Informatique:le processeur(resume de cours,exercices d'applications), Lecture notes of Computer science

Download Informatique:le processeur(resume de cours,exercices d'applications) and more Lecture notes Computer science in PDF only on Docsity! LE PROCESSEUR Présentation Le processeur (CPU, pour Central Processing Unit, soit Unité Centrale de Traitement) est le cerveau de l'ordinateur. Il permet de manipuler des informations numériques, c'est-à-dire des informations codées sous forme binaire, et d'exécuter les instructions stockées en mémoire. Le premier microprocesseur (Intel 4004) a été inventé en 1971. Il s'agissait d'une unité de calcul de 4 bits, cadencé à 108 kHz. Depuis, la puissance des microprocesseurs augmente exponentiellement. Quels sont donc ces petits morceaux de silicium qui dirigent nos ordinateurs? Fonctionnement Le processeur (noté CPU, pour Central Processing Unit) est un circuit électronique cadencé au rythme d'une horloge interne, grâce à un cristal de quartz qui, soumis à un courant électrique, envoie des impulsions, appelées « top ». La fréquence d'horloge (appelée également cycle, correspondant au nombre d'impulsions par seconde, s'exprime en Hertz (Hz). Ainsi, un ordinateur à 200 MHz possède une horloge envoyant 200 000 000 de battements par seconde. La fréquence d'horloge est généralement un multiple de la fréquence du système (FSB, Front-Side Bus), c'est-à-dire un multiple de la fréquence de la carte mère A chaque top d'horloge le processeur exécute une action, correspondant à une instruction ou une partie d'instruction. L'indicateur appelé CPI (Cycles Par Instruction) permet de représenter le nombre moyen de cycles d’horloge nécessaire à l’exécution d’une instruction sur un microprocesseur. La puissance du processeur peut ainsi être caractérisée par le nombre d'instructions qu'il est capable de traiter par seconde. L'unité utilisée est le MIPS (Millions d'Instructions Par Seconde) correspondant à la fréquence du processeur que divise le CPI. Instruction Une instruction est l'opération élémentaire que le processeur peut accomplir. Les instructions sont stockées dans la mémoire principale, en vue d'être traitée par le processeur. Une instruction est composée de deux champs:  le code opération, représentant l'action que le processeur doit accomplir ;  le code opérande, définissant les paramètres de l'action. Le code opérande dépend de l'opération. Il peut s'agir d'une donnée ou bien d'une adresse mémoire.  Code opération Champ opérande Le nombre d'octets d'une instruction est variable selon le type de donnée (l'ordre de grandeur est de 1 à 4 octets). Les instructions peuvent être classées en catégories dont les principales sont :  Accès à la mémoire : des accès à la mémoire ou transferts de données entre registres.  Opérations arithmétiques : opérations telles que les additions, soustractions, divisions ou multiplication.  Opérations logiques : opérations ET, OU, NON, NON exclusif, etc.  Contrôle : contrôles de séquence, branchements conditionnels, etc. Registres Lorsque le processeur exécute des instructions, les données sont temporairement stockées dans de petites mémoires rapides de 8, 16, 32 ou 64 bits que l'on appelle registres. Suivant le type de processeur le nombre global de registres peut varier d'une dizaine à plusieurs centaines. Les registres principaux sont:  le registre accumulateur (ACC), stockant les résultats des opérations arithmétiques et logiques ;  le registre d'état (PSW, Processor Status Word), permettant de stocker des indicateurs sur l'état du système (retenue, dépassement, etc.) ;  le registre instruction (RI), contenant l'instruction en cours de traitement ;  le compteur ordinal (CO ou PC pour Program Counter), contenant l'adresse de la prochaine instruction à traiter ;  le registre tampon, stockant temporairement une donnée provenant de la mémoire. Mémoire cache La mémoire cache (également appelée antémémoire ou mémoire tampon) est une mémoire rapide permettant de réduire les délais d'attente des informations stockées en mémoire vive. En effet, la mémoire centrale de l'ordinateur possède une vitesse bien moins importante que le processeur. Il existe néanmoins des mémoires beaucoup plus rapides, mais dont le coût est très élevé. La solution consiste donc à inclure ce type de mémoire rapide à proximité du processeur et d'y stocker temporairement les principales données devant être traitées par le processeur. Les ordinateurs récents possèdent plusieurs niveaux de mémoire cache :  La mémoire cache de premier niveau (appelée L1 Cache, pour Level 1 Cache) est directement intégrée dans le processeur. Elle se subdivise en 2 parties : o La première est le cache d'instructions, qui contient les instructions issues de la mémoire vive décodées lors de passage dans les pipelines. o La seconde est le cache de données, qui contient des données issues de la mémoire vive et les données récement utilisées lors des opérations du processeur. Les caches du premier niveau sont très rapides d'accés. Leur délai d'accès tend à s'approcher de celui des registres internes aux processeurs.  