Cours 3 Le Processeur

Chapitre 4 : Le Processeur (CPU)
1. Les bus
• Bus USB (Universal Serial Bus) : c’est un bus d’entrée/sortie plug-and-
play série. Dans sa deuxième révision (USB 2.0), il atteint un débit de 60
Mo/s. Un de ces avantages est de pouvoir connecter théoriquement 127
périphériques
• Bus FireWire : c’est un bus SCSI série. Il permet de connecter jusqu’à
63 périphériques à des débits très élevés (100 à 400 Mo/s) pour des
applications de la transmission de vidéos.
• Liaison pont nord/pont sud : ses caractéristiques dépendent du chipset
utilisé. Chaque fabricant a en effet développé une solution propriétaire
pour connecter les deux composants de leur chipset. Pour Intel, c’est Intel
Hub Architecture (IHA) dont les débits atteignent 533 Mo/s. Pour Nvidia
(en collaboration avec AMD), c’est l’HyperTransport qui atteint des débits
de 800 Mo/s.
Remarque 1
Tous les bus « internes » (PCI, IDE, AGP) vont être amenés à disparaître très
rapidement et seront remplacés par des bus série :
• Le Serial Ata, remplaçant du bus IDE, présente des débits de 150 Mo/s qui
passeront bientôt à 300 Mo/s dans la prochaine révision du bus (connexion
des disques durs ou des lecteurs optiques).
• Le PCI Express, remplaçant des bus PCI et AGP, permet d’atteindre des
débits de 250 Mo/s dans sa version de base qui peuvent monter jusqu’à
8Go/s dans sa version x16 destinée à des périphériques nécessitant des
bandes passantes très élevées (application graphique).
Remarque 2
Les bus de connexions filaires tendent à être remplacés par des systèmes de
communications sans fils. A l’heure actuelle, il existe :
• le Bluetooth qui offre un débit de 1 Mb/s pour une portée de 12m va servir
à connecter des périphériques nécessitant des bandes passantes faibles
(clavier, souris, etc…).
• le WIFI (WIreless FIdelity Network) qui permet de connecter des
ordinateurs en réseau. La dernière révision permet des débits de 54 Mb/s.
Résumé :
• En informatique, le mot bus, désigne l’ensemble des liaisons électrique
(nappes, pistes de circuits imprimés, etc.) utilisées par plusieurs éléments
matériels afin de communiquer entre eux. Si cette liaison relie deux
éléments seulement, elle est appelée port matériel (port série, port parallèle,
etc.).
• 3.2 Caractéristiques d'un bus
• - Le volume d'informations transmises simultanément. Cette quantité (en
bits) correspond au nombre de lignes physiques servant à envoyer les
données de manière parallèle. Une nappe de 32 fils permet de transmettre
32 bits en parallèle.
• - Sa vitesse ou sa fréquence (en Hz) exprimant le nombre de paquets de
données envoyés ou reçus par seconde.
• Il est possible de connaître la quantité de données qu’un bus peut
transporter par unité de temps, en multipliant sa longueur de mot par sa
fréquence.
• Un bus de 16 bits, cadencé à une fréquence de 133 MHz possède donc un
taux de transfert égal à :
• 16 * 133.106 = 2128*106 bit/s = 266*106 octets/s
• = 266*103 Ko/s = 266 Mo/s.
Exemple de bus unique :

2. Le processeur
Ou CPU (de l'anglais Central Processing Unit), Unité centrale de
traitement
C’est quoi un processeur?
• Un microprocesseur est un composant électronique minuscule et
complexe (circuit intégré), fabriqué souvent en silicium, qui regroupe
plusieurs millions de transistors élémentaires interconnectés.
• Le microprocesseur est le cerveau de l’ordinateur qui interprète les
instructions et traite les données d’un programme.
• Toute l’activité de l’ordinateur est cadencée par une horloge unique, de
façon à ce que tous les circuits électroniques travaillent tous ensemble de
façon synchronisée.
Invention des microprocesseurs

