CHAPITRE 3 L`UNITE DE TRAITEMENT ( CPU)

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CHAPITRE 3
L’UNITE DE TRAITEMENT ( CPU)
Introduction :
L’unité centrale de traitement (UCT) appelée aussi processeur central (Central Processing
Unit = CPU) est l’élément moteur de l’ordinateur qui interprète et exécute les instructions
du programme. Il est intimement associé à la mémoire centrale ou sont stockées ces
instructions avec leurs données à traiter elle est composée de deux unités fonctionnelles.
L’unité arithmétique et logique (UAL) qui effectue les opérations arithmétiques et
logiques.
L’unité de contrôle et de commande (UCC) qui commande l’exécution de toutes les
opérations à tous les niveaux (UAL, MC, E/S) ainsi que le contrôle de leur
déroulement.
Comment fonctionne l’ensemble UCC et UAL ?
On suppose un programme en cours d’exécution, les instructions et les données sont stockées
en mémoire centrale à des adresses bien définies, comment se déroule l’exécution d’une
instruction ?
L’unité de contrôle et commande cherche en mémoire centrale l’instruction en lui
envoyant une adresse et une commande.
L’instruction est transférée vers l’UCC pour décodage, qui va déterminer l’opération à
exécuter.
Des signaux sont envoyés à l’UALpour déclencher l’opération.
Les données nécessaires sont acheminées de la mémoire centrale MC vers l’unité
arithmétique et logique (UAL).
Une fois l’exécution terminée, les résultats sont envoyés à la mémoire centrale.
Exemple :
On considère le programme PASCAL suivant :
Begin Read(a) ;
Read(b) ;
S :=a+b ;
Write(S)
End.

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Une fois le programme lancé, l’unité de traitement commande d’introduire les données en
mémoire qui seront introduites par clavier et occupent des emplacements en mémoire
centrale.
l’exécution de l’instruction S :=a+b engendre les opérations suivantes :
Transfert de l’instruction vers l’UCC ou elle est décodée.
Transfert des deux opérandes vers l’UAL .
Exécution de l’opération d’addition.
Transfert du résultat vers la mémoire
L’instruction Write(S) engendre :
Une commande de lecture du contenu de la variable S en mémoire centrale
Une commande d’entrée/sortie adressée au périphérique concerné (écran)
Transfert du contenu de la variable S pour son affichage sur écran.
Begin et End annoncent le début et la fin du programme.
1-L’unité arithmétique et logique UAL
Elle effectue des opérations arithmétiques et logiques, elle est dotée de circuits logiques
capables de réaliser les fonctions logiques ET, OU, NON, etc, et des opérations
arithmétiques addition, soustraction, division, décalage, test d’infériorité, supériorité…etc.
Réalisation d’une UAL 1 bit
Pour concevoir une UAL à 1 bit qui traite 4 opérations a ET b, a OU b, NON b, a+b
On doit disposer d’un circuit capable de sélectionner l’opération à exécuter, ce circuit doit
avoir deux entrées F0 et F1, à partir desquelles, on peut effectuer 4 choix (00, 01, 10, 11)
ce circuit ne peut être qu’un décodeur à deux bits.
Pour réaliser l’opération arithmétique A+B, on utilise un circuit appelé additionneur, il doit
prendre en considération une éventuelle retenue.
F0 F1 Décodeur

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Cette UAL est capable de calculer le ET, le OU de 2 bits, le NON du second bit, et la somme
des 2 bits avec une retenue d’entrée. Le choix parmi ces quatre opérations se fait via les deux
lignes de commandes F0 et F1. Suivant la valeur de ces 2 bits, le décodeur active une des
quatre lignes de sortie, sélectionnant soit une des trois fonctions logiques (aet b,aou b,
non b) soit la retenue et la sortie de l’additionneur. Ainsi en reliant chacune des trois
premières sorties du décodeur à la porte logique appropriée par une porte AND on active
une des 3 opérations logiques et en reliant la quatrième sortie à l’additionneur par une porte
AND on active l’additionneur et notre schéma complet de l’UAL 1 bit sera le suivant :
retenue
Remarque : pour réaliser une UAL à n bits on a qu’à relier n circuits d’UAL à 1 bits.
Une UAL peut être caractérisée par sa taille et ses possibilités Sa taille, ou largeur, correspond
a la taille maximale des nombres que l’UAL peut traiter Les possibilités de l’UAL
correspondent simplement aux différentes commandes qu’elle reconnaît.
Le constructeur d’un processeur a toujours la possibilité d’étendre les capacités de l’UAL (en
autorisant des opérations plus complexes) ou d’augmenter sa taille (pour permettre la
manipulation de nombres plus grands). Mais cela implique d’utiliser plus de portes logiques et
donc d’occuper plus de place sur la puce, au détriment des autres circuits.

