CH8_ Microprocesseurs

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Contexte d’information Cours AMSI
Titre du document Les Microprocesseurs
Nom du fichier CH8_Les Microprocesseurs
Objectifs :
- Caractéristiques des microprocesseurs
- Connaître les techniques pour améliorer les performances
Le microprocesseur (aussi appelé CPU pour Central Processeur UNIT) est l'élément principal d'un
ordinateur, il traite des instructions à la suite l'une de l'autre, sans prendre aucune décision. Ces suites
d'instructions sont communément appelées un programme. Chaque modèle de microprocesseur lit des
instructions spécifiques à sa conception sous forme d'un langage de base que l'on appelle assembleur
(8086 pour les processeurs de la gamme Intel et compatibles, 68000 pour les motorolas équipant
notamment les Macintoshs), pour être traduit ensuite en micro instructions ou microcommandes. Ce
langage de programmation est complexe à utiliser puisqu'il est spécifique "machine" et codé en
hexadécimal (au même titre que les données ce qui complique encore la programmation). Les logiciels
que nous utilisons sont écrits dans des langages évolués (C, Visual Basic, ...) qui transposent les
programmes en assembleur (compilateur) compréhensible par le processeur. Le processeur ne prend
aucune décision, seules des instructions conditionnelles sont influencées par des situations extérieures:
clavier, demande de service d'un périphérique, ...
Actuellement, le microprocesseur regroupe, sur une puce de silicium de quelques mm2, les
fonctionnalités (unité de commande, unité de calcul, mémoire, …) qu’offraient jadis des systèmes bien
plus complexes. Leur puissance et leur densité d’intégration continuent de croître, respectant toujours,
pour le moment, la fameuse loi de Moore. Ils suivent une évolution fulgurante et à peine l’un d’entre eux
est-il commercialisé qu’on annonce déjà un concurrent ou un successeur encore plus puissant et plus
performant.
1] Les familles
Chaque type de processeur possède son propre jeu d'instruction. On distingue ainsi les familles de
processeurs suivants, possédant chacun un jeu d'instruction qui leur est propre :
• IA32 ou 80x86 : le « x » représente la famille. On parle ainsi de 386, 486, 586, 686, etc.
• IA-64 (Intel architecture 64 bits)
• AMD64
• MIPS
• Motorola 6800
• PowerPC
• SPARC
• ...
Cela explique qu'un programme réalisé pour un type de processeur ne puisse fonctionner directement sur
un système possédant un autre type de processeur, à moins d'une traduction des instructions, appelée
émulation. Le terme « émulateur » est utilisé pour désigner le programme réalisant cette traduction.

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2] Le microprocesseur Intel 8086
Le microprocesseur Intel i8086 (processeur 16 bits) est l’ancêtre d’une vaste famille. Il n’est plus
employé dans les micro-ordinateurs mais il est le « père » des microprocesseurs Intel et des compatibles.
• Etude des signaux
Les signaux que nous allons observer ne sont pas systématiquement les mêmes selon les processeurs mais
la compréhension de certaines de ces caractéristiques vous permettra de mieux appréhender les règles qui
président le fonctionnement du microprocesseur.
* VCC : Assurent l’alimentation électrique du processeur.
* CLK : Entrée destinée à recevoir les signaux d’horloge.
* INTR : Entrée de demande d’interruption.
* NMI : Lorsqu’elle est utilisée, cette entrée d’interruption non masquable, est généralement branchée sur
une détection de coupure d’alimentation.
* RESET : Initialise le microprocesseur soit la mise à 0 des différents registres puis le chargement du
système d’exploitation.
* AD0 à AD15 : gestion du bus de données (sur 16 bits).
* AD0 à AD19 : gestion du bus d’adresses (sur 20 bits).
* S3 à S6 : Indique le segment mémoire utilisé. La mémoire vive est divisée en plusieurs zones (segment
de code, de données …
* SO, S1, S2 : Ces broches, actives au début d’un cycle d’opération, indiquent au contrôleur de bus la
nature du cycle en cours – lecture ou écriture mémoire, lecture ou écriture externe, … lui permettant de
générer les signaux correspondants. Etc …
3] Caractéristiques des processeurs
• La notion d’horloge
L’horloge de la carte mère rythme les diverses « tâches » du microprocesseur. Elle pilote le FSB et agit
sur un certain nombre d’autres éléments. C’est la principale caractéristique retenue d’un processeur. Le
microprocesseur est chargé d’exécuter les diverses instructions d’un programme le plus rapidement

