UNIVERSITE DU SAHEL 33, Rue MZ-198 MERMOZ-BP : 5355, Dakar-Fann(SENEGAL) Tél : (221) 33 860 99 75 – Fax : (221) 33 860 99 75 - Point Phone : 33 826 23 06 http://www.unis.sn - e-mail 1 :[email protected] 2 :[email protected] Membre du Conseil Africain et Malgache de l’Enseignement Supérieur(CAMES) COURS D’ARCHITECTURE INFORMATIQUE l3pc EXPOSE : Présenté par : Professeur : KEZZA Vœux-De-Dieu M. SALL Code CIP:750 636 826 Année Académique : 2012-2013 Microprocesseur INTRODUCTION I. HISTORIQUE II. PRESENTATION III. ARCHITECTURE DU MICROPROCESSEUR IV. LE PROBLEME DE L'ECHAUFFEMENT CONCLUSION DEFINITIONS DES SINGLES WEBOGRAPHIE Présenté par : Vœu-De-Dieu KEZZA 2 Microprocesseur Début 1946, Presper Eckert et John William Mauchly achevèrent l’ENIAC (Electronic Numerical Integrator Analyser and Computer), qui est le premier ordinateur entièrement électronique. Il avait été commandé en 1942 par l’armée américaine afin d’effectuer les calculs de balistiques qui étaient fait auparavant par plus de 200 personnes. Il pesait 30 tonnes, occupait 72 m² et consommait une puissance équivalente à 160 kW. A l'époque, ce géant affichait un prix qui s'élevait à près d'un demi-million de dollars. Depuis les ordinateurs ont fortement évolué, ils sont en moyenne beaucoup plus petits : moins de 1 m3 ; ils pèsent quelques kilos et consomment une puissance équivalente à environ 100 W. L'arrivée du microprocesseur dans la société a permis de nombreux changements. Il a nettement révolutionné le domaine des technologies et de l'informatique. Le microprocesseur, noté M.P.U. (Micro processor unit) ou C.P.U. (Central Processor Unit) est un circuit intégré complexe appartenant à la famille des VLSI (Very large scale intégration) capable d'effectuer séquentiellement et automatiquement des suites d’opérations élémentaires, c’est l’élément de l’ordinateur, il interprète et exécute aussi les instructions d’un programme. Ainsi, dans notre travail, nous allons parler des microprocesseurs, tout d’abord, nous allons faire l’historique du microprocesseur, la présentation du microprocesseur, ensuite parler de l’architecture d’un microprocesseur, et pour conclure, nous parlerons du problème de l’échauffement du microprocesseur. L'histoire des microprocesseurs est intimement liée à celle de la technologie des semi-conducteurs dont voici les principales étapes : - 1947 Invention du transistor - 1958 TEXAS INSTRUMENTS produit le premier circuit intégré (CI) - 1961 Mise au point des technologies bipolaires TTL et ECL - 1964 Intégration à petite échelle (SSI de 1 à 10 transistors) - 1965 Intégration à moyenne échelle (MSI de 10 à 500 transistors) - 1970 Mise au point de la technologie MOS - 1971 Intégration à grande échelle (LSI de 500 à 20 000 transistors) et le premier microprocesseur est sorti des laboratoires d'Intel. Travaillant sur 4 bits et d'une puissance Présenté par : Vœu-De-Dieu KEZZA 3 Microprocesseur faible l'intérêt de ce nouveau composant électronique ne fut pas évident jusqu'à ce que l'idée de le transformer en calculatrice fut trouvée. -1978, l'arrivée du 8088 multiplie déjà cette puissance de calcul par 200 ! Cette date correspond à la naissance des véritables micro-ordinateurs. Arrivent ensuite les microprocesseurs 68000 et 80286 (16 bits) avec les Macintosh et P.C. que nous connaissons. Ils ont introduit l'image et le son. - 1985 Intégration à très grande échelle (VLSI plus de 20 000 transistors) ; C’est l’apparition de la technologie CMOS permettant un grand degré d’intégration qui a ouvert la voie à la fabrication de composants capables de contenir l’unité de contrôle et l’unité de traitement d’un ordinateur sur une seule puce. Voici un tableau illustrant l’évolution des microprocesseurs : Modèle Année Adresse réelle Adresse virtuelle INTEL4004 1971 Non INTEL 8080 1974 INTEL 8086 1978 MOTOROLA 68000 INTEL 80286 1979 INTEL 80386 1985 MOTOROLA MPC601 INTEL Pentium 1993 HP PA-8000 1996 MOTOROLA MPC620 1996 12 bits (4 Ko) 16 bits (64 Ko) 20 bits (1 Mo) 24 bits (16 Mo) 24 bits (16 Mo) 24 bits (16 Mo) 32 bits (4 Go) 32 bits (4 Go) 40 bits (1 To) 40 bits (1 To) MIPS R12000 1999 40 bits (1 64 bits To) INTEL Pentium 2 1999 HP PA-8700 2001 Itanium2 2002 36 bits (64 46 bits Go) 44 bits (16 96 bits To) 64 bits 64 bits 1982 1993 Non Non Non 30 bits 46 bits 52 bits 46 bits 96 bits 80 bits Présenté par : Vœu-De-Dieu KEZZA 4 Microprocesseur Remarque : 96 bits d’adresse représentent la possibilité de désigner environ 8.10^28 octets (80 milliards de milliards de milliards !). La mise en œuvre de la mémoire