Architecture des ordinateurs

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Philippe Darche
IUT Paris Descartes
Année 2009-2010
Architecture des ordinateurs
14 - L’unité centrale
Philippe Darche 2 IUT Paris Descartes
Le modèle de machine de Von Neumann
Appelée de manière raccourcie
« architecture Von Neumann »
D’après un rapport célèbre [Von Neumann 45]
(disponible sur le serveur de l’IUT)
Une abstraction (i.e. un modèle théorique)
Pour juste donner les détails nécessaires à la programmation
A ne pas confondre avec le modèle de calcul
Philippe Darche 3 IUT Paris Descartes
Modélisation de la machine de Von Neumann
E/S non représentées
Philippe Darche 4 IUT Paris Descartes
Modélisation de la machine de Von Neumann
Cinq éléments dans le rapport de [von Neumann 45]
Central Arithmetic Unité Arithmétique et Logique (UAL)
Central Control Unité de Contrôle (UCo)
Memory les différentes formes de mémoire
mémoire centrale
registres
Input interface et périphérique d’entrée
Output interface et périphérique de sortie

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Philippe Darche 5 IUT Paris Descartes
Caractéristiques de ce modèle
Instructions et données dans la même mémoire
par opposition à l’architecture Harvard
Exécution séquentielle des instructions
Philippe Darche 6 IUT Paris Descartes
Un microprocesseur actuel
Xeon 7400 (6 cœurs)
Philippe Darche 7 IUT Paris Descartes
Une unité centrale du début
CPU (Central Processing Unit)
Un exemple : L’EDVAC
Appellation à ne pas confondre
avec le sens actuel
(i.e. le micro-ordinateur)
Philippe Darche 8 IUT Paris Descartes
Définition du MPU
Le microprocesseur = version intégrée
de l’unité centrale des années 50-70
MPU = MicroProcessor Unit
intégration de :
UCo + UT
mémoire cache
contrôleur de mémoire vive dynamique ou DRAM (2009)
mémoire vive dynamique (prochainement)
il ne reste plus que les contrôleurs d’E/S à intégrer
c’est déjà fait avec le micro-contrôleur !

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Philippe Darche 9 IUT Paris Descartes
Définition du MPU
Composant programmable
Classification par application
à usage général (General Purpose Processor ou GPP)
microprocesseur à usage général
micro-contrôleur (MCU pour MicroController Unit)
intégration du CPU + mémoire + contrôleurs d’E/S
Spécialisé (Application-Specific Processor pour ASP
ou SPP pour Special Purpose Processor)
traitement numérique du signal
DSP (Digital Signal Processor)
ASIP pour Application-Specific Instruction set Processor
Philippe Darche 10 IUT Paris Descartes
Modélisation d’un microprocesseur
Philippe Darche 11 IUT Paris Descartes
Définitions de base
Chemin de donnée (data path)
ensemble des composants traversés
par les données
UAL (Unité Arithmétique et Logique) et FPU (Floating-Point Unit)
bus de donnée (data bus)
Chemin d’instruction (instruction path)
ensemble des composants traversés
par les instructions
UCo
bus d’instruction (instruction bus)
Microarchitecture = détails internes
Philippe Darche 12 IUT Paris Descartes
Une micro-architecture simple
à bus de donnée unique

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Philippe Darche 13 IUT Paris Descartes
L’Unité arithmétique et logique
UAL ou ALU (Arithmetic and Logic Unit)
Calcul de fonctions unaires et binaires
arithmétiques : + et – (originellement) puis * et ÷aujourd’hui
logiques
ET, OU, NON et XOR
comparaisons : >, ≥, <, ≤ et =
décalages et rotations gauche et droite arithmétiques et logiques
Schéma de base
ACC = ACC + opérande
Résultat avec positionnement éventuel des indicateurs
voir transparent « cycle d’exécution de bas »
Philippe Darche 14 IUT Paris Descartes
Calcul des drapeaux
Philippe Darche 15 IUT Paris Descartes
Les registres utilisés par l’UAL
Le registre d'état ou des indicateurs
ou des drapeaux (flags)
CCR (Code Condition Register)
une partie seulement
Divers registres
le ou les accumulateurs
etc.
Philippe Darche 16 IUT Paris Descartes
Etats des indicateurs du registre d’état (1/2)
Etat temporaire (code condition)
jusqu'à la prochaine instruction risquant de modifier
l'indicateur concerné
renseignement sur la validité du résultat :
résultat nul, négatif, dépassement de format ou de capacité, etc.

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Philippe Darche 17 IUT Paris Descartes
Le registre d'état du 8086
OF (Overflow Flag) : indicateur de dépassement
SF (Sign Flag) : indicateur de signe
ZF (Zero Flag) : indicateur de zéro
AF (Half carry Flag) : indicateur de demi-retenue
PF (Parity Flag) : indicateur de parité
CF (Carry Flag) : indicateur de retenue
OF DF IF TF SF ZF AF PF CF
D15 D0
Philippe Darche 18 IUT Paris Descartes
L’Unité de Contrôle
UCo
Organise l'exécution des instructions au rythme
d’un signal d’horloge Clk
génération des signaux de synchronisation internes
ou externes (bus de contrôle) du CPU
Philippe Darche 19 IUT Paris Descartes
Les registres utilisés par l’UCo
Le Compteur Ordinal (CO)
PC (Program Counter) ou IP (Instruction Pointer)
Le Registre d'Instruction (RI)
Le registre d'état ou des indicateurs
une partie seulement
Les registres d'index (IX)
Le pointeur de pile (SP)
Philippe Darche 20 IUT Paris Descartes
Etats des indicateurs du registre d’état (2/2)
Etat permanent
contrôle de l’UC
modification du comportement de certaines instructions
manipulation des caractères
modification du comportement du processeur
mode pas à pas
masquage des interruptions
⇒Concerne l’UCo