seconde) : puissance de traitement du microprocesseur.

Augmenter les performances d’un processeur

Augmenter la fréquence d’horloge

Diminuer le CPI

𝑴𝑰𝑷𝑺 =𝑭𝒓é𝒒𝒖𝒆𝒏𝒄𝒆 𝒆𝒏 𝑴𝑯𝒛

𝑪𝑷𝑰

𝑵𝒊𝒏𝒔: Le nombre d'instructions du programme

𝑇𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒: Le temps de cycle =1

𝐹𝑟é𝑞𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒

Le temps d‘ exécutions du programme :

𝑇𝑒𝑥𝑒𝑐 = 𝑁𝑖𝑛𝑠 × 𝐶𝑃𝐼 × 𝑇𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒

Exemple: pour une fréquence de 100 Mhz, on a un temps de cycle de 10 ns.


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Le Processeur


7- Les performances d’un microprocesseur

Exemple

Un programme de 1000 instructions s’exécutent sur un processeur qui a une fréquence d’horloge de 2 GHz.

70% des instructions durent 2 cycles d’horloge, et le reste durent 3 cycles.

Calculer le CPI.

Calculer le MIPS et le temps d’exécution de ce programme.

Solution

𝑴𝒊𝒑𝒔 =𝐹𝑟é𝑞𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒 𝑒𝑛 𝑀𝐻𝑧

𝐶𝑃𝐼=

2 × 103

2.3= 869.56

𝑻𝒆𝒙𝒆𝒄 = 𝑁𝑖𝑛𝑠 × 𝐶𝑃𝐼 × 𝑇𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒

= 1000 × 2.3 ×1

2 × 109= 1.15 × 10−6𝑠 = 1.15 𝜇𝑠

𝑷𝑪𝑰 =1000×0.7×2 +(1000×0.3×3)

1000= 2.3 (cycles/instruction)

Rappel:Les sous-multiples de la seconde

Le temps d’exécution :


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