virtuelle suppose que soient réalisés des transferts entre mémoire de masse et mémoire centrale. De tels transferts sont facilités si la mémoire est gérée en pages. On trouvera ce concept de pagination de la mémoire dès 1985 sur le 80386. Quelques Exemples : Le 4004 Le 4004, apparu en Mars 1971, intègre 2250 transistors et est doté d'une horloge à 740KHz. Il traite des données sur 4 bits bien que la mémoire soit organisée en mots de 8 bits. Le Jeu d'instructions comporte 46 instructions codées sur 8 bits. La mémoire maximale adressable est de 1Ko pour les données (RAM) et 4Ko pour le code (ROM). Le 4004 possède 16 registres de 4 bits utilisables aussi comme 8 registres de 8 bits. Il gère les appels de sous programmes par une pile interne à 4 niveaux. Le 4040, datant de 1972, ajoute 4 niveaux à cette pile ainsi que 14 nouvelles instructions et la gestion des interruptions. Microprocesseur Intel4004 Architecture du microprocesseur Intel 4004 MOTOROLA68000 Apparu en 1979, le Motorola 68000 est un microprocesseur CISC 16/32 bits développé par Motorola. C'est le premier de la famille de microprocesseurs souvent appelée m68k ou 680x0, qui comprend notamment les microprocesseurs Motorola 68010, Motorola 68020, Motorola 68030, Motorola 68040 et Motorola 68060. Le nom du 68000 vient à la fois de la continuité avec la famille de microprocesseurs Motorola 6800 et du nombre de transistors qu'il contient, un peu plus de 68 000. Présenté par : Vœu-De-Dieu KEZZA 5 Microprocesseur Le microprocesseur qui veut dire : • Processeur = processor = calculateur (électronique) • Micro = petite taille Il est le cœur de l'ordinateur. C'est le composant principal et essentiel de chaque carte mère. C’est lui qui gère et contrôle la totalité des procédures et des enchaînements, exécute les instructions des programmes. Sans lui, un fonctionnement opérationnel et interactif des autres composants n’est pas possible, il est relié directement ou indirectement à tous les autres composants de la carte mère. La structure interne du microprocesseur s’est considérablement développée au cours de l’évolution du PC, il est devenu notamment nécessaire de concentrer plus de transistors sur des espaces réduits afin de pouvoir répondre aux exigences de performances (le premier processeur Intel 4004 comporte 2300 transistors, mais aujourd'hui un seul processeur comporte plusieurs millions de transistors). Le Microprocesseur remplit deux fonctions essentielles : Le traitement des données : Nous parlons d'unité de traitement. Cette fonction est dédiée à l'U.A.L. Elle concerne la manipulation des données sous formes de transfert, opérations arithmétiques, opérations logiques.... Le contrôle du système : Cette fonction se traduit par des opérations de décodage et d'exécution des ordres exprimés sous forme d'instruction. De la capacité et de la vitesse du Microprocesseur dépendent en grande partie (mais en partie seulement) les performances du PC. En effet il est cadencé au rythme d’une horloge interne qui lui envoie des impulsions à une fréquence précise (appelé top d’horloge). A chaque top d’horloge le microprocesseur accomplie une action, plus il y’a de top d’horloge plus le système sera rapide. Un microprocesseur cadencé à 600 MHZ effectuera 600 millions d’opérations par second. Dans un ordinateur, le microprocesseur n'est pas visible car il est enfermé dans un boîtier de céramique ou de résine. Ce boîtier est scellé et ne peut être ouvert sans détruire le microprocesseur. Le microprocesseur proprement dit est constitué d'une pastille de silicium sur laquelle sont gravés, par un procédé photochimique, de minuscules circuits. Ces circuits sont composés de plusieurs millions de transistors. La taille d'un microprocesseur de PC est d'environ 1 cm x 1,5cm. Plus de 160 contacts électriques aboutissent sur son périmètre. La taille de ces contacts est donc très petite. C'est pourquoi les microprocesseurs sont enchâssés Présenté par : Vœu-De-Dieu KEZZA 6 Microprocesseur dans un boîtier carré de plus grande taille. Différents types de boîtiers sont utilisés pour les microprocesseurs des PC modernes. Le microprocesseur ne peut être utilisé seul, il faut ajouter : Des mémoires pour stocker des données et les programmes. Des circuits d’entrée/sortie et des interfaces Des circuits annexes (multiplexeur, décodeurs) Une horloge L’alimentation Les principaux composants du microprocesseur Le transistor Le transistor est le composant fondamental du microprocesseur. Il permet d’y contrôler la tension électrique, il joue