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possible. Afin d’augmenter ces performances une première solution consiste à augmenter sa fréquence.
Plus la fréquence d’horloge est élevée, plus l’ordinateur est puissant ou rapide. La fréquence est donnée
en Ghz (Giga-hertz). Les fréquences sont données par un quartz dont une des propriétés est de vibrer
sous l’effet d’impulsions électriques.
C’est ainsi que l’on est passé de 4,77 Mhz sur les premiers microprocesseurs à plus de 3 Ghz sur les
processeurs récents. Cette vitesse est celle du fonctionnement interne du processeur, différente de celle
du FSB qui l’alimente en données.
• Taille des registres
On parle de processeur 16 bits, 32 bits ou 64 bits. Les processeurs actuels sont des processeurs 64 bits
pour les plus récents.
• La taille du bus de données
La taille actuelle des bus de données sur 64 bits pour les processeurs signifie que les transferts
d’informations avec la mémoire sont réalisés par blocs de 8 octets. La taille des données 16, 32, 64 bits
qu’ils manipulent est une caractéristique des microprocesseurs.
• La taille du bus d’adresse
 Un processeur de deux Ghz signifie qu’il est capable d’effectuer 2 * 10
9
opérations (ou cycles
d’horloge ou top d’horloge) en une seconde.
A chaque top, le processeur exécute une action, correspondant à une instruction ou une partie
d’instruction (Instruction = microcommande).
L’indicateur appelé CPI (Cycles Par Instruction) permet de représenter le nombre moyen de
cycles d’horloge nécessaire à l’exécution d’une instruction.
Si on reprend l’exemple du processeur à 2 Ghz, le cycle s’effectue donc en 1/(2*10
9
) s. C’est ce
que l’on nomme la période.
On peut en déduire à présent le MIPS (Millions d’Instructions Par Seconde). Il correspond alors
à la fréquence du processeur que divise le CPI.
Les processeurs utilisent la technologie du multiplicateur de fréquence c’est-à-dire qu’il
fonctionne plus vite que la carte mère et les autres composants.

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L’espace mémoire adressable impose une limite à la quantité de mémoire qui pourra être installée sur le
PC.
Un bus d’adresse actuelle de 64 bits permet d’adresser 2
64
cellules différentes
• La compatibilité ascendante
Cela signifie qu’un logiciel développé pour un microprocesseur plus ancien fonctionnera avec les
nouveaux microprocesseurs (« normalement »). L’inverse n’est pas vrai car des logiciels développés
pour des microprocesseurs plus récents peuvent tirer partie des particularités de celui-ci pour être plus
performants et ne peuvent alors fonctionner avec l’ancien matériel. Cette compatibilité ascendante est un
handicap car les concepteurs de ces circuits sont obligés de conserver des instructions qui caractérisent les
premiers microprocesseurs de la famille Intel. Elle est par contre un fort atout pour la force de vente des
constructeurs car elle garantit à un client la portabilité de ses anciennes applications sur les nouvelles
plates-formes. Le jeu d’instruction d’un microprocesseur est l’ensemble des instructions qu’il est
capable d’exécuter. Tout programme compilé par un compilateur est, entre autre, traduit avec le jeu
d’instruction du microprocesseur sur lequel il sera exécuté. Avec une compatibilité ascendante on utilise
le jeu d’instruction du processeur.
• Le voltage
La tension de 0 volt représente le niveau logique bas « 0 » et 5 volts représente le niveau logique haut
« 1 ». Les ordinateurs actuels sont alimentés par des tensions plus en plus faible. Actuellement on parle de
technologie « extra low voltage ». Les microprocesseurs et les barrettes mémoires sont maintenant
alimentés avec des tensions de l’ordre de 1 volt. Pour certains composants et périphériques internes, on
rencontre des tensions de 3, 5 ou 12 volts.
• Le nombre de transistors
Les microprocesseurs, comme la plupart des circuits intégrés, sont faits d’interrupteurs microscopiques
appelés transistors. Les processeurs actuels sont constitués de plusieurs millions de transistors.
• La mémoire cache
Les échanges d’information entre le microprocesseur et la mémoire centrale constituent une des activités
principales dans l’unité centrale. Par rapport au microprocesseur, la mémoire centrale peut être considérée
comme un organe très lent. Pour augmenter la vitesse de traitement, les fabricants ont imaginé
d’intercaler entre le microprocesseur et la mémoire centrale une mémoire de faible capacité mais à
accès très rapide. La stratégie étant d’essayer de deviner quelles sont les informations dont le processeur
aura besoin et de les stocker en mémoire cache avant qu’il ne les réclame.
Les caractéristiques d’une mémoire cache sont :
• Sa localisation : interne au microprocesseur ou externe. Si la mémoire cache interne est suffisante en
monotâche pour des applications DOS, le cache externe est indispensable pour des applications comme
sous Windows ou Linux.
• Sa taille : Quelques dizaines de Ko en L1 (Level 1), de 1 à quelques Mo en L2. Pour certains
microprocesseurs les deux caches L1 et L2 sont intégrés au microprocesseur. Il y a donc parfois un
troisième cache (L3). Il n’est pas rare actuellement de rencontrer des microprocesseurs avec plusieurs
L1 et L2 (exemple avec le Quad Core d’Intel), afin de gérer séparément les données et instructions.
• La technique de rafraîchissement utilisée (pour la rapidité de mise à jour) : write through (quand
une donnée est modifiée, la mémoire cache et la mémoire centrale sont mises à jour, c’est une

