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LE CERVEAU DE L’ORDINATEUR

Définition

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 processeur est un circuit électronique qui effectue les opérations arithmétiques et logiques. L’appellation microprocesseur tient du fait que les composants du processeur ne sont plus distincts mais incorporés dans un même circuit intégré. Le processeur est à voir comme le centre nerveux de l’ordinateur. Les principaux processeurs rencontrés dans le monde PC sont le Pentium d’Intel et l’Athlon d’AMD.

Un peu d’histoire…

Le microprocesseur a été inventé en 1971 par Marcian Hoff, surnommé “Ted” Hoff” alors ingénieur chez Intel.
Le 15 novembre 1971, la marque Intel lance la commercialisation d’”un ordinateur programmable dans une puce” (a microprogrammable computer on a chip). Ce premier modèle appelé Intel 4004 avait une taille de 3,2 mm et pouvait effectuer jusqu’à 60.000 opérations par seconde, ce qui constituait une véritable révolution pour l’époque.
Il a été suivi par le processeur Intel 8008, précurseur des Intel 8080 et de la famille des Intel x86. Cette invention a révolutionné le monde de l’informatique : la miniaturisation du processeur a en effet permis de fabriquer des ordinateurs bien moins encombrants que leurs prédécesseurs (qui occupaient des salles entières). Les microprocesseurs ont ensuite connu une évolution fulgurante avec une miniaturisation de leurs circuits et une augmentation exponentielle de leur puissance.

Fonctionnement

Registres, cache, bus interne, FPU… Autant de termes obscurs qui reviennent sans cesse dès lors que l’on décortique un nouveau processeur. Difficile de définir précisément le rôle de chacun des éléments sans s’y pencher sérieusement. Pour y voir plus clair, tâchons de regrouper ces différents composants entre eux : nous avons donc de la mémoire, des unités de calcul et des bus. Dans la première catégorie, on trouve les registres, ils constituent la mémoire la plus rapide à laquelle le processeur puisse accéder. Leur but n’est pas de stocker indéfiniment des données, bien au contraire : ils hébergent temporairement des informations, puis, une fois celles-ci traitées par le CPU et la RAM mise à jour, ils en accueillent de nouvelles. Dans un processeur, les registres ont tous la même taille : 32 bits dans le cas du Pentium. On en distingue en outre deux types : les généraux et les spécialisés. La différence tient à l’utilisation que le CPU en fait. Ainsi, les données à calculer ne sont jamais placées dans les registres spécialisés et la cohérence de ces derniers garantit le bon fonctionnement du processeur. Autres éléments importants d’un CPU, les unités de calcul. L’ALU ( l’Arithmetic and Logic Unit ), située au cœur de la puce, à longtemps été la seule unité de calcul disponible. Elle était alors responsable de l’intégralité des calculs réalisés au cours du programme.

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.

Caractéristiques

La puissance d’un processeur peut se définir par le nombre d’instructions qu’il est capable de traiter par seconde.
Cette vitesse de traitement est généralement exprimée en MIPS (million d’instructions par seconde) ou en Mégaflops.
La puissance du processeur dépend de plusieurs facteurs :
- la complexité de l’architecture du microprocesseur, qui se mesure par le nombre de transistors qu’il contient
- la vitesse de l’horloge, exprimée en Hz
- le nombre de bits qu’il peut traiter en une instruction.
Les premiers microprocesseurs se limitaient à des nombres de 4 bits maximum alors que les modèles actuels peuvent traiter des nombres sur 64 bits en une seule instruction.

Alors que dans les années 1970, les microprocesseurs complétaient moins d'un million d'instructions par seconde, les processeurs actuels peuvent compléter plus de 10 milliards d'instructions par seconde.

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.