donc un rôle de modulation du courant. La résistance La résistance est un composant du microprocesseur permettant de ralentir le courant, mais il va en même temps créer un effet joule. C’est-à-dire la transformation de l’énergie électrique en énergie thermique, ce qui va entraîner la création de chaleur, d’où la présence d’un ventilateur dans les ordinateurs. Le bus Le bus est un ensemble de fils conducteurs. Il fait passer l’information entre les différents composants. L’UAL L’unité arithmétique et logique (UAL) se charge d’effectuer tous les calculs arithmétiques. Présenté par : Vœu-De-Dieu KEZZA 7 Microprocesseur L’architecture est l’organisation des éléments composant un système informatique (Fred Brooks, 1962) ; le microprocesseur à deux(2) sortes d’architectures, nous avons L’architecture externe des ordinateurs qui concerne essentiellement la vision qu’ils offrent à leurs programmeurs en langage de bas niveau(assembleur) aussi son utilisation et l’architecture interne qui correspond à l’organisation physique de ces machines ainsi que son coût et sa performance. Schéma généralisé d’un microprocesseur Malgré l'usage de techniques de gravures de plus en plus fines, l'échauffement des microprocesseurs reste approximativement proportionnel au carré de leur tension à une architecture donnée. Avec la tension (V), la fréquence (f), et un coefficient d’ajustement (k), nous pouvons calculer la puissance dissipée (P): P = k * V² * f Ce problème est lié à un autre, celui de la dissipation thermique, donc il ya souvent des ventilateurs, et aussi sources de nuisances sonores. Le refroidissement liquide peut être utilisé. L'utilisation d'une pâte thermique assure une meilleure conduction de la chaleur du processeur vers le radiateur. Si l'échauffement ne pose pas de problème majeur pour des applications type ordinateur de bureau, il en pose pour toutes les applications portables. Il est techniquement facile d'alimenter et de refroidir un ordinateur fixe. Pour les applications portables, ce sont deux problèmes délicats. Le téléphone portable, l'ordinateur portable, l'appareil photo numérique, le Présenté par : Vœu-De-Dieu KEZZA 8 Microprocesseur PDA, le baladeur MP3 ont une batterie qu'il s'agit de ménager pour que l'appareil portable ait une meilleure autonomie. L’apparition des microprocesseurs est due en partie à la Guerre Froide, au moment où la bataille technologique entre l’URSS et les Etats-Unis était à son apogée. Les microprocesseurs ont bel et bien révolutionné la société de consommation. Ils ont permis de développer l’informatique, mais aussi la communication grâce à leur système de sauvegarde et aux appareils électroniques qui en découlent. Au quotidien, on trouve des microprocesseurs un peu partout autour de nous et il serait difficile de vivre sans, car la naissance du microprocesseur a été un tournant majeur du XXe siècle. L’existence de cet objet pourtant si petit a eu un énorme impact sur la société et l'a définitivement fait évoluer. Enfin, tout n'est plus qu'une question de course à la puissance de calcul. Chaque bond technologique apporte son innovation. Aujourd'hui, le multimédia puis le 3 D et le temps réel. Demain, le monde virtuel ? CPU : (Central Procession Unit): Unité centrale de traitement MPU : (Microprocessor unit):unité de microprocesseur CISC : (Complex Instruction Set Computer):ensemble d’instruction complexe de l’ordinateur RISC : (Reduced Instruction Set Computer):ensemble d’instruction réduit de l’ordinateur VLSI : (Very large scale intégration): Très grande échelle intégration ROM: (Read-Only Memory): mémoire morte RAM : (Random Access Memory):mémoire vive CMOS : (Complementary metal–oxide–semiconductor): Complémentaire "semi-conducteur métallique d'oxyde" U.A.L : Unité Arithmétique Logique GAPP : (German American Partnership Program): Programme de Partenariat américain allemand Présenté par : Vœu-De-Dieu KEZZA 9 Microprocesseur PDA (Personal digital assistant) : Assistant numérique personnel TTL (Transistor-Transistor Logic) : Logique de transistor de transistor ECL (Emitter Coupled Logic) : logique à couplage d'émetteur SSI (Server Side Includes) : langage de programmation fait pour être interprété par un serveur HTTP lorsqu'il sert un document HTML http://www.iutbayonne.univ-pau.fr/~dalmau/documents/cours/archi/MICROP2007.pdf http://www.samomoitechnos.com/microprocesseur/introductionaumicroprocesseur.php http://fr.wikipedia.org/wiki/Microprocesseur#Le_probl.C3.A8me_de_l.27.C3.A9chauf fement Présenté par : Vœu-De-Dieu KEZZA 10