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Le microprocesseur
M. Abdoulaye DIENG Janvier 2015
Sommaire
1. Présentation
2. Composants de base
a) Unité de mémoire cache
b) Unité de commande
c) Unité d’exécution
3. Traitement d’une instruction
a) Format basique d’une instruction
b) Les étapes
c) Exemple d’une addition
Présentation
• Le processeur est le composant qui calcule, transforme et interprète
les informations sur les ordres de l'utilisateur.
• Il est cadencé au rythme d’une horloge interne (cristal au quartz
soumis à un courant électrique) qui envoie des impulsions que l’on
appelle "tops".
• La fréquence ou nombre de tops par seconde est exprimé en Hertz
et de nos jours en GigaHertz. Pour exemple un processeur cadencé
à 1Ghz effectue 1 milliard d’opérations à la seconde.
• Il existe principalement deux fabricants de processeurs :
Intel (Pentium et Celeron ) et AMD (Athlon et Duron ).
Composants de base
schéma
instruction1
instruction2
…
donnée1
donnée2
…
D
é
c
o
d
e
u
r
Composants de base
présentation
Les principaux éléments d'un microprocesseur sont les suivants :
• Une unité de mémoire cache qui contient les instructions et
données les plus fréquemment utilisées.
• Une unité de commande (ou unité d’instruction) qui lit les
instructions, les décode puis les envoie (sous forme de signaux) à
l'unité d'exécution ;
• Une unité d'exécution (ou unité de traitement), qui accomplit les
tâches que lui a données l'unité de commande.
Il y a plusieurs niveaux de mémoire cache :
• Level 1 Cache : directement intégrée dans le cœur du processeur, elle
contient les instructions et les données fréquemment utilisées par le
micro-processeur. Les instructions et les données sont généralement
séparées.
• Level 2 Cache : située dans la puce du processeur pour s'intercaler
entre le cache interne et la mémoire principale.
Composants de base
unité de mémoire cache
L'unité de commande (UC) est constituée des éléments suivants :
• compteur ordinal (CO) : registre qui contient l’adresse du mot
mémoire stockant la prochaine instruction à exécuter ;
• registre d'instruction (RI) qui contient le code de la dernière
instruction lue à partir de la mémoire cache ;
• décodeur qui détermine l'opération à exécuter et l’opérande (objet
de l’opération) à partir du code de l'instruction stockée dans le RI;
• séquenceur qui génère les signaux de commandes nécessaires
pour actionner et contrôler les unités participant à l’exécution d’une
instruction.
• horloge qui distribue régulièrement des impulsions pour
synchroniser les opérations élémentaires.
Composants de base
unité de commande
L'unité d'exécution est composée des éléments suivants :
• L'unité arithmétique et logique (notée ALU pour Arithmetical and
Logical Unit) qui assure les fonctions basiques de calcul arithmétique et
les opérations logiques (ET, OU, Ou exclusif, etc.) ;
• L'unité de virgule flottante (notée FPU, pour Floating Point Unit), qui
accomplit les calculs complexes que ne peut réaliser l‘ALU
• le registre accumulateur (ACC), stockant un opérande ou un résultat
d’une opération arithmétique ou logique ;
• le registre d'état (PSW, Processor Status Word), permettant de stocker
des indicateurs sur l'état du système (dépassement(O), retenue(C),
signe(S), zéro(Z)).
Composants de base
unité d’exécution
• Un format basique d’une instruction est composé de deux champs
• Le premier est le code de l’opération à effectuer.
Exemples de mnémoniques de codes d’opérations en Assembleur :
LOAD (lire en mémoire), ADD (Additionner), STORE (écrire en mémoire)
• Le second peut stocker :
– la valeur de l’opérande (adressage immédiat)
– l’adresse du mot mémoire qui stocke l’opérande (adressage direct)
– le numéro du registre qui stocke l’opérande (adressage registre)
Opérande = donnée qui subit l’opération.
• Exemples :
L’instruction « algorithmique » c ← a + b avec a, b et c des mots
mémoires s’exécute comme suit :
LOAD a qui signifie ACC ← a
ADD b qui signifie ACC ← ACC + b
STORE c qui signifie c ← ACC
(ACC est le registre accumulateur)
Traitement d’une instruction
format basique d’une instruction
Traitement d’une instruction
étapes
• Le traitement d’une instruction peut être décomposé en quatre phases :
– phase 1 : recherche de l’instruction ;
– phase 2 : décodage de l’instruction ;
– Phase 3 : recherche de l’opérande (si adressage non immediat) ;
– Phase 4 : exécution de l’instruction.
