Le Micro Processeur

CPU

Définition.

CPU (Central Processing Unit) : puce de silicium contenant des millions de composants électroniques (transistors), cadencé au rythme d'une horloge interne (cristal de quartz) qui soumis à un courant électrique envoie des impulsions appelés " Top ". Le processeur manipule les données et exécute les instructions stockées en mémoire, il est considéré comme le cerveau de l'ordinateur.

Caractéristiques.

Un processeur est défini par :

La largeur des ses registres interne exprimé en bits

La fréquence d'horloge pour laquelle il a été concu

Son jeu d'instructions et ses jeux d'instructions additionnels

Sa finesse de gravure

La capacité de ses mémoires caches L1, L2, (L3 pour les PIV ExtremeEdition)

La largeur de ses registres internes

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

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

Fréquence CPU

Par la cadence de son horloge exprimée en MHz (mega hertz) ou GHz (giga hertz).

La fréquence d'horloge, correspond au nombre d'impulsions " top " par seconde et s'exprime en HZ, est un multiple de la fréquence du système FSB (Front Side Bus) de la carte mère

F(CPU)=FSB*Coef Multiplicateur

3,2 GHz=400MHz*8

L'overcloking consiste à pouvoir jouer sur le coef mulit sans changer la frequecne du fsb ou inversement (si la carte mere le permet) dans le but de forcer le porcessuer à tourner à des freucnse au dessu de celle préconisé par le constructuers, en théorie cela reste toujours possible si l'on refroidit correctemtn le processuer mais cela ce fait dans un certaine mseure pour en pas détruire le cpu rendre le systemes instables) à utiliser avec prudence chez les particuleirs et pas dutout en entreprise.

Jeu d'instruciton

Son jeu d'instructions (ISA en anglais, Instructions Set Architecture) dépendant de la famille (CISC, RISC, etc)

Le jeu d'instruction

Instructions opération élémentaire que le processeur peut accomplir elle est composé de 2 champs

Code opération : action que le processeur doit effectuer

Code opérandes : adresses mémoires des données assiociées à l'opération

Le jeu d'instructions correspond à l'ensemble des instructions que le processeur peut accomplir

MMX (MultiMedia Extension) : jeu d'instructions additif specialisé dans le traitement des données multimédia,

SSE (Streaming SIMD Extension) : jeu d'instructions additif spécailsé dans le calcul des données multimédia surtout 3D

Sa finesse de gravure exprimée en nm (nanomètres)

Cache L1, L2, ...

Les vitesses des lecture ecritures entre le CPU et la RAM etant inferieur à la vitesse de traitement du CPU le cpu integres de petites (mémoire cache) qui permet de stocker les données les plus fréquemment demandées par le processeur

On distingue trois niveaux de cache :

Le cache L1 (cache de premier niveau) : La quantité intégrée est généralement faible (16 Ko, voire 128 pour les athlons XP)

Le cache L2 (cache de second niveau) : Cette quantité varie de 128 Ko à 1 Mo, ce cache est légèrement moins rapide que le cache L1

Le cache L3 (cache de troisième niveau) : Ce cache disponible seulement sur les Pentiums 4 Extrême Edition peut vous permettre de gagner 10% de performances en plus en fonction des applications, ce n'est toutefois pas la panacée car ces processeurs coûtent très cher.

Les familles de processeurs

RISC (Reduce Instruction Set Computer) : Compilateur puissant / Instructions simples, choix d'instructions simples (nécessitant un seul cycle d'horloge) et d'une structure permettant une exécution très rapide.

CISC (Complex Instruction Set Computer) : Compilateur simple / Instructions complexes, ajoute aux instructions de bases des instructions complexes nécessitant plusieurs cycles d'horloge)

VLIW (Very Long Instruction Word)

DSP (Digital Signal Processor) : processeur spécialisé conçu et adapté à certains types de calculs (3D, son, ...).

En ce qui concerne les ordinateurs de type compatibles PC actuels, les deux principales sociétés qui conçoivent des CPU sont Intel et AMD (processeurs compatibles Intel). Cyrix a arrête sa production en 1998. Un nouveau venu, VIA, propose des processeurs basse consommation.

Schéma du CPU.

Un processeur possède trois type de bus :

Un bus de données, définit la taille des données manipulable (indépendamment de la taille des registres internes),

Un bus d'adresse définit le nombre de case mémoire accessibles,

Un bus de commande définit la gestion du processeur IRQ, RESET etc,

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.