Les registres

Lorsque le processeur exécute des instructions, les données sont temporairement stockées dans de petites mémoires rapides de 8, 16, 32, 64 ou 128 bits que l’on appelle registres. Suivant le type de processeur le nombre global de registres peut varier d’une dizaine à plusieurs centaines. Un registre est une petite mémoire de taille raisonnable (variant généralement de 32 à 128 bit). Les registres sont utilisés tout le temps, ils sont donc très importants. Nous avons vu plus haut qu’une instruction pouvait faire appel aux registres. L’avantage est que ce type d’opérations est beaucoup plus rapide que de faire appel à la mémoire vive, les registres étant internes au processeur, contrairement à la mémoire vive. Il existe différents types de registres, voici les principaux :

Le registre d’instruction (RI) qui permet de stocker l’instruction qui va être exécutée.
Le registre d’état qui permet de stocker des indicateurs sur l’état du système après l’exécution d’une instruction. Voici quelques indicateurs (qui peuvent changer d’appellation, le principe restant le même :
C (pour carry) : vaudra 1 si une retenue est présente.
V (pour oVerflow) : vaudra 1 en cas de dépassement de capacité (addition de deux chiffres positifs donnant un résultat négatif par exemple).
N (pour Negative) : vaudra 1 si le résultat est négatif.
Le registre PC (Program counter) qui stocke l’adresse de la prochaine instruction à exécuter.

La mémoire cache

Un ordinateur dispose de différents types de mémoires qui se distinguent par leurs vitesses d’accès. Plus la mémoire est rapide plus elle coûte cher et plus la quantité disponible sur l’ordinateur est réduite. Les registres internes entiers ou flottants du micro-processeur constituent la mémoire à laquelle celui-ci accède le plus rapidement mais ils sont en nombre très limité. Il y a ensuite la mémoire vive, les disques durs puis les bandes qui sont très lentes mais qui permettent de stocker des quantités très importantes de données. Les caches sont intermédiaires entre les registres internes du micro-processeur et la mémoires vive. Ils sont faits de mémoire rapide mais ils sont de taille réduite par rapport à la mémoire centrale. Le cache contient des copies de données qui sont en mémoire centrale. Avant tout accès à la mémoire, le processeur vérifie si les données ne sont pas présentes dans le cache. Auquel cas, le processeur utilise les données contenues dans le cache et n’accède pas à la mémoire. Sinon, il est nécessaire d’aller chercher les données en mémoire centrale.

