ARCHITECTURE DES

ORDINATEURS
2ème Année Informatique

Chapitre 4:
Le processeur

Centre universitaire Mila 1

2020-2021

Microprocesseur
Un microprocesseur est un circuit intégré complexe
caractérisé par une très grande intégration et doté des facultés
d'interprétation et d'exécution des instructions d'un
programme.
Il est chargé d’organiser les tâches précisées par le
programme et d’assurer leur exécution. Il doit aussi prendre
en compte les informations extérieures au système et assurer
leur traitement. C’est le cerveau du système.

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 Microprocesseur
Un processeur est défini par:
 Son architecture, c'est-à-dire son
comportement vu par le programmeur, liée à:
 Son jeu d'instructions(en anglais Instruction Set
Architecture, ISA);
 la largeur de ses registres internes de
manipulation de données(8, 16, 32, 64, 128)bits
et leur utilisation;
 les spécifications des entrées–sorties, de l'accès
à la mémoire, etc.

Microprocesseur
Un processeur est défini par:
 Ses caractéristiques, variables même entre
processeurs compatibles,
 la cadence de son horloge exprimée en mégahertz
(MHz) ou gigahertz (GHz);
 sa finesse de gravure exprimée en nanomètres
(nm);
 son nombre de cœurs de calcul.

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 Architectures CISC/RISC
Actuellement l’architecture des microprocesseurs se composent de
deux grandes familles :
 L’ architecture CISC (Complex Instruction Set Computer)
Leurs instructions, de taille variable, sont variées et réalisent
souvent des transferts avec la mémoire. Ces processeurs possèdent
en général peu de registres, dont certains sont réservés pour des
usages spécifiques.
Exemples: Intel 8086 et Motorola 68000 (pré-1985).
 L’architecture RISC (Reduced Instruction Set Computer)
Leurs instructions, de taille fixe, sont régulières et peu d’entre elles
lisent ou écrivent en mémoire. Ces processeurs possèdent en
général de nombreux registres, lesquels sont uniformes.
Exemples: Alpha, Sparc, Mips, PowerPC (post-1985).
 Le Pentium d’Intel mélange les deux designs...
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Architectures CISC/RISC:

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 Mode Utilisateur/Superviseur:
Afin de mettre en oeuvre les mécanismes de protection
nécessaires pour un système, le processeur possède deux
modes de fonctionnement :
• Le mode superviseur: permet une plus grande sécurité
pour le système. Quand le processeur est en mode
superviseur, l’utilisateur ne peut pas accéder à certaines
zones (ex: mémoire, registres...)
• Le mode utilisateur: Ce mode permet à l’utilisateur
d’accéder uniquement aux zones réservées aux utilisateurs.
Le processeur part en exception si l’utilisateur accède à une
zone privilégiée.
Note: quand le processeur est en mode superviseur, le
système peut accéder aux zone protégées et non protégées.

Le microprocesseur MIPS R3000

• MIPS (de l'anglais Microprocessor without interlocked pipeline

stages) a été développée par la compagnie MIPS Computer
Systems Inc., basée en Californie.
• En 1988, la société MIPS Computer Systems, présente le MIPS
R3000 qui succède au MIPS R2000.
• Son jeu d’instructions est de type RISC.
• Le processeur MIPS R3000 est un processeur 32 bits.
•Le principal marché du MIPS: les applications embarquées, les
ordinateurs de poche, les routeurs Cisco et les consoles de jeux
vidéo (Nintendo 64 et Sony PlayStation, et PSP)…
•Il existe plusieurs réalisations industrielles de cette architecture
(Siemens, Toshiba, Philips, Silicon Graphics,etc...)

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 Les registres
Les registres sont des zones de stockage
temporaire située dans le processeur.
• La valeur de certains registres peut être lue ou
modifiée par les instructions.
• Selon les modes de fonctionnement du
processeur, il existe deux catégories de registres:
– Les registres non protégés (Accessibles en
mode utilisateur)
– Les registres protégés (Accessibles en mode
superviseur)

Les registres généraux

 La machine MIPS dispose de 32 registres
d’usage général de 32 bits chacun, dénotés
$0 à $31.
 Les registres peuvent également être identités
par un mnémonique indiquant leur usage
conventionnel.

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 Les registres généraux

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Les registres spéciaux

-PC Registre compteur de programme (Program Counter),
qui contient l’adresse mémoire de la prochaine instruction.
-Hi et Lo : registres utilisés pour la multiplication et la
division
- SR (status): Status Register :c’est le registre d’état. Il
contient les masques d’interruption et le mode
-CAUSE : contient la cause de l'interruption / exception
-EPC : Exception PC (Program Counter) : adresse de
l'instruction qui a causé l'exception
- BAR(vaddr) : Bad Address Register
ce registre contient l’adresse fautive en cas d’exception de
type « adresse illégale »

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 Format d’une instruction
Il y a 3 formats d’instructions différents :
• R : Register to Register – Register Type
• I : Accès mémoire, branchements – Immediate Type
• J : Instructions de sauts (non-conditionnels) : Jump Type

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Format d’une instruction

 Le format R : est utilisé par les instructions
nécessitant deux registres sources (RS et RT) et un
registre résultat (RD).
 Le format I: est utilisé par les instructions de
lecture/écriture mémoire, par les instructions
utilisant un opérande immédiat, ainsi que par les
branchements conditionnels.
 Le format J: n’est utilisé que pour les
branchements inconditionnels.

