Types et caractéristiques des processeurs. - Sn-Bretagne

L.T.P. ST JOSEPH VANNES  COURS DE TECHNOLOGIE  BAC PROFESSIONNEL SEN
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MIC R O -ORDIN A T E U R MULTIMED I A
MICROPROCESSEUR
Le cerveau de l'ordinateur est le processeur, aussi appelé CPU (Central
Processing Unit). Il exécute les instructions des programmes grâce à un jeu
d'instructions, effectue les calculs nécessaires au fonctionnement de
l'ordinateur et traite les données.
Fabrication d'un microprocesseur.
La matière de base pour fabriquer un processeur est un semi-conducteur : le silicium (extrait du
sable). Il est purifié et mis sous forme de galette (appelée Wafer) de très fine épaisseur. A partir de
cette galette de silicium, on réalise une photolithographie :
- On sensibilise le silicium à la lumière grâce à une pellicule « photo-résistive ».
- Les circuits électroniques sont ensuite dessinés et marqués sur le silicium par une
source lumineuse.
- On trempe l'ensemble dans un bain révélateur pour faire apparaître les circuits
électroniques.
- On répète l’opération autant de fois que le nombre de couches du processeur.
- Enfin, le processeur est recouvert d'une protection céramique ou plastique.
- Les microprocesseurs sont ensuite testés un par un et classés en fonction de leur
aptitude à supporter une certaine fréquence de fonctionnement. C’est ainsi qu’on
leurs attribut une fréquence.
Les limitations physiques.
Plus la fréquence des processeurs est élevée, plus il chauffe (par
effet Joule). Or, si le processeur surchauffe, il refusera de
fonctionner. Le dégagement de chaleur important d’un processeur est
donc un obstacle pour son augmentation de fréquence.
Pour remédier à ce problème, on peut utiliser une technologie de
gravure plus fine. Il en résulte une réduction de la surface des circuits
du processeur ; il est ainsi plus facilement refroidi, et il devient
possible d’augmenter sa fréquence. Le fait d’utiliser une technologie de gravure plus fine permet
également de réduire ses coûts de fabrication, et/ou d’y ajouter de nouveaux circuits (il y en a plus de
100 millions sur un Pentium 4 ou un Athlon XP).
Les processeurs sont actuellement gravés avec une technologie de 0,18 ou 0,13 µm, les derniers
processeurs Intel étant gravés en 0,09m.
Le conducteur de courant.
L’aluminium est actuellement utilisé comme conducteur de courant au cœur du silicium des
processeurs, mais, au fur et à mesure que l’on augmente le nombre de transistors, les liaisons qui
leurs servent d’interconnexions sont de plus en plus rapprochées, ce qui accroît la résistance à
l’intérieur des circuits.
Mais, après 15 ans de recherche, les ingénieurs d’IBM ont mis au point son successeur : le
cuivre. Le cuivre offre de nombreux avantages, dont une meilleure conductivité du courant, une
plus faible consommation d’énergie, et une meilleure résistance aux différences de températures.
Intel et AMD utilisent aujourd’hui le cuivre (copper) dans les processeurs les plus récents.

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MICROPROCESSEUR
Fréquence de fonctionnement et largeurs des bus.
La vitesse d'horloge d'un ordinateur est exprimée en hertz (ou en cycles par seconde). Un oscillateur
à quartz est utilisé pour générer le signal d'horloge. Ce signal rythme les diverses tâches du
microprocesseur.
Fréquence externe (ou système).
Le microprocesseur utilise un bus cadencé a une fréquence (dite externe) comprise actuellement entre 66
et 200 MHz avec éventuellement plusieurs transferts par cycle (jusque 4 , soit une fréquence
« apparente » de 800 MHz). Le bus permet à celui-ci de communiquer avec les autres composants du
PC. Cette fréquence, aussi appelée fréquence FSB (Front Side Bus) ou fréquence de la carte mère est
multipliée par un coefficient pour obtenir celle du microprocesseur.
Fréquence interne (Fréquence CPU).
C'est la fréquence de fonctionnement interne du processeur (sa fréquence nominale). Ainsi, un
Pentium III 800 fonctionne, en interne, à une fréquence de 800 MHz. La encore, cette fréquence
est obtenue en multipliant la fréquence créée par le quartz.
Notion de bus.
L'architecture des ordinateurs actuels repose sur l'architecture de Von Neuman. Dans cette
architecture le processeur est relié aux autres composants (Mémoire vive, mémoire morte,
périphériques) par l'intermédiaire d'un canal permettant le transit de l'information. Ce canal est
appelé bus de communication :