• Chaque phase comporte un certain nombre d’opérations élémentaires
exécutées dans un ordre bien précis
• Une phase 5 de stockage du résultat de certaines opérations peut être
envisagée
2
1
3
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5
6
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8
9
10
11
12
13
instruction1
instruction2
…
donnée1
donnée2
…
Décodage ExécutionRech. Inst
Addition a + b R I : ADD ADR(b)
Rech. Opérande
Traitement d’une instruction
exemple d’une addition (schéma)
Addition a + b R I :
NB : On suppose que la valeur de a est déjà stockée ds ACC càd que
l’instruction ADD b est déjà précédée de l’instruction LOAD a.
• Phase 1 : (recherche de l’instruction)
1) Mettre le contenu du CO dans le registre RAM : RAM  (CO)
2) Incrémenter le CO : CO  (CO) + taille(RI)
3) Commande de lecture à partir de la mémoire cache : R/W=1
4) Transfert de l’instruction dans le registre RIM : RIM
5) Transfert du contenu du RIM dans le registre RI : RI  (RIM)
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• Phase 2 : (décodage de l’instruction)
6) Décodage du type de l’opération et de l’adresse de l’opérande b.
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8) Transfert du code de l’adr de b ds le RAM : RAM  (RI).ADR(b)
9) Commande de lecture à partir de la mémoire cache : R/W=1
10) Transfert de la valeur de b dans le registre RIM : RIM  (b)
• Phase 4 : (exécution de l’instruction)
11) Transfert de l’opérande b du RIM vers l’UAL : UAL1  (RIM)
12) Transfert de l’opérande a du registre ACC vers l’UAL : UAL2(ACC)
13) Le séquenceur demande à l'UAL d'exécuter l'opération :
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Architecture des ordinateurs : microprocesseur

  • 1. Le microprocesseur M. Abdoulaye DIENG Janvier 2015
  • 2. Sommaire 1. Présentation 2. Composants de base a) Unité de mémoire cache b) Unité de commande c) Unité d’exécution 3. Traitement d’une instruction a) Format basique d’une instruction b) Les étapes c) Exemple d’une addition
  • 3. Présentation • Le processeur est le composant qui calcule, transforme et interprète les informations sur les ordres de l'utilisateur. • Il est cadencé au rythme d’une horloge interne (cristal au quartz soumis à un courant électrique) qui envoie des impulsions que l’on appelle "tops". • La fréquence ou nombre de tops par seconde est exprimé en Hertz et de nos jours en GigaHertz. Pour exemple un processeur cadencé à 1Ghz effectue 1 milliard d’opérations à la seconde. • Il existe principalement deux fabricants de processeurs : Intel (Pentium et Celeron ) et AMD (Athlon et Duron ).
  • 5. Composants de base présentation Les principaux éléments d'un microprocesseur sont les suivants : • Une unité de mémoire cache qui contient les instructions et données les plus fréquemment utilisées. • Une unité de commande (ou unité d’instruction) qui lit les instructions, les décode puis les envoie (sous forme de signaux) à l'unité d'exécution ; • Une unité d'exécution (ou unité de traitement), qui accomplit les tâches que lui a données l'unité de commande.