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 Format d’une instruction

 Le format R

 Le format I

 Le format J
Opcode Immed
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Format d’une instruction

 le code binaire opcode (operation code) identifiant

l’instruction Sur 6 bits, il ne permet de coder que 64
instructions, ce qui même pour un processeur RISC est
peu. Par conséquent, un champ additionnel function
de 6 bits est utilisé pour identifier les instructions R-
type.
 Rd est le registre destination (valeur sur 5 bits, donc
comprise entre 0 et 31, codant le numéro du registre)
 Rs est le premier argument source
 Rt est le second argument source
 Sham (shift amount) est le nombre de bits de
décalage, pour les instructions de décalage.
 Func 6 bits additionnels pour le code des instructions
R-type, en plus du champ opcode. 16

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 pseudo-instruction

 pseudo-instruction ( macro-instruction) est une

instruction qui ne fait pas partie du jeu
d’instructions machine, mais qui est acceptée par
l’assembleur qui la traduit en une séquence
d’instructions machine.
 Les pseudo-instructions utilisent le registre $1 si
elles ont besoin de faire un calcul intermédiaire. Il
faut donc éviter d’utiliser ce registre dans les
programmes.

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pseudo-instruction
Pseudo-instruction move
Comment traduire A=B ?
• Sachant que A=$t0, B=$t1 et que le registre $0
vaut toujours 0 on peut écrire :
• add $t0, $0, $t1
• Il vaut mieux utiliser l’instruction move :
• move est une pseudo-instruction : sa traduction
en langage machine
• est celle de add $t0, $0, $t1.

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 Codage des instructions
Le codage des instructions est principalement défini
par les 6 bits du champ code opération de
l'instruction (INS 31:26). Cependant, trois valeurs
particulières de ce champ définissent en fait une
famille d'instructions : il faut alors analyser d'autres
bits de l'instruction pour décoder l'instruction. Ces
codes particuliers sont :
• SPECIAL (valeur "000000"),
• BCOND (valeur "000001")
• COPRO (valeur "010000")

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Codage des instructions

DECODAGE OPCOD

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Codage des instructions
OPCOD = SPECIAL

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Codage des instructions

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 Codage des instructions

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Codage des adresses

 Les adresses dans les instructions ne sont pas sur
32 bits !
 Pour les instructions de type I : 16 bits =) Adresse
= PC + signé(16 bits) * 4 adressage relatif
 Pour les instructions de type J : 26 bits
=) On obtient l’adresse d’un mot mémoire (de 32
bits) en ajoutant devant les 26 bits les 4 bits de
poids fort de PC (Il faut multiplier par 4 pour
l’adresse d’un octet)
adressage direct restreint

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 Co-processeurs de MIPS
 Le microprocesseur Mips travaille avec des
coprocesseurs pour effectuer des opérations
spécifiques.
 Le co-processeur 0: (processeur de contrôle
système) gère le système de mémoire virtuelle,
les exceptions ainsi que les transitions entre les
modes Superviseur et Utilisateur.
 Le co-processeur FPU: (Floating Point Unit) Est
chargé d’effectuer les opérations arithmétiques à
virgules flottantes.
Il possède 32 registres nommés: $f0 – $f31
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Co-processeurs de MIPS

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 ORGANISATION DE
LA MÉMOIRE EN
MIPS
R3000

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Mémoire et programme
 Quand on demande l'exécution d'un programme,
celui-ci est chargé par le système d'exploitation (à
partir du disque dur) dans une zone de la
mémoire principale RAM.
 Chaque instruction est stockée dans une position
mémoire.
 l'adresse (le numéro) de la case mémoire de
début est transférée au processeur (placée dans
le PC) pour qu'il commence l'exécution au bon
endroit.

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 Segmentation mémoire du MIPS R3000
 Dans l’architecture MIPS R3000, la mémoire est
divisée en deux segments:
 Le segment utilisateur, et le segment noyau (mode
superviseur).
 Quand le processeur est en mode superviseur, les 2
segments sont accessibles.
 Quand le processeur est en mode utilisateur, seul le
segment utilisateur est accessible.
 Le processeur part en exception si une instruction
essaie d'accéder à la mémoire avec une adresse
correspondant au segment système alors que le
processeur est en mode utilisateur.

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Segmentation mémoire du MIPS R3000

Un programme utilisateur utilise généralement trois sous
segments(appelés sections) dans le segment utilisateur:
•La section text contient le code exécutable en mode utilisateur.
•La section data contient les données globales manipulées par le
programme utilisateur.
•La section stack contient la pile d’exécution du programme
utilisateur.
Trois sections sont également définies dans le segment noyau:
•La section ktext contient le code exécutable en mode
superviseur.
•La section kdata contient les données globales manipulées par
le système en mode superviseur.
•La section kstack contient la pile d’exécution du noyau.
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 Segmentation mémoire du MIPS R3000

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Adressage mémoire:
La mémoire est vue comme un tableau d'octets, qui contient
aussi bien les données que les instructions.
•L’unité d’adressage est l’octet.
•Les instructions sont codées sur 32bits.
•Pour enregistrer une instruction quatre(4)octets sont
nécessaires.
•La représentation d’un mot(32-bits) en mémoire est comme
suit:

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 Adressage mémoire:

Par exemple:
• num1: .word 42
• num2: .word 5.000.000
• 4210 est représentée en hexadécimal par:0x0000002A
• 5,000,00010 est représenté en hexadécimal par 0x004C4B40.
• La représentation de ces deux mots en mémoire est:

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Adressage mémoire:

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