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MICROPROCESSEUR
Bus de données.
Le bus dont on parle le plus lorsqu'on fait référence à un processeur est le bus externe (bus de
données) : plus il est large, plus on peut envoyer de données (à lire ou à écrire) simultanément. Les
processeurs modernes possèdent un bus de données sur 64 bits.
Bus d'adresses.
Le bus d’adresse spécifie à quelle adresse du composant on désire lire ou écrire. Sa taille
indique la quantité de mémoire qui peut être gérée par la puce.
Bus de commande.
Un bus de commandes indique si on réalise une lecture ou une écriture.
Registres internes.
La taille des registres (mémoires) internes d'un processeur moderne est de 32 bits. Un
mot de 64 bits permet donc de remplir deux registres 32 bits. Ils sont utilisés pour effectuer
des opérations et stocker temporairement les résultats.

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MICROPROCESSEUR
Composition du microprocesseur.
Le microprocesseur est composé de plusieurs blocs de transistors appelés unités. On distingue trois
catégories d’unités.
Unités de calcul.
L'unité Arithmétique ou A.L.U (Aritmetic Logical Unit).
Elle est chargée d’effectuer des opérations (sommes, additions, ...) sur des nombres réels
entiers.
L'unité de calcul flottant ou F.P.U (Floating Point Unit).
Elle est chargée d’effectuer des opérations complexes (sommes, additions, racines
carrées, sinus, ...) non seulement sur des nombres réels entiers mais aussi sur des nombres
réels à virgule (calculs en virgules flottantes).
L'unité multimédia.
Les microprocesseurs pour PC ont vu la première extension multimédia avec la
technologie MMX introduite par Intel (et utilisée par AMD) en 1997, dans le but
d’optimiser les programmes multimédia (calculs de nombres entiers). AMD a ensuite
introduit sa technologie 3DNow! en 1998, dans le but d’optimiser les calculs 3D (calculs
en virgules flottantes). Intel a riposté en introduisant sa technologie SSE ou Streaming
SIMD en 1999. C’est l’équivalent du 3DNow!, même si le SSE est théoriquement plus
performant. A la sortie de son processeur Athlon, AMD a introduit un complément à sa
technologie 3DNow! permettant une optimisation plus complète des calculs en virgules
flottantes (MP3, AC-3, Soft modems, Soft ADSL, …). Le Pentium 4 a ajouté SSE2.
Unités de contrôle.
Elles sont chargées du décodage des instructions, de l'accès à la mémoire vive, etc...
Unité de mémoire cache.
Cache de niveau 1 ou cache L1 (Level 1).
Cette mémoire cache est divisée en deux parties égales : l’une pour les instructions,
l’autre pour les données. Sa taille est actuellement comprise entre 32 Ko et 128 Ko en
fonction du microprocesseur. Elle permet de stocker les instructions et les données les plus
souvent utilisées. Cette mémoire cache est beaucoup plus rapide que la mémoire vive,
puisqu’elle a l’avantage d’être accessible à la même fréquence que le microprocesseur
(Full Core). On observe alors un gain de performance car le processeur n'a pas à attendre
les données et codes en provenance de la mémoire principale (RAM).
Cache de niveau 2 ou cache L2 (Level 2).
C’est une extension du cache L1. Tous les processeurs récents disposent d’un cache L2
intégré. Sa taille est actuellement comprise entre 128 Ko et 2Mo en fonction du
microprocesseur. Auparavant, ce type de cache était disposé sur la carte mère, mais son
intégration avec la microprocesseur permet au cache L2 d’être accessible à une fréquence
plus importante et proportionnelle à la celle du microprocesseur.

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MICROPROCESSEUR
Refroidissement du processeur.
Sur tout ordinateur puissant, la chaleur constitue un réel problème.
Cette élévation de température est liée principalement à deux
paramètres : - Fréquence de fonctionnement.
- Tension de fonctionnement.
Pour résoudre ce problème, on a utilisé plusieurs méthodes :
- Diminution de la tension de fonctionnement (< 1,5 V).
- Utilisation d'un radiateur sur le(s) processeur(s).
- Utilisation d'une pâte thermique, permettant un meilleur contact
entre le processeur et son radiateur.
- Utilisation de ventilateurs.
Types et caractéristiques des processeurs.
Les deux grands constructeurs de processeurs pour PC sont Intel et AMD.