  • 6. Il y a plusieurs niveaux de mémoire cache : • Level 1 Cache : directement intégrée dans le cœur du processeur, elle contient les instructions et les données fréquemment utilisées par le micro-processeur. Les instructions et les données sont généralement séparées. • Level 2 Cache : située dans la puce du processeur pour s'intercaler entre le cache interne et la mémoire principale. Composants de base unité de mémoire cache
  • 7. L'unité de commande (UC) est constituée des éléments suivants : • compteur ordinal (CO) : registre qui contient l’adresse du mot mémoire stockant la prochaine instruction à exécuter ; • registre d'instruction (RI) qui contient le code de la dernière instruction lue à partir de la mémoire cache ; • décodeur qui détermine l'opération à exécuter et l’opérande (objet de l’opération) à partir du code de l'instruction stockée dans le RI; • séquenceur qui génère les signaux de commandes nécessaires pour actionner et contrôler les unités participant à l’exécution d’une instruction. • horloge qui distribue régulièrement des impulsions pour synchroniser les opérations élémentaires. Composants de base unité de commande
  • 8. L'unité d'exécution est composée des éléments suivants : • L'unité arithmétique et logique (notée ALU pour Arithmetical and Logical Unit) qui assure les fonctions basiques de calcul arithmétique et les opérations logiques (ET, OU, Ou exclusif, etc.) ; • L'unité de virgule flottante (notée FPU, pour Floating Point Unit), qui accomplit les calculs complexes que ne peut réaliser l‘ALU • le registre accumulateur (ACC), stockant un opérande ou un résultat d’une opération arithmétique ou logique ; • le registre d'état (PSW, Processor Status Word), permettant de stocker des indicateurs sur l'état du système (dépassement(O), retenue(C), signe(S), zéro(Z)). Composants de base unité d’exécution
  • 9. • Un format basique d’une instruction est composé de deux champs • Le premier est le code de l’opération à effectuer. Exemples de mnémoniques de codes d’opérations en Assembleur : LOAD (lire en mémoire), ADD (Additionner), STORE (écrire en mémoire) • Le second peut stocker : – la valeur de l’opérande (adressage immédiat) – l’adresse du mot mémoire qui stocke l’opérande (adressage direct) – le numéro du registre qui stocke l’opérande (adressage registre) Opérande = donnée qui subit l’opération. • Exemples : L’instruction « algorithmique » c ← a + b avec a, b et c des mots mémoires s’exécute comme suit : LOAD a qui signifie ACC ← a ADD b qui signifie ACC ← ACC + b STORE c qui signifie c ← ACC (ACC est le registre accumulateur) Traitement d’une instruction format basique d’une instruction
  • 10. Traitement d’une instruction étapes • Le traitement d’une instruction peut être décomposé en quatre phases : – phase 1 : recherche de l’instruction ; – phase 2 : décodage de l’instruction ; – Phase 3 : recherche de l’opérande (si adressage non immediat) ; – Phase 4 : exécution de l’instruction. • Chaque phase comporte un certain nombre d’opérations élémentaires exécutées dans un ordre bien précis • Une phase 5 de stockage du résultat de certaines opérations peut être envisagée
  • 11. 2 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 instruction1 instruction2 … donnée1 donnée2 … Décodage ExécutionRech. Inst Addition a + b R I : ADD ADR(b) Rech. Opérande Traitement d’une instruction exemple d’une addition (schéma)
  • 12. Addition a + b R I : NB : On suppose que la valeur de a est déjà stockée ds ACC càd que l’instruction ADD b est déjà précédée de l’instruction LOAD a. • Phase 1 : (recherche de l’instruction) 1) Mettre le contenu du CO dans le registre RAM : RAM  (CO) 2) Incrémenter le CO : CO  (CO) + taille(RI) 3) Commande de lecture à partir de la mémoire cache : R/W=1 4) Transfert de l’instruction dans le registre RIM : RIM 5) Transfert du contenu du RIM dans le registre RI : RI  (RIM) RAM = Registre d’Adresse Mémoire RIM = Registre d’Information Mémoire ADD ADR(b) ADD ADR(b) Traitement d’une instruction exemple d’une addition (suite)
  • 13. • Phase 2 : (décodage de l’instruction) 6) Décodage du type de l’opération et de l’adresse de l’opérande b. 7) Information au séquenceur du type de l'opération à exécuter • Phase 3 : (recherche de l’opérande) 8) Transfert du code de l’adr de b ds le RAM : RAM  (RI).ADR(b) 9) Commande de lecture à partir de la mémoire cache : R/W=1 10) Transfert de la valeur de b dans le registre RIM : RIM  (b) • Phase 4 : (exécution de l’instruction) 11) Transfert de l’opérande b du RIM vers l’UAL : UAL1  (RIM) 12) Transfert de l’opérande a du registre ACC vers l’UAL : UAL2(ACC) 13) Le séquenceur demande à l'UAL d'exécuter l'opération : ACC  (UAL1) + (UAL2) Traitement d’une instruction exemple d’une addition (suite et fin) app