La mémoire cache de second niveau (appelée L2 Cache, pour Level 2 Cache) est située au niveau du boîtier contenant le processeur (dans la puce). Le cache de second niveau vient s'intercaler entre le processeur avec son cache interne et la mémoire vive. Il est plus rapide d'accès que cette dernière mais moins rapide que le cache de premier niveau.  La mémoire cache de troisième niveau (appelée L3 Cache, pour Level 3 Cache) est située au niveau de la carte mère. Tous ces niveaux de cache permettent de réduire les temps de latence des différentes mémoires lors du traitement et du transfert des informations. Pendant que le processeur travaille, le contrôleur de cache de premier niveau peut s'interfacer avec celui de second niveau pour faire des transferts d'informations sans bloquer le processeur. De même, le cache Evolution des processeurs de types Intel Date Nom Nombre de transistors Finesse de gravure (nm) Fréquence de l'horloge Largeur des données MIPS 1971 Intel 4004 2 300 10 000 108 kHz 4 bits/4 bits bus 0,06 1974 Intel 8008 6 000 6 000 2 MHz 8 bits/8 bits bus 0,64 1979 Intel 8088 29 000 3 000 5 MHz 16 bits/8 bits bus 0,33 1982 Intel 80286 134 000 1 500 6 à 16 MHz (20 MHz chez AMD) 16 bits/16 bits bus 1 1985 Intel 80386 275 000 1 500 16 à 40 MHz 32 bits/32 bits bus 5 1989 Intel 80486 1 200 000 1 000 16 à 100 MHz 32 bits/32 bits bus 20 1993 Pentium (Intel P5) 3 100 000 800 à 250 60 à 233 MHz 32 bits/64 bits bus 100 1997 Pentium II 7 500 000 350 à 250 233 à 450 MHz 32 bits/64 bits bus 300 1999 Pentium III 9 500 000 250 à 130 450 à 1 400 MHz 32 bits/64 bits bus 510 2000 Pentium 4 42 000 000 180 à 65 1,3 à 3,8 GHz 32 bits/64 bits bus 1 700 2004 Pentium 4 D (Prescott) 125 000 000 90 à 65 2.66 à 3,6 GHz 32 bits/64 bits bus 9 000 2006 Core 2 Duo (Conroe) 291 000 000 65 2,4 GHz (E6600) 64 bits/64 bits bus 22 000 2007 Core 2 Quad (Kentsfield) 2*291 000 000 65 3 GHz (Q6850) 64 bits/64 bits bus 2*22 000 (?) 2008 Core 2 Duo (Wolfdale) 410 000 000 45 3,33 GHz (E8600) 64 bits/64 bits bus ~24 200 2008 Core 2 Quad (Yorkfield) 2*410 000 000 45 3,2 GHz (QX9770) 64 bits/64 bits bus ~2*24 200 2008 Intel Core i7 (Bloomfield) 731 000 000 45 3,33 GHz (Core i7 975X) 64 bits/64 bits bus ? 2009 Intel Core i5/i7 (Lynnfield) 774 000 000 45 3 06 GHz (I7 880) 64 bits/64 bits bus 76383 2010 Intel Core i7 (Gulftown) 1 170 000 000 32 3,47 GHz (Core i7 990X) 64 bits/64 bits bus 147600 2011 Intel Core i3/i5/i7 (Sandy Bridge) 1 160 000 000 32 3,5 GHz (Core i7 2700K) 64 bits/64 bits bus 2011 Intel Core i7/Xeon (Sandy Bridge-E) 2 270 000 000 32 3,5 GHz (Core i7 3970K) 64 bits/64 bits bus 2012 Intel Core i3/i5/i7 (Ivy Bridge) 1 400 000 000 22 3,5 GHz (Core i7 3770K) 64 bits/64 bits bus  Date : l’année de commercialisation du microprocesseur.  Nom : le nom du microprocesseur.  Nombre de transistors : le nombre de transistors contenus dans le microprocesseur.  Finesse de gravure (nm) : le diamètre (en nanomètres) du plus petit fil reliant deux composantes du microprocesseur. En comparaison, l'épaisseur d'un cheveu humain est de 100 microns = 100 000 nm.  Fréquence de l’horloge : la fréquence du signal d'horloge interne qui cadence le microprocesseur. MHz = million(s) de cycles par seconde. GHz = milliard(s) de cycles par seconde.  Largeur des données : le premier nombre indique le nombre de bits sur lequel une opération est faite. Le second nombre indique le nombre de bits transférés à la fois entre la mémoire et le microprocesseur.  MIPS : le nombre de millions d’instructions effectuées par le microprocesseur en une seconde. Overcloker  L'overclocking, ou parfois sur-cadencement, est une manipulation ayant pour but d'augmenter la fréquence du signal d'horloge d'un processeur au-delà de la fréquence nominale afin d'augmenter les performances de l'ordinateur.  Le processeur overclocké peut exécuter plus d'instructions par seconde, ce qui permet de diminuer le temps d'exécution de certains programmes. En contrepartie, il chauffe plus, et peut mal réaliser certaines opérations du fait d'une trop haute température interne, ou d'une tension d'alimentation trop faible par rapport à sa fréquence, il sera donc qualifié d' "instable". Nouvelle méthode de refroidissement du processeur On peut trouver de plus en plus de systèmes de refroidissement de processeur par liquide (watercooling). Ces systèmes plus coûteux que les précédents ont l'avantage de mieux refroidir. Ils sont surtout utilisés lors d'overclocking et sont aussi plus silencieux. Attention à la place nécessaire dans l'unité centrale, certains kits de fabricants proposent même de pouvoir refroidir divers éléments de l'ordinateur (carte graphique, mémoire vive, etc.)