• Inventé en 1971 par un duo d'ingénieurs appartenant à la société Intel,
Marcian Hoff et Federico Faggin.
• 1971 : les différents composants électroniques d'un processeur tiennent sur
un seul circuit intégré.
Caractéristiques du processeur
Deux paramètres principaux contribuent à identifier un processeur :
1. sa fréquence (la cadence de son horloge)
2. sa largeur
D’autres paramètres existent
• le nombre de ses noyaux de calcul (core)
• son jeu d’instructions (ISA en anglais, Instructions Set Architecture)
dépendant de la famille (CISC, RISC, etc.)
• sa ﬁnesse de gravure (en nanomètres : nm) : le diamètre (en nanomètres)
du plus petit fil reliant deux composantes du microprocesseur.
• Nombre de transistors.
Caractéristiques du processeur
1. La fréquence de l’horloge (MHz ou GHz) :
• correspond au nombre de milliards de cycles par seconde (GHz) que le
processeur est capable d’effectuer.
• Plus elle est élevée, plus le processeur est rapide.
2. La largeur de ses registres internes de manipulation de données (4, 8, 16, 32,
64, 128 bits) (4 à ses débuts, 128 en 2011)
Attention : le bus d’entrées/sorties de données et le bus d’adresses s’expriment
aussi en largeur.
Composition d'un processeur
Les parties essentielles d’un processeur sont
1. l’Unité Arithmétique et Logique ou unité de traitement (UAL,
Arithmetic and Logical Unit - ALU), qui prend en charge les calculs
arithmétiques élémentaires et les tests ;
• 2. Unité de commande (aussi appelée partie contrôle, UC); sont rôle
principal est : d'aller rechercher les instructions situées en mémoire
principale devant être exécutées et de les décoder. Elle effectue la recherche
en mémoire de l’instruction, le décodage, l’exécution et la préparation de
l’instruction suivante. Elle permet de "séquencer" le déroulement des
instructions. L’unité de commande élabore tous les signaux de
synchronisation internes ou externes (bus des commandes) au
microprocesseur.
2. 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. Ils permettent au microprocesseur de stocker
temporairement des données.
3. 4. l’horloge qui synchronise toutes les actions de l’unité centrale.
4. 5. l'unité d’entrée-sortie, qui 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 registres
• registre d’état : il sert à stocker le contexte du processeur, il est constitué

de drapeaux (flags) servant à stocker des informations concernant le résultat
de la dernière instruction exécutée ;
• pointeurs de pile : ce type de registre, dont le nombre varie en fonction
du type de processeur, contient l’adresse du sommet de la pile (ou des piles)
;
• registres généraux : ces registres sont disponibles pour les calculs ;
Composition d'un processeur

Les processeurs actuels intègrent également des éléments plus complexes:
• plusieurs UAL, ce qui permet de traiter plusieurs instructions en même
temps. L'architecture superscalaire, en particulier, permet de disposer des
UAL en parallèle, chaque UAL pouvant exécuter une instruction
indépendamment de l'autre ;
• l'architecture superpipeline permet de découper temporellement les
traitements à effectuer. C’est une technique qui vient des gros systèmes ;
 la mémoire cache, permet d’accélérer les traitements, en diminuant les
temps d'accès à la mémoire. Ces mémoires tampons sont en effet beaucoup
plus rapides que la RAM et ralentissent moins le CPU.
 Plusieurs niveaux de caches peuvent coexister : L1, L2 ou L3.
Les bus de processeur

Un processeur possède trois types de bus :
• un bus de données, définit la taille des données pour les entrées/sorties,
dont les accès à la mémoire (indépendamment de la taille des registres
internes) ;
• un bus d'adresse permet, lors d'une lecture ou une écriture, d'envoyer
l'adresse où elle s'effectue, et donc définit le nombre de cases mémoire
accessibles ;
un bus de contrôle permet la gestion du matériel, via les interruptions
La Mémoire cache
(antémémoire ou mémoire tampon) :
• est une mémoire rapide permettant de réduire les délais d'attente des
informations stockées en mémoire vive.
• 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.
Trois niveaux de mémoire cache :

Tous ces niveaux de cache permettent de réduire les temps de latence
des différentes mémoires lors du traitement et du transfert des
informations.
1. La mémoire cache de premier niveau

( L1 Cache Level 1 Cache)
est directement intégrée dans le processeur. Elle se compose de 2 parties :
 le cache d'instructions : contient les instructions issues de la mémoire
vive décodées.
le cache de données : contient des données issues de la mémoire vive et
celles utilisées lors des opérations récentes 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.
Trois niveaux de mémoire cache
2. La mémoire cache de second niveau

( L2 Cache Level 2Cache)
Est située au niveau du boîtier contenant le processeur (dans la puce). Il est
plus rapide d'accès que la RAM que mais moins rapide que le cache L1.
3. La mémoire cache de troisième niveau
( L3 Cache Level 3Cache)
elle est aujourd'hui intégré directement dans le CPU
(elle était avant dans la carte mère).
Améliorations technologiques
Au cours des années mise au point d’un certain nombre d'améliorations
permettant d'optimiser le fonctionnement du processeur.
Parallélisme : consiste à exécuter simultanément, sur des processeurs

différents, des instructions relatives à un même programme.
Pipeline : technologie visant à permettre une plus grande vitesse
d'exécution des instructions en parallélisant des étapes.
Superscalaire : technologie qui consiste à disposer plusieurs unités de
traitement en parallèle pour traiter plusieurs instructions par cycle.
HyperThreading : consiste à définir deux processeurs logiques au sein d'un
processeur physique.
Multi-cœur : Un processeur multi-coeur est tout simplement un processeur
composé non pas de 1 mais de 2 (ou 4 ou 8) unités de calcul.

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Exemple de bus unique :

Invention des microprocesseurs

• registre d’état : il sert à stocker le contexte du processeur, il est constitué

Composition d'un processeur

Les bus de processeur

Trois niveaux de mémoire cache :

1. La mémoire cache de premier niveau

Trois niveaux de mémoire cache

2. La mémoire cache de second niveau

Parallélisme : consiste à exécuter simultanément, sur des processeurs

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