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technique peu performante), posted write (ou écriture retardée pour les machines de milieu de
gamme) ou write-back (la mémoire centrale n’est mise à jour que lorsque la mémoire cache ne peut
plus contenir les données, pour les machines haut de gamme).
4] Les mesures des performances
• Les benchmarks
Un certain nombre de tests de performance (benchmarks) sont proposés par les constructeurs de
microprocesseurs (les fondeurs) ou par des organismes divers. Il faut bien comprendre leurs mesures :
 Le MIPS (Millions of Instructions Per Second) est une unité de mesure de la puissance des
ordinateurs. Toutefois, cette mesure n’est pas très significative si l’on considère que le
traitement d’instructions de branchement, de calcul sur les nombres flottants ou sur des entiers
est sensiblement différent.
 Le SPECint (Standard Performance Evaluation Corporation / Integer) est une unité de mesure
des performances des processeurs basée sur une série de tests appropriés au traitement des
entiers. La version SPECint92 est maintenant remplacée par la version SPECint95.
 Le SPECfp (Standard Performance Evaluation Corporation / Floating Point) est une unité de
mesure des performances des processeurs, basée sur une série de tests appropriés au traitement
des flottants. La version SPECfp92 est maintenant remplacée par la version SPECfp95.
 Le Dhrystone est également une unité de mesure concernant les calculs sur les entiers.
 De nombreux constructeurs ou organismes proposent leurs propres tests avec des unités lus ou
moins personnelles (WinBench, Winstine96…)
Remarque : Dans les revues spécialisées, on trouve des tests orientés « application ». On mesure par
exemple la performance de certains logiciels d’imagerie sur différents processeurs.
• Le P-Rating
Définition technique : Attribution d'un indice de performance à un matériel ou un logiciel, permettant de
le comparer avec ses homologues. Par exemple, comparer deux processeurs uniquement sur la fréquence
de leur horloge ne signifie pas grande chose, car les performances d'un processeur ne dépend pas
uniquement de ce facteur.
Remarque : Après de nombreuses évolutions dans le choix de la numérotation des microprocesseurs
chez Intel et AMD, cette notation est devenue obsolète.
• Le TDP ( Thermal Design Power)
Le TDP d'un processeur est l'enveloppe thermique maximale que celui-ci peut traiter en charge
maximale. Cette indication a pour but de donner des informations concernant la chaleur à dissiper sur un
processeur. Le fabricant de carte mère et le fabricant de ventirad sauront alors la capacité de chaleur à
dégager.
Le TDP aide aussi le consommateur à faire son choix et à choisir son système de refroidissement en
fonction de la consommation du processeur. Inversement, il permet aussi de sélectionner le matériel le
moins consommateur possible d'énergie.
En règle générale la numérotation des microprocesseurs passe à 4 chiffres plus une lettre.