Chronologie des principaux CPU Intel

1970 : Intel 4004, fréquence a 108Khz.
1974 : Intel 8080, fréquence a 3Mhz.
1976 : Intel 8086, nom de code P1, première architecture 16 bits, vitesse d’horloge respectives des différents modèles 5, 8 et 10Mhz.
1979 : Motorola 6800, choisi par Apple pour le Macintosh.
1979 : Intel 8087, technologie de la virgule flottante, évolution de la famille des 8086/8080.
1979 : Intel 8088, premier processeur utilisé dans les PC IBM et les XT personnel, fréquence de 4,77Mhz a 8Mhz, architecture 16 bits.
1982 : Intel 80286, nom de code P2, plus souvent appelé 286, architecture 16 bits, mémoire virtuelle, 8, 10, 12Mhz pour les fréquences, il est 20 fois plus rapide que son prédécesseur le 8088.
1982 : Intel 80287, similaire au 80286, mais, avec une amélioration de la gestion de la virgule flottante.
1985 : Intel 80386DX, nom de code P3, nouvelle génération de processeur avec une architecture en 32 bits, gestion des multi-tâches, 16MHz, 20MHz, 25MHz, et 33MHz.
1987 : Sun SPARC, utilise l’architecture RISC pour augmenter la puissance de calcul.
1989 : Intel 80486DX, nom de code P4, lancé le 10 Avril 1989, mémoire cache et architecture 32 bits, vitesse d’horloge : 25MHz, 33MHz, 50MHz.
1989 : Intel 80386SX, nouvelle génération de processeur, amélioration des multi-tâches et architecture en 32 bits, disponible en plusieurs vitesses : 16MHz, 20MHz, 25MHz et 33MHz.
1990 : Intel 80386SL, très faible consommation en courant, destiné principalement aux portables.
1991 : Intel 80486SX, nom de code P45/P23, introduit en Avril, version assez coûteuse, fréquence d’horloge disponible : 16MHz, 20MHz, 25MHz et 33 MHz.
1992 : Intel 80486DX2, nom de code P24/P24S, introduit le 2 Mars 1992 connu de tous le monde sous le nom de 486DX ses vitesses d’horloge ont doublé comparé a sontprédécesseur, passant ainsi de 33Mhz à 66Mhz.
1993 : Intel 80486DX4, nom de code P24C/P24CT, pouvant effectuer le triple du DX2 en opération.
1993 : Intel Pentium, nom de code P5, introduit le 22 Mars, introduit pour remplacer les 486, possédant 1.9 millions de transistors en plus que le 486 ; 32 bits pour les adresses et 64 bits pour le bus. Vitesse d’horloge allant de 60 à 200Mhz. Réalisé en trois générations, la première de 60 à 66Mhz, ce chip utilisait 273 Pin au format PGA avec facteur de 5 volts. Le 7 Mars 1994 Intel annonce la sortie de sa seconde génération qui comporte de nombreuses fréquences : 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166 et 200MHz. Ils utilisaient 256 Pin en SPGA physiquement incompatible avec la première génération de socket. Enfin la troisième génération, nommée P55C est introduite en Janvier 1997 et comprend la technologie du MMX, 166, 200, 233 MHz et 266 MHz pour les fréquences.
1996 : Intel Pentium PRO, nom de code P6, principalement destiné aux stations de travail et aux travaux professionnels, il était préférable d’utiliser Windows NT, il était extrêmement rapide avec une architecture en 32 bits et des rendus d’images 3D fulgurants comparé au « anciens » Pentium. Sa vitesse était de 166Mhz.
1997 : Intel Pentium II, nom de code Klamath, nouvelle architecture avec un circuit encastré dans le plastique, grande évolution passage au slot 1, nombreuse mise à jour possible. Vitesse de 233MHz à 450MHz.
1999 : Intel Pentium III, slot 1 toujours, mais, mise à jour par le bios de la carté mère, il possédait également un IP qui permettait de le reconnaître sur le net pour les problèmes de maintenance, ce qui fut d’ailleurs très controversé.
2000 : Intel Pentium IV, Sorti fin 2000, le premier Pentium 4 utilise le core Willamette. Cette version inclus 42 millions de transistors en architecture 32 bits. Le socket utilisé est le PGA 423. Destiné à remplacer le Pentium III, le Pentium 4 est la septième génération de processeurs Intel. Par rapport à son prédécesseur, il est basé sur l’architecture Netburst, intègre de nouvelles nouvelles instructions SSE et un pipeline à 20 niveaux (10 pour le Pentium 3).
2004 : Intel Pentium IV-E, Début février Intel lance le Pentium 4 “E” dont le nom de code est Prescott. La taille du pipeline est passé de 20 à environ 30 étages, il est gravé en 0.09 microns et dipose de 13 nouvelles instructions regroupées sous le nom de SSE3. La mémoire cache L1 passe de 8Ko à 16Ko et la mémoire cache L2 de 512Ko à 1Mo. Son FSB est toujours à 800MHz. A fréquence égale il est toutefois moins performant qu’un Pentium 4 “C” Northwood.
2006 : Intel Core 2 Duo, Le Pentium Dual Core, est le processeur double cœur d’entrée de gamme d’Intel. Il s’agit d’un microprocesseur x86 basé sur l’Intel Core Architecture, 8e architecture du fabricant.

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Olivier

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Strict Standards: date(): It is not safe to rely on the system's timezone settings. You are *required* to use the date.timezone setting or the date_default_timezone_set() function. In case you used any of those methods and you are still getting this warning, you most likely misspelled the timezone identifier. We selected 'Europe/Berlin' for 'CEST/2.0/DST' instead in /homepages/10/d212871047/htdocs/wp-content/plugins/math-comment-spam-protection/math-comment-spam-protection.classes.php on line 163