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2-L’unité de commande et de contrôle UCC :
L’UCC accomplit deux fonctions : commander et contrôler en utilisant des circuits pour
décoder les instructions du programme et les transformer en signaux de commande vers toutes
ces unîtes.
2-1- structure d’une UCC
Les principaux éléments d’une UCC qui lui permettent d’accomplir ces taches sont.
a-Le compteur ordinal (CO)
Le registre CO (Program Counter = PC) contient toujours l’adresse en mémoire de la
prochaine instruction à exécuter. Le CO est automatiquement incrémenté après exécution de
chaque instruction, ainsi le programme est exécuté en séquence à moins qu’il contienne une
instruction modifiant la séquence (par exemple, une instruction de saut ou un branchement).
Dans ce cas, la nouvelle adresse remplacera le contenu du CO.
b- Le registre instruction (RI)
Lorsque le processeur va chercher une instruction en cours d’exécution en mémoire, il la
place dans le RI. La taille du RI correspond à la taille du mot mémoire . Le programmeur n’a
pas accès au RI. Les bits correspondants à la zone « code opération », sont envoyés au
décodeur pour qu’il détermine l’opération à exécuter.
c- Le décodeur :
C’est un circuit combinatoire qui détermine quelle opération doit être effectuée
(étudié en chapitre 2).
d-Le séquenceur :
Le séquenceur est un automate qui génère les signaux de commande nécessaires pour
actionner et contrôler les unités qui participent à l’exécution d’une instruction donnée il peut
être réalisé de 2 façons.
Câblé : circuit séquentiel complexe qui fait correspondre à chaque instruction exécutable un
sous-circuit capable de commander son déroulement. Le sous-circuit approprié est activé par
un signal provenant du décodeur
Microprogrammé : suite de micro-instructions stockées dans une mémoire rapide.
.Ce microprogramme génère une suite de signaux de commandes équivalents à celle produites
par un séquenceur câblé.
e- L’horloge :
Le rôle de l’horloge dans l’UCC est de générer des signaux périodiques qui définissent le
cycle machine qui correspond à la durée élémentaire régissant le fonctionnement de la
machine, il synchronise toutes les actions du processeur.
2-2 Fonctionnement d’une UCC :
Essayons de suivre les étapes d’exécution d’une instruction machine cette instruction
comporte 2 champs.
Code opération (obligatoire).
un ou plusieurs champs adresse.
Instruction = code opération + adresse opérande
L’instruction passe par 2 cycles.
-Cycle de recherche : cherche l’instruction et décode.
-Cycle d’exécution :exécution par l’UAL de l’instruction.

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On résume le cycle de recherche par :
1. Transfert de l’adresse de la nouvelle instruction à exécuter du CO vers le registre
adresse mémoire RA (en MC)
2. Une commande est généré par l’UCC pour lire l’instruction et l’envoyer vers le
registre RM.
3. L’instruction est transférée dans RI (code op + adresse op).
4. Pendant que l’adresse de l’opérande est envoyée vers RA le code opération est
transmis au décodeur qui détermine le type de l’opération et le transmet au
séquenceur.
5. Le CO est incrémenté pour le suivant le cycle de recherche s’il ne s’agit pas d’une
instruction de branchement.
Le cycle d’exécution comprend les étapes suivantes :
1- Le séquencer lance des signaux de commande vers le mémoire pour lire l’opérande à
l’adresse déjà stockée dans le RA et le transférer dans RM.
2- Transfert du contenu de RM vers l’UAL, et plus précisément vers l’accumulateur ou
tout autre registre affecté à l’opération spécifiée.
3- L’opération est effectuée sous contrôle du séquenceur.
4- L’opération est effectuée sous cont
Cycle d’exécution d’une instruction
Cycle de recherche d’une instruction