A verifier et complet das la fiche précédent cette ligne :

Les architectures :

La technique du pipeline : afin d'optimiser le rendement des processeurs, la technique du pipeline est apparue sur les 386 d'Intel. Le pipeline permet de commencer à traiter l'instruction suivante avant d'avoir terminée la précédente via un mécanisme de "travail à la chaîne". L'inconvénient de cette technique est que plus le pipeline est profond (contient d'étapes) plus la perte de performances est importante si une erreur de prédiction survient. L'avantage de cette technique est qu'elle permet d'augmenter la fréquence du processeur plus facilement.
L'architecture super scalaire : cette astuce consiste à doubler le nombre d'unités de traitement pour traiter plusieurs instructions par cycle.
L'hyperthreading : sous ce terme un peu barbare se cache une optimisation d'Intel pour ses processeurs Pentiums 4 (à partir du core C). L'hyperthreading consiste à émuler au sein d'un seul processeur physique deux processeurs logiques, ce qui permet de gaver le processeur de plus d'instructions et améliorer son rendement.

Tous les processeurs sont composés de ces éléments :

L'UAL (unité arithmétique et logique, parfois appelée ALU) : c'est l'unité de calcul qui gère les sommes, différences...
La FPU (Floating Point Unit) : unité de traitement des nombres à virgules (aussi appelés nombres flottants).
Le décaleur : il est le spécialiste des divisions et multiplications par deux. Son rôle est de décaler les bits vers la gauche ou vers la droite.
Les registres : un processeur 32 bits contient 32 registres, qui sont des associations de bascules (portes logiques) permettant de mémoriser l'état du bit entrant.
Le circuit de données : son rôle est d'acheminer les données provenant de l'UAL vers les registres.
La MMI (mémoire de micro instructions) : cette zone du processeur contient toutes les instructions nécessaires à celui-ci pour comprendre les instructions du langage machine.
Le RMI (registre de micro instruction) : cette zone mémoire contient à un instant donné une micro instruction.
Le SEQ (séquenceur) : cet organe traduit les instructions compliquées en instructions plus simples pour permettre au processeur de les traiter.
L'unité de gestion des instructions : elle recueille les instructions arrivant puis les décode et les envoie à l'unité d'éxécution.
L'unité d'exécution : son rôle est d'exécuter les tâches que lui a envoyé l'unité d'instruction.
L'unité de gestion des bus : elle permet de gérer les informations entrantes et sortantes.

On différencie les microprocesseurs de part :

Leur fréquence (vitesse de traitement maximale si vous préférez). Cette fréquence s'exprime en MHz (Méga-hertz) ou GHz (Giga-hertz). La fréquance s'obtient en multipliant la fréquence du FSB (Front Side Bus) par un coefficient multiplicateur.
La fréquence de leur FSB (Front Side Bus) : plus cette fréquence est élevée, meilleures sont les performances (à familles de processeurs égales). Les Pentiums 4 d'Intel fonctionnent avec un FSB 800 MHz voire 1066 MHz pour les dernières versions.
Leur architecture interne : Nombre d'ALU, de FPU pour un même processeur, contrôleur mémoire interne ou non, tout ça peut changer radicalement les performances et il est donc ridicule de comparer les performances d'un Athlon 64 avec celles d'un Pentium 4 à fréquence égale sauf pour constater que le rendement des athlons est meilleur, mais bon ceci est normal vu qu'ils disposent de plus d'ALU et de FPU que les Pentium 4.
Leur quantité de mémoire cache : chaque processeur intègre une quantité variable de mémoire cache. Cette mémoire très rapide est indispensable pour bénéficier de bonnes performances dans les applications. Elle permet de stocker les données les plus fréquemment demandées par le processeur.
On distingue trois niveaux de cache :

Le cache L1 (cache de premier niveau) : La quantité intégrée est généralement faible (16 Ko, voire 128 pour les athlons XP)
Le cache L2 (cache de second niveau) : Cette quantité varie de 128 Ko à 1 Mo, ce cache est légèrement moins rapide que le cache L1
Le cache L3 (cache de troisième niveau) : Ce cache disponible seulement sur les Pentiums 4 Extrême Edition peut vous permettre de gagner 10% de performances en plus en fonction des applications, ce n'est toutefois pas la panacée car ces processeurs coûtent très cher.

Leur largeur de bande passante, et a fortiori leur nombre de registres : la largeur de bande passante se mesure en bit par cycle d'horloge. Plus elle est élevée, plus un processeur peut transporter de données en même temps. Un processeur 64 bit peut alors en théorie aller deux fois plus vite qu'un 32 bit dans les applications optimisées pour le 64 bit. En réalité ce n'est pas le cas.

OUTILS

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